foton

Siden lys består av fotoner, er det nærliggende å tenke seg at fotoner best beskrives som bølger. Fra perspektivet til klassisk fysikk er dette naturlig, siden lys er en elektromagnetisk bølge. Kvantefysikken viser derimot at fotoner ikke oppfører seg som rene bølger. Fotoner er istedet et godt eksempel på konseptet partikkel-bølge-dualitet (se bilde) fra kvantefysikk. Dette begrepet innebærer at alle elementærpartikler fremviser egenskapene til både bølger og partikler, avhengig av det fysiske systemet de befinner seg i.

Et eksempel på at fotoner (og dermed lys) kan oppføre seg som partikler, er den eksperimentelt målte Compton-effekten. Denne effekten består av spredning av lys på elektroner og kan kun forklares ved å betrakte fotoner som partikler.

Fotoner har ingen hvilemasse, men har likevel både energi og bevegelsesmengde. I henhold til spesiell relativitetsteori kan fotonets energi bestemmes via formelen E=pc, hvor p er bevegelsesmengden og c er lyshastigheten.

Hvis man bruker Louis Victor de Broglies sammenheng mellom bølgelengde og bevegelsesmengde for materiebølger, finner man at fotonet også har en frekvens, og at fotonets energi er proporsjonal med frekvensen. Det kan uttrykkes med formelen E=hf, hvor E er energien og f er frekvensen til fotonet, og h er Plancks konstant, som er 6,626 · 10⁻³⁴ joule/Hz.

Den elektriske ladningen til et foton er null. Fotoner kan likevel vekselvirke med elektrisk ladede partikler, for eksempel elektroner. Dette skjer på grunn av at fotoner er de partiklene som bærer elektriske og magnetiske krefter. Når ladde partikler med lik ladning frastøter hverandre, virker de med en kraft fra hverandre på grunn av at de utveksler fotoner. Da fotoner har null masse, henfaller de ikke, noe som i sin tur fører til at elektriske krefter har svært lang rekkevidde.

Den kvantemekaniske egenskapen spinn er lik ℏ for et foton, hvilket tilsvarer et spinn-kvantetall lik 1. Her er ℏ = h delt på 2π, og h er Plancks konstant.

Det er en nær relasjon mellom fotonets kvantemekaniske spinn og det man i klassisk fysikk kaller polarisasjonen til lys.

En klassisk elektromagnetisk bølge er bygget opp av et stort antall fotoner, vanligvis med et spektrum av frekvenser i henhold til Planck-kurven. En monokromatisk laserpuls er bygget opp av milliarder av fotoner (eller mer) med samme frekvens.

Fotoner og deres egenskaper er den fundamentale ingrediensen i virkemåten til laseren (se bilde). Den har ført til store fremskritt innen både medisin, våpenteknologi og måleteknikk.

Måten laserlys oppstår på kan forenklet sett beskrives ved at når fotoner sendes inn mot et stoff, slik at de belyses, vil stoffet kunne produsere flere fotoner med nøyaktig samme frekvens, polarisasjon og retning som de innkommende fotonene. Denne prosessen kalles stimulert emisjon. Resultatet er en svært fokusert lysstråle hvor alle fotonene har samme egenskaper og dermed er fullstendig koherente.

Fotoner spiller en sentral rolle innen kommunikasjonsteknologi, siden de utgjør de elektromagnetiske signalene som brukes til å kommunisere med for eksempel mobiltelefoner. Til slik bruk er de kvantemekaniske egenskapene til fotoner ikke avgjørende, mens kvanteaspektet ved fotoner står sentralt innenfor moderne forskningsfelt som sammenfiltring og kvanteoptikk.