Фотон (от древнегреческого φῶς , φωτός ( phôs , phōtós ) «свет») — элементарная частица , являющаяся квантом электромагнитного поля , включая электромагнитное излучение , такое как свет и радиоволны , и переносчиком электромагнитной силы . Фотоны не имеют массы , [а] поэтому они всегда движутся со скоростью света в вакууме , 299 792 458 м/с (или около 186 282 миль/с). Фотон принадлежит к классу бозонов .
Как и в случае с другими элементарными частицами, фотоны лучше всего объясняются квантовой механикой и демонстрируют дуальность волна-частица , а их поведение характеризуется свойствами как волн , так и частиц . [2] Современная концепция фотона возникла в течение первых двух десятилетий 20-го века благодаря работам Альберта Эйнштейна , который основывался на исследованиях Макса Планка . Пытаясь объяснить, как материя и электромагнитное излучение могут находиться в тепловом равновесии друг с другом, Планк предположил, что энергия, хранящаяся в материальном объекте, должна рассматриваться как состоящая из целого числа .количество дискретных одинаковых частей. Чтобы объяснить фотоэффект , Эйнштейн ввел идею о том, что свет сам по себе состоит из дискретных единиц энергии. В 1926 году Гилберт Н. Льюис популяризировал термин фотон для обозначения этих единиц энергии. [3] [4] [5] Впоследствии подход Эйнштейна был подтвержден многими другими экспериментами. [6] [7] [8]
В Стандартной модели физики элементарных частиц фотоны и другие элементарные частицы описываются как необходимое следствие физических законов, обладающих определенной симметрией в каждой точке пространства-времени . Внутренние свойства частиц, такие как заряд , масса и спин , определяются калибровочной симметрией . Концепция фотона привела к важным достижениям в экспериментальной и теоретической физике, включая лазеры , конденсацию Бозе-Эйнштейна , квантовую теорию поля и вероятностную интерпретацию .квантовой механики. Он применялся в фотохимии , микроскопии высокого разрешения и измерениях молекулярных расстояний . Более того, фотоны изучались как элементы квантовых компьютеров , а также для приложений в оптических изображениях и оптических коммуникациях , таких как квантовая криптография .
Слово « кванты » (в единственном числе « квант», латинское « сколько ») использовалось до 1900 года для обозначения частиц или количеств различных величин , включая электричество . В 1900 году немецкий физик Макс Планк изучал излучение абсолютно черного тела и предположил, что экспериментальные наблюдения, особенно на более коротких длинах волн , можно объяснить, если энергия, хранящаяся в молекуле, представляет собой «дискретную величину, состоящую из целого числа конечных равные части», которые он назвал «элементами энергии». [9] В 1905 году Альберт Эйнштейнопубликовал статью, в которой предположил, что многие явления, связанные со светом, включая излучение черного тела и фотоэлектрический эффект , можно лучше объяснить путем моделирования электромагнитных волн как состоящих из пространственно локализованных дискретных волновых пакетов. [10] Он назвал такой волновой пакет квантом света (нем. ein Lichtquant ). [б]
Название фотон происходит от греческого слова , обозначающего свет, φῶς (транслитерированное phôs ). Артур Комптон использовал фотон в 1928 году, имея в виду Г. Н. Льюиса , который ввел этот термин в письме в журнал Nature 18 декабря 1926 года. Американский физик и психолог Леонард Т. Троланд , в 1921 году — ирландский физик Жоли , в 1924 году — французский физиолог Рене Вурмсер (1890—1993), а в 1926 году — французский физик Фритьоф Вольферс (1891—1971). [5]Первоначально это название было предложено как единица, связанная с освещением глаза и возникающим в результате ощущением света, а затем использовалось в физиологическом контексте. Хотя теории Вольферса и Льюиса противоречили многим экспериментам и никогда не были приняты, новое название было принято большинством физиков вскоре после того, как его использовал Комптон. [5] [с]