Bir pencereden süzülen sarı bir güneş ışığı huzmesi hayal edin. Kuantum fiziğine göre bu ışın, foton adı verilen ve havada akan zilyonlarca küçük ışık paketinden oluşuyor. Ama foton tam olarak nedir? Bir foton, elektromanyetik radyasyondaki en küçük ayrık miktar veya kuantumdur. Tüm ışığın temel birimidir. Fotonlar her zaman hareket halindedir ve boşlukta 2,99 x 108 m/s'lik (saniyede yaklaşık 299.800.000 metre) sabit bir hızla giderler. Bu genellikle ışık hızı olarak adlandırılır ve c harfi ile gösterilir.
Fotonun Özellikleri
Einstein'ın ışık kuantum teorisine göre, fotonlar, salınım frekanslarının Planck sabiti ile çarpımına eşit enerjiye sahiptir. Albert Einstein, ışığın bir foton akışı olduğunu, bu fotonların enerjisinin salınım frekanslarının yüksekliği olduğunu ve ışığın yoğunluğunun fotonların sayısına karşılık geldiğini kanıtladı. Bir foton akışının hem dalga hem de parçacık olarak nasıl hareket edebileceğini açıkladı.
Fotonların temel özellikleri şunlardır:
- Sıfır kütleye ve durgun enerjiye sahipler. Sadece hareketli parçacıklar olarak varlar.
- Kütlesi olmamasına rağmen temel parçacıklardır.
- Elektrik yükleri yoktur.
- Kararlıdır.
- Spin -1 parçacıklarıdır yani bozondur (Spin, bir parçacığın 360 derecelik tam bir dönüş esnasında kaç defa ilk konumuna geldiğidir).
- Frekansa bağlı olarak enerji ve momentum taşırlar.
- Elektron gibi diğer parçacıklarla etkileşime girebilirler. (Compton etkisi gibi.)
- Birçok doğal süreçle yok edilebilir veya oluşturulabilirler (Örneğin radyasyon emildiğinde veya yayıldığında).
- Boş uzayda ışık hızında hareket ederler.
Fotonun Tarihi
Işığın doğası – ister parçacık ister dalga olarak kabul edin – en büyük bilimsel tartışmalardan biridir. Yüzyıllar boyunca filozoflar ve bilim adamları, bir asır önce zar zor çözülmüş bu meseleyi tartıştılar.
MÖ 6. yüzyılda Hindu felsefesinin Vaisheshika adlı dalının öğrencileri, ışık hakkında şaşırtıcı bir fiziksel sezgiye sahipti. Antik Yunanlılar gibi onlar da dünyanın toprak, hava, ateş ve sudan oluşan "atomlar" üzerine kurulu olduğuna inanırlardı. Işığın kendisinin tejas adı verilen çok hızlı hareket eden atomlardan oluştuğun düşündüler. Modern ışık teorimize ve onu oluşturan fotonlara dair binlerce yıl sonra 1926'da Gilbert Lewis adında bir kimyager ve Frithiof Wolfers adında bir optik fizikçi tarafından ortaya atılan fikre oldukça benzerdir.
Daha sonra, MÖ 300 civarında, antik Yunan fizikçi Öklid, ışığın düz çizgilerde ilerlediğini öne sürerek büyük bir atılım yaptı. Öklid ayrıca yansıma yasalarını tanımladı ve bir yüzyıl sonra Batlamyus, kırılma hakkındaki yazılar yayımladı. Bununla birlikte kırılma yasalarının ortaya çıkışı ancak 1021 yılında İbn-i Heysem'in ufuk açıcı kitabı Kitab al-Menazir yani Optik Kitabı ile olacaktı.
Rönesans, ışığın doğasına ilişkin yeni bir bilimsel araştırma çağını başlattı. René Descartes ışığın bir ortamdaki "toplar" ile temas ederek anında yayılan atımlardan oluştuğunu savundu. La dioptrique adlı 1637 tarihli makalesindeki düşünceleri dikkate değerdir. Daha sonra 1690'da yayınlanan Traité de la lumière'de Christiaan Huygens ışığı tıpkı ses basınç dalgaları gibi elastik bir ortamdaki sıkıştırılabilir dalgalar olarak ele aldı. Huygens, yansıyan, kırılan ve taranan ışık dalgalarının nasıl üretildiğini gösterdi ve ayrıca çift kırılmayı açıkladı.
