Foton

Foton (z řeckého φως, fos, znamenajícího "světlo") je elementární částice, která je kvantem elektromagnetického záření a základní jednotkou světla. Jako nositel elektromagnetické interakce patří mezi takzvané kalibrační bosony. Fotony nemají klidovou hmotnost ani elektrický náboj a ve vakuu se vždy pohybují rychlostí světla, která činí přibližně 299 792 458 m/s.

Foton vykazuje vlnově-korpuskulární dualismus, což znamená, že má vlastnosti jak částice, tak vlnění, ale není ani jedním z nich v klasickém smyslu. Částicové vlastnosti se projevují zejména při vysokých frekvencích (vysoké energii), zatímco vlnové vlastnosti převažují při nízkých frekvencích. Koncept světelných kvant zavedl Albert Einstein pro vysvětlení fotoelektrického jevu, za což později obdržel Nobelovu cenu. Samotný název "foton" navrhl chemik Gilbert Newton Lewis v roce 1926.

⏳ Historie

Koncept světla jako proudu částic má své kořeny již v 17. století u Isaaca Newtona, avšak v 19. století byla tato myšlenka zastíněna vlnovou teorií světla, podpořenou pracemi Christiaana Huygense a Jamese Clerka Maxwella. Na přelomu 19. a 20. století se však objevily experimenty, které vlnová teorie nedokázala vysvětlit.

Klíčový zlom přišel v roce 1900, kdy Max Planck při studiu záření absolutně černého tělesa přišel s revoluční myšlenkou, že energie je vyzařována a pohlcována v diskrétních balíčcích, které nazval "kvanta". Na jeho práci navázal v roce 1905 Albert Einstein, který postuloval, že tato energetická kvanta jsou reálné fyzikální částice. Pomocí této hypotézy dokázal elegantně vysvětlit fotoelektrický jev, při kterém světlo dopadající na kovový povrch uvolňuje elektrony. Einstein ukázal, že energie uvolněného elektronu nezávisí na intenzitě světla, ale na jeho frekvenci, což bylo v rozporu s vlnovou teorií.

Experimentální důkaz částicové povahy světla přinesl v roce 1923 americký fyzik Arthur Holly Compton. Jeho experimenty s rozptylem rentgenového záření na elektronech (tzv. Comptonův jev) ukázaly, že fotony se chovají jako částice s definovanou energií a hybností. Jméno "foton" pro tato světelná kvanta zavedl až v roce 1926 chemik Gilbert Newton Lewis.

🔬 Vlastnosti a charakteristiky

Foton je definován svými unikátními vlastnostmi, které ho odlišují od jiných částic.

• Klidová hmotnost a rychlost: Foton má nulovou klidovou hmotnost. To znamená, že existuje pouze v pohybu a ve vakuu se vždy pohybuje rychlostí světla (c).
• Energie a hybnost: Přestože nemá klidovou hmotnost, foton nese energii (E) a hybnost (p). Energie fotonu je přímo úměrná jeho frekvenci (f) a je popsána Planckovým vztahem: E = hf, kde h je Planckova konstanta. Hybnost fotonu je dána vztahem p = E/c.
• Elektrický náboj: Foton je elektricky neutrální, jeho náboj je nulový.
• Spin: Patří mezi bosony, což jsou částice zprostředkující interakce. Má spin o hodnotě 1.
• Stabilita: Foton je stabilní částice s nekonečnou dobou života. Může však vznikat a zanikat při interakcích s jinými částicemi.
• Vlnově-korpuskulární dualismus: Foton se projevuje jako částice i jako vlna v závislosti na typu experimentu. Tento princip je jedním ze základních kamenů kvantové mechaniky.

⚛️ Role v kvantové mechanice

Foton hraje ústřední roli v kvantové mechanice a kvantové teorii pole. Je kvantem elektromagnetického pole a zprostředkovatelem elektromagnetické síly.

Kvantová elektrodynamika (QED) Studiem interakcí fotonů s nabitými částicemi (jako jsou elektrony) se zabývá kvantová elektrodynamika (QED). Podle QED si nabité částice vzájemně působí výměnou virtuálních fotonů.

Dvouštěrbinový experiment Jedním z nejslavnějších experimentů demonstrujících podivnou povahu fotonu je dvouštěrbinový experiment. Když jsou jednotlivé fotony posílány na desku se dvěma štěrbinami, na stínítku za ní se postupně vytvoří interferenční obrazec, jako by každý foton prošel oběma štěrbinami současně a interferoval sám se sebou. Tento výsledek ukazuje, že o dráze fotonu nelze mluvit v klasickém smyslu, dokud není detekován. Experiment potvrzuje vlnovou povahu jednotlivých fotonů a princip kvantové superpozice.

Kvantové provázání Fotony mohou být také kvantově provázány. Pokud máme dva provázané fotony, změření vlastnosti jednoho (např. polarizace) okamžitě ovlivní vlastnost druhého, bez ohledu na vzdálenost mezi nimi. Tento jev, který Albert Einstein nazval "strašidelným působením na dálku", je základem pro technologie jako kvantová kryptografie a kvantový počítač.

