Vis kilden til Foton

[[Fil:LASER.jpg|right|thumb|270px|Lys fra [[laser]]e er stråler av koherente fotoner med samme frekvens. Her i forskjellige farger.]]

'''Foton''' er i [[kvantemekanikk]]en et [[kvant]] av [[elektromagnetisk stråling]]. Det er dermed en partikkel med bestemte egenskaper. Fotoner beveger seg alltid med konstant fart lik [[lysets hastighet]]. Det var [[Albert Einstein]] som gjennom sine studier av [[varmestråling|sort stråling]] på begynnelsen av 1900-tallet kom frem til at lys hadde egenskaper som om de var partikler med bestemt energi og [[impuls]]. [[Albert Einstein]] bygget videre på [[Max Planck]]s arbeid i det som senere skulle bli kjent som [[kvantemekanikk]]. Dette ble eksperimentelt verifisert rundt 1923 ved [[Comptonspredning|Compton-spredning]]. Fotonet betegnes ved den greske bokstaven ''&gamma;'' (gamma), da det tidlig viste seg at den radioaktive [[gammastråling]]en var [[elektromagnetisk stråling]] med meget høy energi.

Fotonet var den første, kjente «kvantepartikkel» som har både bølge- og partikkelegenskaper. Derfor ble det snart stilt spørsmål om vanlige partikler også ville ha bølgeegenskaper. Det førte i [[1924]] at [[Louis de Broglie]] foreslo at også elektronet kunne beskrives som en [[materiebølger|materiebølge]]. Kort tid deretter fant [[Erwin Schrödinger]] den riktige [[Schrödinger-ligning|bølgeligningen]] som gjelder for alle partikler. En fullstendig kvantemekanisk beskrivelse av fotonet ble gitt av [[Paul Dirac]] i [[1927]]. Dette arbeidet markerte begynnelsen på moderne [[kvantefeltteori]] som beskriver alle [[elementærpartikler]]. 

Navnet foton kommer fra [[gresk]] ''phos'' for «lys». Det er den amerikanske kjemikeren [[Gilbert N. Lewis]] som vanligvis blir gitt æren for å ha foreslått dette i 1926. Men på 2010-tallet ble det påvist at navnet var allerede lansert av andre flere år tidligere.<ref>{{Kilde www |url = http://arxiv.org/pdf/1401.0293v2.pdf |tittel = Photon: New light on an old name  |besøksdato = 2014-01-20 |forfatter = Kragh, Helge (2014) |utgiver =  arXiv:1401.0293}}</ref>

==Egenskaper==

Etter at den tyske fysiker Max Planck hadde forklart egenskapene til sort stråling i 1900 ved å innføre sitt [[Plancks konstant|virkningskvantum]] ''h&thinsp;'', gikk Albert Einstein i gang med å studere denne strålingen nærmere, basert på sin forståelse av [[termodynamikk]] og [[statistisk mekanikk]]. Han fant da ut at energien til [[elektromagnetisk stråling]] som tidligere var beskrevet som kontinuerlige [[Maxwells likninger|bølger]], også kunne beskrives som om den var fordelt på diskrete [[kvant]] med energi. Har strålingen frekvensen <math>f</math> eller bølgelengden <math>\lambda</math>, vil et slikt '''lyskvant''' ha energien <blockquote><math>E_f = hf=\frac{hc}{\lambda}</math></blockquote>hvor <math>h=6.63 \cdot 10^{-34} Js</math> ([[Plancks konstant]]) og <math>c=3,00 \cdot 10^{8} \frac{m}{s}</math> lysfarten i et vakuum.

På dette viset gikk Einstein lengre i sine antagelser enn Planck opprinnelig hadde gjort ved utledning av sin [[Plancks strålingslov|strålingslov]]. Der hadde han antatt at det var kun de materielle oscillatorene i veggene som omsluttet strålingen, som var kvantiserte. Selve strålingen skulle betraktes som kontinuerlige bølger. Dette klassiske bildet ville Einstein forkaste. Med denne nye forståelsen kunne han i 1905 forklare den [[fotoelektrisk effekt|fotoelektriske effekten]]. For dette arbeidet ble Einstein i [[1921]] tildelt [[nobelprisen i fysikk]].

