Foton

ZieFoton (tractormerk)voor het tractormerk.

Foton
Standaardmodel
Samenstelling	Elementair deeltje
Interactiekrachten	Zwakke,elektromagnetische krachtengravitatiekracht
Symbool	γ
Massa	0
Elektrische lading	0
Spin	1

Feynmandiagramvan twee elektronen die elkaar afstoten doordat zij een foton uitwisselen.

Fotonen(Oudgrieks:φῶς,phōs, licht) zijnelementaire deeltjesuit hetstandaardmodel van de deeltjesfysica.Ze hebben geenrustmassaen bewegen zich in vacuüm met delichtsnelheidvoort.Licht,evenals alle andereelektromagnetische straling,bestaat uit fotonen. Het foton is hetijkbosondat deelektromagnetische krachtdraagt.

Afhankelijk van de gebruikte meetopstelling heeftstraling,in feite een vorm vanenergie,de eigenschappen vangolvenof van een stroom fotonen. Dit heet dedualiteit van golven en deeltjes.

Fotonen worden ook lichtdeeltjes genoemd en worden, in het bijzonder bijgammastraling,met de Griekse letterγ(gamma) aangeduid.

Geschiedenis

Het wasAlbert Einsteindie hetfoto-elektrisch effectponeerde, waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs ontving. Fotonen verklaarden met deze theorie de verschillende energietoestanden van elektronen. Deze theorie ligt aan de basis van de werking vanzonnepanelen.

Bewegende ladingen zenden fotonen uit. Volgens hetatoommodel van Bohrkunnen de elektronen in eenatoomzich alleen in banen bevinden op specifieke afstanden van de kern, waarin zij geen fotonen uitzenden.

Ontstaan

Fotonen kunnen door een atoom worden uitgezonden, als eenelektronvan eenelektronenschilterugvalt naar een schil met een lagere energietoestand. De vrijkomende energie wordt daarbij in de vorm van een foton uitgezonden. Fotonen kunnen ook bijkernreactiesworden opgewekt, wanneer een kern uit een aangeslagen toestand naar een lagere energietoestand terugvalt. Fotonen kunnen ook bij de wisselwerking tussenelementaire deeltjesof het spontane verval van één elementair deeltje naar een ander vrijkomen. Wanneer een elementair deeltje en zijnantideeltjebotsen, kan allemassaworden omgezet in een energierijk foton, en omgekeerd.

Licht

Lichtis elektromagnetische straling in een frequentiebereik dat door bepaalde cellen in onzeogenkan worden waargenomen. Het kan een golfkarakter en tegelijkertijd een deeltjeskarakter hebben. Dit valt vervolgens te benaderen met deonzekerheidsrelatie van Heisenbergen het gedachte-experiment van Erwin Schrödinger,Schrödingers kat.

Snelheid

Lichtdeeltjes bewegen zich met delichtsnelheidc,die in eenvacuümexact299 792 458m/sbedraagt. Uit despeciale relativiteitstheorievolgt dat een deeltje met eenrustmassagroter dan 0 nooit de lichtsnelheid kan bereiken. Een foton heeft dan ook geen rustmassa.

Een lichtdeeltje vervalt niet en is dus volkomen stabiel. Volgens de speciale relativiteitstheorie staat de lokale tijd van een lichtdeeltje stil. Een lichtdeeltje krijgt dus niet de tijd om uiteen te vallen, zelfs als het een eindige levensduur had.

Formule van Planck

Atoommodel van Bohrvan element nummer$Z$,met kernlading$Ze$,waarin een elektron van niveau 3 naar 2 terugvalt en een foton uitzendt

Licht metfrequentieνbestaat uit fotonen metenergieE:

${E=h\nu =pc={{hc} \over \lambda }}$

met ℎ, deconstante van Planck.

De energie van een foton wordt niet alleen injouleuitgedrukt, maar ook wel inelektronvolt.

Dehypothese van De Brogliekent aan een foton eenimpulstoe:

${p={{h\nu } \over c}}$

die ook kan worden geschreven als

${p={h \over \lambda }}$.

Breking

Als lichtdeeltjes zich door een transparantmediumvoortplanten, lijken ze langzamer te gaan dan in vacuüm. De lagere snelheid in een medium is een schijnbare snelheid. Fotonen bewegen ook tussen de atomen en moleculen van het medium met de lichtsnelheid. Als een foton een atoom raakt wordt het geabsorbeerd. Even later zendt het atoom een ander foton uit met dezelfde energie, dat zich vervolgens weer met de lichtsnelheid verplaatst. Echter, door dit oponthoud lijkt het alsof het foton zich langzamer heeft verplaatst.

Door de verschillende snelheden treedt op een grensvlak tussen twee media met verschillende brekingsindiceslichtbrekingplaats. De brekingsindex hangt af van de twee media en van defrequentieνvan de straling.

Wit licht is uit eenspectrumsamengesteld van verschillende frequenties, dus van verschillendekleuren.Dit spectrum kan met eenprisma,door middel vandispersiezichtbaar worden gemaakt.

Algemene relativiteit

Einsteinsalgemene relativiteitstheorievoorspelde dat de baan van fotonen doorzwaartekrachtwordt beïnvloed. Dit was destijds in 1915 volstrekt tegen de heersende opvatting in, maar werd later door waarnemingen bevestigd. Het idee dat fotonen steeds langs een rechte lijn bewegen moest worden aangepast: fotonen bewegen langsgeodeten.Dat zijn in een massaloze ruimte overigens rechte lijnen.

Literatuur

• (en)M. Born en E. Wolf.Principles of optics,1987.
• (en)E. Hecht en A. Zajac.Optics,1974.
• A. Kronig.Leerboek der natuurkunde,1962.
• H. Biezeveld en L. Mathot.Scoop Natuurkunde voor de bovenbouw 5/6 vwo,1997.

··

Fysische deeltjes