Bu zamana kadar, bilim adamları iki tarafa ayrıldılar. Bir taraf ışığın bir dalga olduğuna inanırken, diğer görüş ışığın parçacık yani cisimcik olduğuna inanıyordu. "Cisimciler"in en büyük savunucusu şimdiye kadarki en büyük bilim insanı olduğuna inanılan Isaac Newton'dan başkası değildir. Newton, dalga teorisine pek sıcak değildi çünkü ışığın gölgede çok fazla sapabileceği anlamına geliyordu.
18. yüzyılın büyük bölümünde ışığın doğasına dair tartışmalara parçacık teorisi hakim oldu. Ama sonra Mayıs 1801'de Thomas Young dünyaya ışık dalgalarının girişimini gösterdiği ünlü iki yarık deneyini gerçekleştirdi.
Deneyin ilk versiyonunda, Young aslında iki yarık değil, tek bir ince kart kullandı. Fizikçi bir açıklığı içinden ince bir ışık hunisinin geçtiği küçük delik bulunan kağıt parçasıyla kapladı. Young elindeki kartla ışının nasıl ikiye ayrıldığına tanık oldu. Kartın bir tarafından geçen ışık, kartın diğer tarafından gelen ışığı engelleyerek karşı duvarda görülebilen saçaklar oluşturdu. Daha sonra Young, bu verileri çeşitli ışık renklerinin dalga boylarını hesaplamak için kullandı ve modern değerlere dikkat çekici şekilde yaklaştı. Deney, ışığın bir parçacık değil, bir dalga olduğuna dair sağlam kanıtlar sağlamıştı.
Bu arada Fransa'daki son gelişmeler ile ışığın kutuplaşmasını ışık cisimcikleri arasındaki asimetriye bağlayan bir deneyle cisimci hareket hız kazandı. 1821'de ışığın boyuna titreşimi olmayan enine bir dalga olması durumunda kutuplaşmanın olabileceğini gösteren Augustin Fresnel tarafından büyük yenilgi aldılar. Daha önce Fresnel ayrıca kesin bir kırınım dalga teorisi ile ortaya çıktı.
Bu noktada Newton'ın takipçilerinin tartışmayı sürdürmeleri için peki zemini yoktu. Işık yalnızca bir dalga gibi görünüyordu. Sorun, efsanevi eterin (elektromanyetik alanlar yaratan ve Fresnel'in yayılma yasalarını destekleyen gizemli ortam) herkesin onu bulmak için gösterdiği tüm çabalara rağmen ortada olmamasıydı.
1861'de James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizma hakkındaki deneysel ve teorik bilgileri 20 denklemde yoğunlaştırarak büyük bir atılım gerçekleştirdi. Maxwell, geleneksel akımların yokluğunda bile boşlukta kendi kendine var olabilen bir "elektromanyetik dalga" öngördü. Işığın yayılması için eterin gerekli olmadığı anlamına geliyordu! Ayrıca bu dalganın hızının 310.740.000 m/s-1 olduğunu tahmin etti – ışık hızının gerçek değerinden sadece birkaç yüzde uzaktı.
O günden itibaren ışık kavramı ilk kez elektrik ve manyetizma kavramlarıyla birleştirildi. 14 Aralık 1900'de Max Planck, ısı radyasyonunun ayrık enerji paketleri – quanta içinde yayıldığını ve emildiğini gösterdi. Daha sonra Albert Einstein, 1905'te bunun ışık için de geçerli olduğunu gösterdi. Einstein, Lichtquant veya ışık kuantumu terimini kullandı. 20. yüzyılın şafağında fizikteki yeni bir devrim bir kez daha ışığın doğasına bağlı olacaktı. Bu sefer mesele ışığın bir parçacık mı yoksa dalga mı olduğuyla ilgili değildi. İkisi mi yoksa hiçbiri miydi?
Modern Işık ve Foton Teorisi
Einstein, ışığın bir parçacık (foton) ve foton akışının ise bir dalga olduğuna inanıyordu. Alman fizikçi, elektronların ışığa maruz kalan metal bir yüzeyden uçarak çıktığı fotoelektrik etkiyi keşfettikten sonra ışığın parçacık doğasına sahip olduğuna ikna oldu. Işık bir dalga olsaydı, bu olamazdı. Bir diğer kafa karıştırıcı konu, güçlü ışık uygulandığında fotoelektronların nasıl çoğaldığıdır. Einstein fotoelektrik etkiyi, daha sonra Nobel Fizik Ödülü'nü alacağı "ışığın kendisinin parçacık olduğunu" söyleyerek açıkladı.