===Impuls===
Lyskvantet til Einstein var i begynnelsen ikke noen partikkel i vanlig forstand. Fortsatte studier av [[varmestråling]] og betydningen av [[Plancks strålingslov]] overbeviste Einstein om at et lyskvant med frekvens <math>f</math> også måtte tilskrives en impuls   <blockquote><math>p_f =\frac{E_f}{c}=\frac{hf}{c}=\frac{h}{\lambda}</math>  </blockquote>hvor <math>c</math> er [[lyshastighet]]en, <math>\lambda</math> er [[bølgelengde]]n til strålingen, <math>E_f</math> er energien til lyskvanten, og <math>h=6.63\cdot10^{-34}Js</math> er [[Plancks konstant|plancks konstanten]]. Impulsen er en vektor '''p''' som er rettet langs retningen som den tilsvarende bølgen beveger seg langs. 

Dette resultatet kom han frem til ved å tenke seg utsendelse av et lyskvant fra en enkel partikkel. Selv om lyskvantet har energien ''E = h&nu;'', kunne den i prinsippet bli sent jevnt ut i alle retninger. Men for at strålingen skulle forbli i [[termisk likevekt]] med partiklene, viste han at det var nødvendig at energien var konsentrert i en bestemt, men vilkårlig retning. Partikkelen som sender ut lyskvantet, får da en [[rekyl]] som betyr at lyskvantet har akkurat denne impulsen ''p = h/&lambda;&thinsp;''.

===Masse===
Energi og impuls for en partikkel med masse ''m'', er alltid forbundet ved den generelle formelen<blockquote><math> E^2 = p^2c^2 + m^2c^4 </math></blockquote>fra den [[spesielle relativitetsteori]]en. For fotonet er ''E = pc'' som derfor betyr at '''fotonet har null masse'''. Ved bruk av kvantemekanikk kunne [[Paul Dirac]] i 1927 gi en konsistent beskrivelse av alle egenskaper ved fotonet og dets vekselvirkning med materie.<ref>{{cite journal |last=Dirac |first=Paul |authorlink= |coauthors= |year=1927 |month= |title=The quantum theory of emission and absorption of radiation |journal=Proc. Roy. Soc. | volume= A 114 |issue= |pages=243-265}} </ref> Dette var første formulering av hva som i dag kalles [[kvanteelektrodynamikk]]. Det  ble nå klart at fotonet ga opphav til [[elektrisk]]e og [[magnetisk]]e krefter mellom materiepartikler med [[elektrisk ladning]]. At massen var nøyaktig lik null, medførte at disse kreftene fikk lang rekkevidde. Dette kommer til uttrykk bl.a. i [[Coulombs lov]] som beskriver hvordan  kraften avtar mellom to ladninger.

===Spinn og statistikk===
[[Fil:Helicity Chirality.png|150px|right|thumb|Et venstrevridd (L) eller høyrevridd (R) foton kan illustreres med en liten kule som roterer om sin egen bevegelsesretning.]]
En lysbølge kan være [[polarisering (elektromagnetisme)|planpolarisert]] på to måter. Det  består i at det elektriske feltet i bølgen peker i en av to ortogonale retninger som begge står vinkelrett på bølgens forplantningsretning. Når bølgen er sirkulært polarisert,  roterer den elektriske vektoren med eller mot viserne på en klokke med urskiven vinkelrett på denne retningen. I den kvantemekaniske beskrivelsen tilsvarer dette at fotonet som bølgen beskriver, er en partikkel med [[spinn]] ''S'' = 1.  Men siden fotonet har null masse og derfor ikke noe hvilesystem, må spinn-vektoren '''S''' kun peke enten langs impulsen '''p''' eller i motsatt retning. I det første tilfellet sier man at fotonet er ''høyrevridd'', i det andre tilfellet er det ''venstrevridd''.

Fra arbeidet til Dirac ble det også klart at fotonet er et [[boson]] som oppfyller [[Bose-Einstein-statistikk]]. Mange fotoner med samme frekvens vil da kvantemekanisk foretrekke å opptre i samme tilstand. Dette utnyttes i en [[laser]] som  produserer [[koherent]] lys.

