Foton

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Naar navigatie springen Jump to search
Zie artikel Zie Foton (tractormerk) voor het tractormerk.
Twee elektronen stoten elkaar af doordat zij een foton uitwisselen.

Fotonen (Oudgrieks: φῶς, phōs, licht), zijn elementaire deeltjes uit het standaardmodel van de deeltjesfysica. Ze hebben geen massa en bewegen zich in vacuüm met de lichtsnelheid voort. Licht en alle andere elektromagnetische straling bestaat uit fotonen. Het foton is het ijkboson dat de elektromagnetische kracht draagt.

Afhankelijk van de gebruikte meetopstelling heeft straling, in feite een vorm van energie, de eigenschappen van golven of van een stroom fotonen. Dit heet de dualiteit van golven en deeltjes.

Fotonen worden ook lichtdeeltjes genoemd en worden met de Griekse letter γ aangeduid, de gamma.

Geschiedenis[bewerken]

Het was Albert Einstein die het foto-elektrisch effect poneerde, 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 van zonnepanelen.

Bewegende ladingen zenden fotonen uit. Volgens het atoommodel van Bohr kunnen de elektronen zich alleen in banen bevinden op specifieke afstanden van de kern, waarin zij geen fotonen uitzenden.

Ontstaan[bewerken]

Fotonen kunnen door een atoom worden uitgezonden wanneer een elektron van een elektronschil met een hogere energietoestand terugvalt naar een schil met een lagere energietoestanden. De vrijkomende energie wordt daarbij in de vorm van een foton uitgezonden. Fotonen kunnen ook bij kernreacties worden opgewekt, wanneer een kern uit een aangeslagen toestand naar een lagere energietoestand terugvalt. Ze vormen een onderdeel in de kernsplijting en kernfusie. Fotonen kunnen ook bij de wisselwerking tussen elementaire deeltjes of het spontane verval van één elementair deeltje naar een ander vrijkomen. Wanneer een elementair deeltje en zijn antideeltje botsen, kan alle massa worden omgezet in een energierijk foton, en omgekeerd. Ieder elektromagnetisch veld dat in sterkte varieert produceert elektromagnetische straling, dus fotonen.

Licht[bewerken]

Licht is elektromagnetische straling in een frequentiebereik dat door bepaalde cellen in onze ogen kan worden waargenomen. Het kan een golfkarakter en tegelijkertijd een deeltjeskarakter aannemen. Dit valt vervolgens te benaderen met de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Het is hetzelfde principe als dat uit het gedachte-experiment van Erwin Schrödinger, Schrödingers kat. Dat stelt dat een kat die in een doos zit opgesloten met een gif dat hem met 50% zekerheid zal doden, valt te beschouwen als tegelijkertijd dood en levend totdat de waarnemer de doos opent.

Snelheid[bewerken]

Lichtdeeltjes bewegen zich met de lichtsnelheid c, die in een vacuüm exact 299 792 458 m/s bedraagt. Uit de speciale relativiteitstheorie volgt dat een deeltje met een rustmassa groter 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[bewerken]

Atoommodel van Bohr van element nummer , met kernlading , waarin een elektron van niveau 3 naar 2 terugvalt en een foton uitzendt.

Licht met frequentie ν bestaat uit fotonen met energie E:

met , de constante van Planck.

De hypothese van De Broglie kent aan een foton een impuls toe:

die ook kan worden geschreven als

.

Breking[bewerken]

Als lichtdeeltjes zich door een transparant medium voortplanten, gaan ze langzamer dan in vacuüm. Dat is 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 als de brekingsindices van die media verschillen lichtbreking refractie plaats. Wit licht is uit een spectrum samengesteld van verschillende frequenties, dus van verschillende kleuren. Dit spectrum kan met een prisma, door middel van dispersie worden zichtbaar gemaakt.

Algemene relativiteit[bewerken]

Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelde dat de baan van fotonen door zwaartekracht wordt 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 langs geodeten. Dat zijn in een massaloze ruimte overigens rechte lijnen.

Literatuur[bewerken]

  • (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.