Einstein'ın ışık kuantum teorisinin ana noktası, ışığın enerjisinin salınım frekansıyla ilişkili olmasıdır. Fotonların enerjisinin "Planck sabiti x salınım frekansına" eşit olduğunu ve bu foton enerjisinin salınım frekansının yüksekliği olduğunu, ışık yoğunluğunun ise fotonların sayısına karşılık geldiğini savundu. Elektromanyetik dalganın bir türü olan ışığın çeşitli özellikleri, çıplak gözle görülemeyen foton adı verilen son derece küçük parçacıkların davranışlarından kaynaklanmaktadır.
Einstein, maddenin içindeki elektronlar fotonlarla çarpıştığında, elektronların fotonların enerjisini alarak hareketlendiğini ve çarpan fotonların salınım frekansı ne kadar yüksekse, dışarı fırlayacak elektron enerjisinin o kadar büyük olacağını tahmin etti. Örneğin, güneş panelleri ile bu kolayca görülebilir. Kısacası, ışığın bir foton akışı olduğunu, bu fotonların enerjisinin salınım frekanslarının yüksekliği olduğunu ve ışığın yoğunluğunun fotonların sayısıyla ilişkili olduğunu söylüyordu.
Einstein, fotoelektrik etki üzerindeki deneylerinden Planck sabitini türeterek teorisini kanıtladı. Hesaplamaları, Max Planck'ın 1900'de elektromanyetik dalgalar üzerine yaptığı araştırmayla tam olarak elde ettiği 6,6260755 x 10-34'lük Planck sabiti değerini verdi. Işığın bir dalga olarak özellikleri ve salınım frekansı ile parçacık olarak özellikleri ve momentumu arasındaki yakın ilişkiye işaret ediyordu. Daha sonra 1920'lerde Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger bir dalganın neye benzediğini tanımlamak için kuantum dalga fonksiyonu denklemiyle bu yaklaşımları detaylandırdı.
Einstein'ın ışığın çifte doğasını göstermesinden 100 yıldan uzun bir süre sonra İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lozan'dan İsviçreli fizikçiler bu ikili davranışın ilk anlık görüntüsünü yakaladılar. Fabrizio Carbone liderliğindeki ekip, 2015 yılında bir nanotele lazerin ateşlendiği ve elektronların titreşmesinin sağlandığı akıllı bir deney gerçekleştirdi. Işık, otoyoldaki arabalar gibi, bu küçük tel boyunca iki olası yönde hareket etti. Zıt yönlerde hareket eden dalgalar birbiriyle karşılaştığında yerinde duruyormuş gibi görünen yeni bir dalga oluştururlar. Bu duran dalga nanotelin etrafına doğru yayılan bir ışık kaynağı haline geldi. Durağan ışık dalgasını görüntülemek için yeni bir elektron ışını ateşlendi ve ışığın dalga yönünün görüntüsünü sundu.
Foton Nasıl Görünüyor?
Bir fotonun nasıl bir şekle sahip olduğunu hiç merak ettiniz mi? Bilim insanları on yıllardır bu soru üzerinde kafa yoruyorlar ve nihayet 2016'da Polonyalı fizikçiler tek bir ışık parçacığının ilk hologramını yarattılar. Varşova Üniversitesi'ndeki ekip, aynı anda kalsit kristalinden yapılmış bir ışın ayırıcıya iki ışık huzmesi ateşleyerek hologramı üretti. Işın ayırıcı, trafik ışığı kavşağına benzer, her foton ya düz geçebilir ya da dönebilir. Bir foton kendi başına olduğunda, her yol eşit derecede olasıdır, ancak daha fazla foton söz konusu olduğunda birbirleriyle etkileşime girerler ve olasılıklar değişir. Fotonlardan birinin dalga fonksiyonunu biliyorsanız, dedektörde görülen parlama konumlarından ikincisinin şeklini anlamanız mümkündür. Ortaya çıkan görüntü, tıpkı Schrödinger denkleminden tahmin edilen dalga fonksiyonu gibi biraz Malta haçına benzer.
Fotona Dair Gerçekler
- Işık sadece fotonlardan oluşmaz, tüm elektromanyetik enerji (yani mikrodalgalar, radyo dalgaları, X ışını) fotonlardan oluşuyor.
