
Gözümüz gibi bir fotoreseptör hücredeki tek bir molekülü uyarmaya yeterli miktarda enerji taşıyan (elektromanyetik spektrumda görünür ışık aralığındaki) fotonlar keşfedilen ilk değiş-tokuş atom altı parçacığı olarak karşımıza çıkmaktadır.

Son zamanlarda yapılan bir kuantum bilgi kodlama deneyi sırasında elde edilen tek bir fotonun biçimi. Kuantum bilgi teknolojileri ile ışık yani foton kullanılarak bilginin güvenli bir şekilde aktarılması hedefleniyor. Işık pulsları (atımları) uzay ve zamanda herhangi biçime sahip olabilirler ve bu biçimleri atımın frekans bileşenlerinin faz ve genliklerine bağlıdır. Veriler de ışığın fazının veya genliğinin modüle edilmesiyle ışık atımlarına kodlanır. (Image: M Bellini)
1900 yılında Alman fizikçi Max Planck (1858-1947) ışığın kuanta adını verdiği küçük enerji paketlerinden oluştuğunu ortaya koymuştu. Ardından 1905 yılında bir diğer Alman fizikçi Albert Einstein (1879-1955) fotoelektrik olayını incelediği sırada ışımanın doğasının kuantize olduğunu önerdi. Böylece Max Planck’ın kuanta fikrini kullanarak kuanta adı verilen küçük enerji paketleri ile enerjinin aktarıldığını ortaya koydu. Her ne kadar 1800’lü yıllarda Newton’un optiği ile başlayan bir süreçte ışığın dalga özelliği üzerine sürekli durulsa ve hatta parçacık özelliği tam anlamıyla “pencereden dışarı atılsa” bile Albert Einstein’in fotoelektrik olayını incelemesi ile birlikte ışığın parçacık özelliği de açık bir şekilde gün yüzüne çıkmış oldu. 1926 yılı geldiğinde bu kuanta ya da küçük enerji paketleri bu kez Amerikalı kimyager Gilbert Lewis (1875-1946) tarafından foton olarak adlandırıldı. Yani foton bir ışık dalgasında mümkün olan en küçük enerji parçasıdır. Ancak buradaki dalga ifadesi fotonun gözlenebilir bazı özelliklerini sadece açıklayabiliyor, diğer gözlenebilir özellikleri ise fotonun parçacık ifadesine de sahip olmasını sağlıyor. Bu her iki ifade de (dalga-parçacık) fotonun fiziksel uygulamalarında oldukça kullanışlıdır ama ne dalga ne de parçacık fotonu tam olarak anlatmaya yeter. Çünkü foton ne bir parçacıktır, ne de bir dalgadır.
Fotonların Fiziksel Özellikleri
Parçacık fiziğinin standart modelinde, fotonlar uzay-zamanda her noktada belirli bir simetriye sahip fiziksel yasaların zorunlu bir sonucu olarak tanımlanır. Fotonun yük, kütle ve spin gibi özgün özellikleri onun ayar simetrisinin özellikleri tarafından belirlenir. Foton kavramı deneysel ve teori fizikte laserlar, Bose-Einstein yoğunlaşması, kuantum alan teorisi ve kuantum mekaniğin olasılıksal yorumu gibi ciddi gelişmelere neden olmuştur. Foton fotokimyada, yüksek çözünürlüklü mikroskopide ve moleküler uzaklıkların ölçümünde uygulanmıştır. Son zamanlarda, fotonlar kuantum şifreleme gibi optik haberleşmede sofistike uygulamalar için ve kuantum bilgisayarların bir elemanı olarak çalışılmaktadır.
Fotonlar kütlesizdirler, elektrik yüküne sahip değil ve kararlıdırlar. Bir foton iki olası kutuplanma durumuna sahiptir ve üç sürekli parametre tarafından tam olarak tanımlanır: fotonun ‘dalgaboyu’ ve onun ‘yayılma yönü’nü ile belirlenen ‘dalga vektörü’ bileşenleri. Foton elektromanyetizma için ayar bozonudur ve böylelikle fotonun tüm diğer kuantum sayıları (lepton sayısı, baryon sayısı ve tat kuantum sayıları gibi) sıfırdır.
Fotonlar çok sayıda doğal süreç sonucunda yayılırlar. Örneğin, bir yük ivmelendirildiğinde senkrotron ışıması (yüklü parçacıkların radyal olarak ivmelenmesi sonucu) yayar. Başka bir süreç ise daha düşük bir enerji seviyesine bir moleküler, atomik veya nükleer geçiş sırasında, kızılötesinden gama ışınlarına dek değişik enerjili fotonların yayımlanmasıdır. Bir parçacık ve onun karşılığı olan bir antiparçacık karşılaşıp yok olduğunda da (örneğin, elektron-poziton yok olması) foton yayılabilir. Boş uzayda, foton ışık hızında hareket eder ve onun enerjisi ve momentumu E=pc ile bağlantılıdır, p momentum vektörünün büyüklüğüdür. Bu m=0 ile relativistik bağıntı izlenerek türetilir:
Fotonun momentum ve enerjisi fotonun frekansına (ν) (veya tersi dalgaboyu (λ)) bağlıdır:
Burada k dalga vektörüdür , (k dalga sayısı olduğunda k = |k| = 2π/λ, k=2pi/landa), ω = 2πν (w=2pimu) açısal frekans ve ħ = h/2π , hbar indirgenmiş Planck sabitidir.
