WhatsApp X Facebook Telegram LinkedIn E-posta

Foton

Işığın ve bütün elektromanyetik ışınımın en küçük enerji paketi. Kütlesi yoktur, boşlukta her zaman ışık hızıyla gider; astronomideki bilginin büyük kısmı fotonlarla taşınır.

İngilizce karşılığı: Photon
İlgili alan: Astrofizik

Foton, elektromanyetik alanın kuantumu, yani ışığın en küçük enerji paketidir. Görünür ışık, radyo dalgaları, X ışınları ve gama ışınları hep fotonlardan oluşur; aradaki fark yalnızca enerjidir. Fotonun elektrik yükü yoktur, durgun kütlesi sıfır kabul edilir ve boşlukta her zaman ışık hızıyla yol alır. Simgesi Yunan harfi γ'dır; kimyada ve optik mühendisliğinde ise foton çoğu zaman enerjisini anlatan hν simgesiyle yazılır.

Nasıl işler?

Bir fotonun enerjisi frekansıyla doğru orantılıdır: E = hν. Burada h, Planck sabitidir. Mavi ışığın fotonu kırmızınınkinden, gama ışınınınki ise görünür ışığınkinden çok daha fazla enerji taşır. Foton hem dalga hem parçacık gibi davranır; girişim yapar ama bir dedektöre tek tek, paketler hâlinde çarpar.

Fikrin tarihi 1900'de Max Planck'ın ısıl ışımayı açıklamak için enerjiyi parçalara bölmesiyle başlar. Albert Einstein 1905'te ışığın kendisinin "ışık kuantumları"ndan oluştuğunu önerdi ve fotoelektrik olayı böyle açıkladı; bu çalışma ona 1921 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi. Arthur Compton 1922'de fotonların momentum taşıdığını gösterdi. "Foton" adını 1926'da Gilbert N. Lewis yaygınlaştırdı; Einstein bu adı hiç kullanmadı.

Örnekler

Güneş'in çekirdeğinde kaynaşmayla doğan yüksek enerjili gama fotonları, yoğun plazma tarafından yalnızca birkaç milimetre sonra soğurulur ve yeniden salınır. Enerjinin yüzeye ulaşması bu yüzden çok uzun sürer; bir fotonun yolculuğu için verilen tahminler 10.000 ile 170.000 yıl arasında değişir. Yüzeyden çıktıktan sonra ise Dünya'ya ortalama 8 dakika 20 saniyede ulaşır; ayrıntısı Güneş ışığı kaç dakikada gelir yazısında.

Evrenin en eski fotonları kozmik mikrodalga arka plan ışımasını oluşturur. Büyük Patlama'dan yaklaşık 380.000 yıl sonra serbest kalan bu ışık, bugün 2,7 kelvinlik bir ışımaya soğumuştur ve her santimetreküp uzayda yaklaşık 411 foton bulunur. Ölçeğin öbür ucunda NASA'nın Fermi teleskobu, görünür ışıktan yaklaşık 120 milyon kat daha enerjik gama fotonlarıyla gökyüzünün haritasını çıkardı; kapak görseli bu haritadır. Madde ile antimadde karşılaştığında da enerjinin çoğu gama fotonu olarak açığa çıkar.

Fotonlar momentum da taşır; Einstein 1909 ve 1916'daki çalışmalarında bunu gösterdi. Bu yüzden ışık çarptığı yüzeye çok küçük bir basınç uygular; ışık yelkeni fikri bu basınçtan yararlanır. Ölçümler fotonun kütlesi varsa bile son derece küçük olması gerektiğini, ömrünün de 10¹⁸ yıldan uzun olduğunu gösterir; evrenin yaşı ise yaklaşık 13,8 milyar yıldır. Satyendra Nath Bose 1924'te ışıma yasasını fotonları birbirinin aynı parçacıklar olarak sayarak türetti; bu çalışma lazerin ve 1995'te deneyle elde edilen Bose-Einstein yoğuşmasının yolunu açtı. Gama ışınları ise 1900'de Paul Villard tarafından keşfedilmiş, adını 1903'te Ernest Rutherford koymuştu.

Neden önemli?

Astronomi tarih boyunca neredeyse yalnızca fotonlara dayandı. Bir yıldızın sıcaklığını, bileşimini ve hızını, ışığını renklerine ayıran tayfölçüm sayesinde öğreniyoruz. Radyo, kızılötesi, X ve gama ışını teleskopları da aynı parçacığın farklı enerjilerini yakalar. Ancak son yıllarda nötrinolar ve kütleçekim dalgaları da evrene açılan yeni pencereler oldu.