💡 Aplikace a technologie

Vlastnosti fotonů jsou základem mnoha moderních technologií, které zásadně ovlivňují náš každodenní život.

• Laser: Vytváří koherentní svazek fotonů stejné frekvence a fáze. Lasery se používají v DVD a Blu-ray přehrávačích, v telekomunikacích (optické vlákno), v medicíně (chirurgie, oční lékařství) i v průmyslu (řezání kovů, svařování).
• Fotovoltaika: Solární panely využívají fotoelektrický jev k přeměně energie slunečních fotonů přímo na elektrickou energii.
• Digitální zobrazování: CCD a CMOS snímače v digitálních fotoaparátech a mobilních telefonech detekují fotony a převádějí je na elektrický signál, ze kterého se skládá digitální obraz.
• Medicína: Technologie jako pozitronová emisní tomografie (PET) detekují fotony (konkrétně záření gama) vznikající při anihilaci pozitronů a elektronů v těle pacienta, což umožňuje zobrazování metabolické aktivity tkání.
• Kvantová komunikace: Využívá vlastností jednotlivých fotonů, jako je kvantové provázání, k vytvoření teoreticky absolutně bezpečné komunikace.
• Čítání fotonů: Metody detekce jednotlivých fotonů se používají v extrémně citlivých měřeních, například v astronomii, vesmírném výzkumu (měření vzdálenosti Země-Měsíc) nebo při detekci znečištění atmosféry.

🧑‍🏫 Vysvětlení pro laiky: Co je foton?

Představte si foton jako nejmenší možný balíček světelné energie, který existuje. Je to jako jedna jediná "kapka" světla. Když rozsvítíte žárovku, ve skutečnosti z ní proudí obrovské množství těchto neviditelných kapek – fotonů.

Každý foton nese určité množství energie. Fotony fialového světla jsou "energetičtější" než fotony červeného světla. To je důvod, proč ultrafialové záření (jehož fotony mají ještě více energie než fialové světlo) může spálit kůži, zatímco infračervené záření (jehož fotony jsou méně energetické než červené světlo) vnímáme jen jako teplo.

Zvláštní na fotonech je jejich dvojí povaha. Někdy se chovají jako malé kuličky – když například narazí do solárního panelu a vyrazí z něj elektron, aby vytvořily elektřinu. Jindy se ale chovají jako vlna na vodě – dokážou se ohýbat kolem překážek a dokonce "interferovat" samy se sebou, jako by prošly dvěma cestami najednou.

Foton je tedy základní stavební kámen veškerého světla a elektromagnetického záření, od rádiových vln až po záření gama. Je to posel, který přenáší energii a informace napříč vesmírem rychlostí světla.

🧪 Zajímavosti a rekordy

• Tvar fotonu: Ačkoliv se foton často zobrazuje jako malá kulička, ve skutečnosti nemá definovaný tvar v klasickém smyslu. V roce 2016 se týmu fyziků z Varšavské univerzity podařilo vytvořit první "hologram" jednotlivého fotonu, který ukázal jeho vlnovou funkci.
• Suprapevné světlo: V roce 2025 vědci oznámili vytvoření nového stavu hmoty, kde se fotony chovají jako suprapevná látka – tedy jsou uspořádány do krystalické struktury, ale zároveň se chovají jako supratekutina bez tření.
• První světlo vesmíru: Vesmírný dalekohled Jamese Webba v roce 2025 pravděpodobně detekoval světlo z prvních hvězd ve vesmíru (tzv. Hvězdy populace III), což jsou fotony, které cestovaly vesmírem více než 13 miliard let.

Zdroje

Foton - Wikipedie Kvantová fyzika - Publi.cz Foton - Fyzika 007 Foton - WikiSkripta Co jsou to fotony? - FVE.info Dvou-dvouštěrbinový experiment - Wikipedie FYZ_4_Fotoelektrický jev Záhady dvouštěrbinového experimentu se demonstrují pomocí hry - Sciencemag.cz Bohr zase porazil Einsteina: Slavný experiment funguje i na ryze kvantové úrovni - Osel.cz Fotony - ZČU Co je vlastně foton? - Transformační technologie Fotony, energie nebo klidová hmotnost částic - Treking.cz Kvantová mechanika a dvouštěrbinový experiment - Akademie EITCA ELI5: Dvouštěrbinový experiment s fotony - Reddit Kvantová fyzika - e-fyzika.cz Foton - Transformační technologie Kvantoví elektrodynamici poprvé odhalili tvar fotonu - Osel.cz Fotón – Wikipédia Foton :: MEF - Encyklopedie fyziky Čítání fotonů a jeho aplikace - ČVUT Čítání fotonů a jeho aplikace (2) William Henry Bragg - Wikipedie Vědci „zmrazili světlo“ a vytvořili nový typ suprapevné látky - Stoplusjednicka.cz Petr Kulhánek: Říkají mi foton... - Aldebaran Albert Einstein - Wikipedie První otisky vesmíru: Astronomové možná našli hvězdy, které zažehly kosmos ```