Foton

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Nuvola single chevron right.svg Voor het tractormerk; zie Foton (tractormerk).
Twee elektronen stoten elkaar af door uitwisseling van een foton

Fotonen (φοτος, photos = licht) ("lichtdeeltjes") zijn een verschijningsvorm van elektromagnetische straling. Afhankelijk van de gebruikte meetopstelling zal straling (een vorm van energie) zich voordoen als golven of als een stroom van massaloze deeltjes, de fotonen. Ze worden soms aangeduid met het symbool γ (de derde Griekse letter gamma).

Licht[bewerken]

Licht is elektromagnetische straling in een frequentiebereik dat door bepaalde cellen in onze ogen waargenomen kan worden. Licht bestaat uit fotonen. Het kan een golfkarakter en tegelijkertijd een deeltjeskarakter aannemen. Dit valt vervolgens te benaderen met de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Het is hetzelfde principe waarmee Schrödinger op de proppen kwam. Zijn gedachte-experiment, genaamd de kat van Schrödinger, stelt dat een vergiftigde kat tegelijkertijd dood en levend kan zijn, totdat de waarnemer de doos, waarin de kat zich bevindt, opent.

Ontstaan[bewerken]

Fotonen kunnen binnen een atoom ontstaan als een elektron naar een lagere energietoestand terugvalt en de vrijkomende energie uitzendt in de vorm van een foton. Fotonen kunnen ook opgewekt worden bij processen in de atoomkern, zoals het terugvallen van een kern uit een aangeslagen toestand naar een lagere energietoestand, kernsplijting en kernfusie. Ook bij de wisselwerking tussen elementaire deeltjes of het spontane verval van één elementair deeltje naar een ander kunnen fotonen vrijkomen. Wanneer een elementair deeltje en zijn antideeltje botsen, kan alle massa worden omgezet in een energierijk foton (en omgekeerd). Elk elektromagnetisch veld dat in sterkte varieert, produceert ook elektromagnetische straling (en dus fotonen). Het was Albert Einstein die met zijn foto-elektrisch effect (waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs ontving) de omzetting van fotonen naar elektronen (en omgekeerd) als eerste poneerde. Deze theorie ligt aan de basis van de werking van zonnepanelen. Daarbij gaat men uit van absorptie van fotonen, hetgeen vergelijkbaar is met de theorie over de middelpuntvliedende kracht. Hierbij beschouwt men een elektronenbaan binnen de elektronenbaan in de evenwichtstoestand. Als de snelheid van het elektron in de binnenbaan gelijk is aan die van de buitenbaan, is er een overmaat aan energie. Wanneer in de formule K = mxv²/ r, de r kleiner wordt, dan wordt K groter.

Snelheid[bewerken]

Lichtdeeltjes bewegen zich met de lichtsnelheid (c), die in het vacuüm 2,99792458 × 108 meter per seconde bedraagt. Uit de speciale relativiteitstheorie volgt dat een deeltje met een eindige rustmassa nooit de lichtsnelheid kan bereiken. Een lichtdeeltje 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, dus een lichtdeeltje krijgt niet de tijd om uiteen te vallen, zelfs als het een eindige levensduur had.

Formule van Planck[bewerken]

Atoommodel van Bohr van element nummer Z (met kernlading Ze) waarin een elektron terugvalt van niveau 3 naar 2 en een foton uitzendt.

Licht met frequentie ν (de Griekse letter nu, in middelbareschoolboeken soms ook f) bestaat uit fotonen met energie E:

{\ E = h\,\nu}

met de constante van Planck.

Met het begrip van de materiegolf van De Broglie kent men aan een foton een impuls toe:

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

die ook geschreven kan worden als

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

(zie de dualiteit van golven en deeltjes).

Breking[bewerken]

Als lichtdeeltjes zich door transparante media voortplanten, gaan ze langzamer dan in vacuüm, afhankelijk van de brekingsindex van het medium. Deze brekingsindex hangt ook af van de frequentie ν van de straling. Op een grensvlak tussen twee media vindt refractie (breking) van het licht plaats, als de brekingsindices van die media verschillen. (Wit licht is samengesteld uit verschillende frequenties (kleuren): een spectrum. Dit spectrum kan zichtbaar gemaakt worden door middel van de dispersie (kleurschifting) die optreedt als de verhouding tussen de brekingsindices van die media van de frequentie afhangt.)

Algemene relativiteit[bewerken]

Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelde dat de baan van fotonen door zwaartekracht wordt beïnvloed. Dit was destijds (1915) volstrekt in tegenspraak met de heersende opvattingen, maar werd later bevestigd door waarnemingen. De aanname dat fotonen steeds langs een rechte lijn bewegen moest worden aangepast naar de aanname dat fotonen langs geodeten (zie differentiaalmeetkunde) bewegen, en dat zijn in een massaloze ruimte rechte lijnen. Dit valt te verklaren doordat de gravitatie een kromming van de ruimte-tijd teweegbrengt, waardoor de fotonen worden afgebogen langs het object heen.

Verder lezen[bewerken]

  • Born, M. & Wolf, E.: Principles of optics, Pergamon Press, Oxford, 1987
  • Hecht, E. & Zajac, A.: Optics, Addison-Wesley, Reading, 1974
  • Kronig, A. (red.): Leerboek der natuurkunde, Scheltema & Holkema, Amsterdam, 1962
  • Biezeveld, H. en Mathot, L.: Scoop Natuurkunde voor de bovenbouw 5/6 vwo, Wolters-Noordhoff Groningen, 1997 vijfde druk

Zie ook[bewerken]