===Lys===

I sitt store verk [[Opticks]] argumenterte [[Isaac Newton]] for at lys måtte bestå av små partikler eller «korpuskler». Denne teorien ble etter hvert erstattet med teorier basert på [[bølge]]r i en [[eter (fysikk)|eter]] som til slutt fikk sin endelige utforming i [[James Clerk Maxwell|Maxwells]] [[Maxwells ligninger|elektromagnetiske teori]]. Etter etableringen av [[kvantemekanikk]]en ble det klart at partikler kan tilordnes [[bølge-partikkel dualisme|bølgeegenskaper]] og noen fenomen som den fotoelektriske effekten viser at lys består av fotoner. 

Denne innsikten har i nyere tid ledet [[Richard Feynman]] til å beskrive lys fundamentalt som bestående av fotoner. Et argument er å betrakte lys som sendes mot en flate som består av veldig små [[fotomultiplikator|fotoceller]]. Når lysintensiteten blir tilstrekkelig lav, vil disse tennes én og én og ikke flere samtidig. Det viser at energien i strålingen befinner seg i små, lokaliserte pakker. Hvert slikt masseløst foton er en partikkel bortsett fra at den beveger seg ifølge kvantemekanikkens lover istedenfor etter [[Newtons lover]]. En slik beskrivelse kan likevel forklare de klassiske bølgefenomenene som [[interferens]] og [[diffraksjon]].<ref name = Feynman-photon> R.P. Feynman, [https://www.youtube.com/watch?v=bAnnEiAjN6U&t=2s ''Photons - Corpuscles of Light''], forelesning ved universitetet i [[Auckland]] (1979). </ref>

==Gaugebosoner==

Når man går nærmere inn i [[elektromagnetisme|elektromagnetisk teori]] for å forstå hvorfor massen til fotonet er ''nøyaktig'' lik null, finner man ut at det skyldes at teorien er invariant under [[gaugetransformasjon]]er. Teorien er derfor en [[gaugeteori]]. Mer kompliserte versjoner av slike teorier beskriver andre [[gaugeboson]]er som gir opphav til krefter mellom partiklene i atomkjernen. 

===Elektrosvake bosoner===
På 1960-tallet ble det klart at den elektromagnetiske kraften formidlet av fotonet, hadde mange likhetspunkter med [[Svak kjernekraft|den svake kjernekraften]]. Det lyktes [[Sheldon Lee Glashow|Sheldon Glashow]], [[Abdus Salam]] og [[Steven Weinberg]] å utvikle en ''enhetlig teori'' for begge disse kreftene. De to kreftene betegnes i dag med det felles navnet [[elektrosvak vekselvirkning|elektrosvake vekselvirkninger]]. Det masseløse fotonet inngår her sammen med de tre massive gaugebosonene ''Z<sup>&thinsp;0</sup>'',  ''W<sup>&thinsp;+</sup>'' og ''W<sup>&thinsp;-</sup>''. De har masse på grunn av [[Higgs-mekanismen]] og formidler  [[Svak kjernekraft|den svake kjernekraft]]en. På samme måten som fotonet har de også spinn ''S = 1''. For disse arbeidene ble de tre fysikerne  i [[1979]] tildelt [[nobelprisen i fysikk]].

===Sterke bosoner===

Den [[Fargekraft|sterke kjernekraften]] som holder [[proton]]ene og [[nøytron]]ene på plass i [[atomkjerne]]n, formidles av et gaugeboson som kalles for [[gluon]]. Det har også spinn ''S = 1'' og er masseløst som fotonet. Men i motsetning til fotonet, har gluonet en slags ladning. Dette er ingen elektrisk ladning, men en blanding av de tre fargene til [[kvark]]ene.  For gluonet kan denne blandingen opptre i åtte forskjellige valører. Siden gluonene har slike fargeladninger, virker det krefter mellom dem som formidles ved utveksling av andre gluoner. På 1970-tallet lykkes det å finne en meget elegant, men matematisk komplisert gaugeteori for disse partiklene. Det er en utvidelse av [[kvanteelektrodynamikk]] (QED) som gjelder for fotoner og elektroner, til [[kvantekromodynamikk]] (QCD) som beskriver hvordan kvarker og gluoner vekselvirker.

==Referanser==
<references/>
{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Fysikk]]
[[Kategori:Elektromagnetisme]]
[[Kategori:Elementærpartikler]]