- Foton konsepti Albert Einstein tarafından geliştirildi. Bununla birlikte onu tanımlamak için "foton" sözcüğünü ilk kullanan bilim insanı Gilbert N. Lewis'ti.
- Işığın hem dalga hem de parçacık gibi davrandığını belirten teoriye dalga-parçacık ikiliği teorisi denir.
- Fotonlar her zaman elektriksel olarak nötrdür. Elektrik yükleri yoktur.
- Fotonlar kendi kendilerine bozunmazlar.
Foton Hakkında Sık Sorulanlar
Foton nedir?
Foton, ışık ve elektromanyetik radyasyonun temel bir parçacığıdır. Elektromanyetik kuvvet taşıyan, sıfır kütleye sahip ve elektrik yükü olmayan temel bir parçacıktır.
Bir fotonun özellikleri nelerdir?
Bir fotonun temel özelliklerinden bazıları dalga boyu, frekansı, enerjisi ve momentumudur. Bir fotonun enerjisi frekansı ile doğru orantılıyken, momentumu dalga boyu ile ters orantılıdır.
Fotonlar nasıl üretilir?
Fotonlar, yıldızlar ve güneş tarafından ışık yayılması gibi doğal olayların yanı sıra lazerlerin ve ampullerin çalışması gibi insan yapımı süreçler de dahil olmak üzere çeşitli süreçlerle üretilir. Fotonlar ayrıca nükleer reaksiyonlar ve parçacık çarpışmaları gibi parçacık etkileşimleri yoluyla da üretilebilir.
Fotonların modern teknolojideki bazı uygulamaları nelerdir?
Fotonların modern teknolojide telekomünikasyon, güneş enerjisi, tıbbi görüntüleme ve kuantum hesaplama da dahil olmak üzere çok sayıda uygulaması vardır. Fotonlar fiber-optik iletişim sistemlerinde uzun mesafelere yüksek hızlarda bilgi iletmek için ve güneş panellerinde güneş ışığını elektriğe dönüştürmek için kullanılır. Tıbbi görüntülemede fotonlar, insan vücudunun ayrıntılı görüntülerini oluşturmak için X Işınlarında ve MRI taramalarında kullanılır.
Fotonlar üzerine yapılan çalışmalar evreni anlamamıza nasıl katkıda bulunmuştur?
Fotonlarla ilgili çalışmalar, ışığın ve elektromanyetizmanın özelliklerinden atom altı parçacıkların davranışlarına ve kozmosun yapısına kadar evreni anlamamıza önemli katkılarda bulunmuştur. Örneğin fotoelektrik etkinin keşfi ışığın dalga-parçacık ikiliğinin ortaya çıkmasına yardımcı olurken, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun gözlemleri evrenin kökenine ilişkin Büyük Patlama teorisi için kanıt sağlamıştır.
Fotonların elektromanyetik spektrumdaki rolü nedir?
Fotonlar, görünür ışık, radyo dalgaları, X Işını ve gama ışını içeren elektromanyetik radyasyonun temel parçacıklarıdır. Bir fotonun enerjisi ve frekansı, elektromanyetik spektrumda temsil ettiği elektromanyetik radyasyon türünü belirler.
Fotonlar madde ile nasıl etkileşime girer?
Fotonlar madde ile soğurma, saçılma ve yayma gibi çeşitli şekillerde etkileşime girebilir. Bir foton soğurulduğunda, enerjisi etkileşime girdiği maddeye aktarılır ve bu maddedeki atomların veya moleküllerin uyarılmasına veya iyonlaşmasına neden olur. Bir foton saçıldığında, madde ile etkileşime girdiğinde yön ve enerji değiştirir ve bu süreç kırınım veya girişim desenleriyle sonuçlanabilir. Emisyon, bir madde harici bir enerji kaynağı tarafından uyarıldıktan sonra bir foton yaydığında meydana gelir.
Fotoelektrik etki nedir ve fotonlarla nasıl ilişkilidir?
Fotoelektrik etki, ışığa veya diğer elektromanyetik radyasyona maruz kaldığında bir maddeden elektronların yayılması olgusudur. Bu etki ışığın parçacık doğası ile açıklanabilir; fotonlar enerjilerini malzemedeki elektronlara aktararak iyonlaşmaya neden olurlar. Bu etkinin ortaya çıkması için fotonların enerjisi, iş fonksiyonu olarak bilinen belirli bir eşiğin üzerinde olmalıdır.
Kaynaklar:
