Částicová povaha světla, foton
Během 19. století naše znalosti o vlastnostech světla značně pokročily. Velmi dobře jsme uměli vysvětlit přímočaré šíření světla, jeho odraz a lom, pomocí vlnové teorie dokonce i ohyb, interferenci nebo polarizaci. I přesto však stále existovaly jevy, jejichž vysvětlení nebylo uspokojivé, nebo bylo dokonce nemožné.
Například se stále nedařilo objasnit původ tmavých čar ve slunečním spektru (Josef von Fraunhofer, 1814) nebo vyložit fotoelektrický jev (Heinrich Hertz, 1888). Převládal názor, že světlo je elektromagnetické vlnění (Maxwellova teorie). Záhadou také bylo, jak světlo vzniká. Představa zahřátého tělesa jako jednotlivých kmitajících zářičů narážela na limity v UV oblasti spektra.
Zdroj
Kolem roku 1900 Max Planck, který se zabýval zářením zahřátých těles, přišel s revoluční myšlenkou: Energie je přenášena pomocí „malých balíčků energie“. Tyto balíčky nazýváme kvanta a teorii kvantovou teorií. Tato teorie se ukázala velmi užitečná. Umožnila totiž vysvětlit další pozorované jevy a nakonec i potvrdit Newtonovu domněnku, že i světlo je tvořeno částicemi. Nedůvěra ke světelné kvantové hypotéze přetrvávala až do roku 1923, kdy byl pozorován a pomocí kvantové teorie i vysvětlen Comptonův jev (interakce záření a volných elektronů).
Foton
Světlo a veškeré elektromagnetické záření je tvořeno malými „balíčky“ energie – fotony.
Foton je elementární částice mající nulovou klidovou hmotnost a nulový náboj. Foton se pohybuje rychlostí světla c a přenáší kvantum energie o velikosti \(E=hf\),
\(E\) ... energie v joulech,
\(h\) ... Planckova konstanta (\(h=6{,}63\cdot10^{-34}\ \mathrm{J}\cdot\mathrm{s}\)),
\(f\) ... frekvence záření v hertzích.
Obvykle foton značíme řeckým písmenem γ (gama).
Ve světle monochromatického záření (laser, dioda) tak mají všechna kvanta, to znamená všechny fotony, stejnou energii \(E=hf\) nebo také \(E=hc/\lambda\). V případě polychromatického záření (denní světlo, žárovka) se ve svazku nacházejí fotony o různých energiích.
Kontrolní otázka
Příklad 1
Kolik fotonů vyzáří červený diodový laser vlnové délky 630 nm o výkonu 8 mW během 20 minut?
Abychom zjistili, kolik fotonů vyzáří tento laser, musíme porovnat celkovou vyzářenou energii \(E\) a energii nesenou jednotlivým fotonem \(E_1\).
\[ E_1 = hf = h\frac{c}{\lambda} = 6{,}63\cdot10^{-34}\cdot\frac{3\cdot10^8}{6{,}30\cdot10^{-7}}\ \mathrm{J} = 3{,}2\cdot10^{-19}\ \mathrm{J} \] \[ E = Pt = 8\cdot10^{-3}\cdot1200 = 9{,}6\ \mathrm{J} \]Porovnáním nyní zjistíme počet vyzářených elektronů:
\[ N = \frac{E}{E_1} = \frac{9{,}6}{3{,}2\cdot10^{-19}} = 3\cdot10^{19}\;. \]To je obrovské číslo, těžko k němu budeme hledat porovnání. Je to tím, že hodnota Planckovy konstanty je velmi malá a kvantování světla si tedy ve většině situací nevšimneme. Podobně jako při nalévání vody do sklenice nepozorujeme, že přidáváme jednotlivé celé molekuly.