Fotonun yayılma yönünde momentumun büyüklüğü için:
Foton enerji ve momentumun yanı sıra spin açısal momentumun da taşıyıcısıdır ama fotonun frekansına bağlı değildir bu nicelik diğerlerinden farklı olarak. Fotonun spinin büyüklüğü ‘dır ve fotonun hareketi boyunca ölçülen bileşen olan onun sarmallığı (hellicity) ±ħ olmalıdır. Bu iki olası sarmallıklar, sağ (sağlak) ve sol (solak), fotonun iki olası dairesel kutuplanmasına karşılık gelir.
Bu formüllerin önemini göstermek için, boş uzayda bir parçacığın antiparçacığı ile yok olması en az iki fotonun oluşması sonucunu gerektirdiğine vurgu yapılarak ifade edilebilir. Kütle merkezi çerçevesinde, çarpışan antiparçacıklar henüz net bir momentuma sahip değildir, oysa tek bir foton her zaman momentuma (çünkü bilindiği gibi fotonun sıfır olmayan frekansı/dalgaboyu vardır ve bunlar momentumunu belirler) sahiptir. Bu nedenle, momentumun korunumu sıfır net momentum ile en azından iki fotonun oluşmasını gerektirir. Sadece bir fotonun oluştuğu durumlar da vardır. Ancak, eğer sistem yokolma için başka bir parçacık veya alan ile etkileşime giriyorsa bir foton üretir, yani bağlı bir atomik elektron ile bir pozitron yok olursa sadece bir foton yayımlanabilir. Bu aslında düşük enerjili bir durum için söz konusudur, yüksek enerjili durumlarda (gama ışınları gibi örneğin) ise en azından iki fotonun elektron-pozitron yok olmasında bekleriz. İki fotonun enerjisi veya eşdeğeri olan onların frekansı, dört momentumun korunumundan belirlenebilir. Bu olayın tersi ise çift oluşumudur. Madde içinde geçerken enerji kaybeden gama ışınları gibi yüksek enerjili fotonlar tarafından baskın olan bir mekanizmadır.
Elektromanyetik radyasyonun enerji ve momentum için klasik formülleri foton olayları açısından yeniden ifade edilebilir. Örneğin, bir cisim üzerine elektromanyetik radyasyonun basıncı cismin birim alan ve birim zaman başına foton momentumunun aktarılmasından türetilir, çünkü basınç birim alan başına olan kuvvettir ve kuvvet ise birim zaman başına momentumdaki değişimdir.
Özet olarak ışığın foton teorisine göre, fotonlar
- Işık hızında sabit bir hızla hareket ederler, tabii ki boş uzayda.
- Sıfır durgun kütleye ve durgun enerjiye sahiptirler. Yani durağan halde foton bulamazsınız demektir (bkz: Işıktan Hızlı Parçacıklar yazısındaki kütleye ilişkin açıklamalar )
- E=hν ve p=h/λ olmak üzere elektromanyetik dalganın dalgaboyu ve frekansı ile bağlantılı olan enerji ve momentum taşırlar.
- Işıma absorbe edildiklerinde veya yayınladıklarında oluşurlar ya da yok olurlar.
- Compton olayı olarak bilinen bir etkileşim içinde elektron ve diğer parçacıklarla parçacık gibi etkileşirler (çarpışırlar vb).
Fotonun temel bir parçacık olduğunu ve başka bir temel parçacığa bozunamadığını da bu fiziksel özelliklerine eklemeliyiz.
Kısaca Dalga-Parçacık İkililiği
Işık hem dalga hem parçacık özelliklerinin ikisine de sahiptir. Bu şaşırtıcı bir keşifti ve kesinlikle bize normal algıladığımız şeylerin gerçeğin dışında olduğunu gösterdi. Bilardo topları parçacıklar gibi davranırken okyanuslar dalgalar gibi davranır. Fotonlar tüm zaman boyunca hem bir dalga hem de bir parçacık gibi davranır. Yaygın olsa da temelde yanlış bir söylem var: verilen bir zamanda daha belirgin olan özelliklerine bağlı olarak “bazı zamanlar bir dalga ve bazı zamanlar bir parçacık” gibi davranırlar. Oysa bu şekilde düşünürsek, bu düşünce de Broglie’nin ortaya koyduğu bir parçacığın, burada fotonun, dalgaboyunun Planck sabiti bölü momentumu olduğu gerçeğine aykırı olur. Eğer bazı zamanlar dalga bazı zamanlar parçacık olarak düşünseydik, o zaman bazı zamanlar için (parçacığın dalga özelliğini gösterdiği zamanlar için) momentum içermeyen başka bir dalgaboyu ifademiz ya da bazı zamanlar için (parçacığın parçacık özelliği gösterdiği zamanlar için) dalgaboyu içermeyen başka bir momentum ifademiz olmalıydı.
Bu dalga-parçacık ikililiğinin etkilerinden sadece biri fotonlardır, parçacıklar gibi ele alsak bile frekansa, dalgaboyuna, genliğe ve dalga mekaniği doğasına ait diğer özellikleri hesaplanabilir.
Atom altı parçacık olarak yukarıdaki video dahil olmak üzere fotonun tanımını ve fiziksel özelliklerini bu yazımızda sizlere açıklamaya çalıştım. Ayrıca bu yazıya ilave olarak fotonun teknolojideki uygulamalarını da eklediğim halini ücretsiz olarak yayınladığımız NetBilim’in 15.sayısında bulabileceksiniz. Ücretsiz abone de olabilirsiniz.
Gökhan Atmaca, MSc – facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Kaynaklar:
- http://science.jrank.org/pages/6560/Subatomic-Particles.html
- http://en.wikipedia.org/wiki/Photon
- http://physics.about.com/od/lightoptics/f/photon.htm
- Arthur Beiser, Çeviri: Gülsen Önengüt, Modern Fiziğin Kavramları, Akademi, syf: 76-78, 1997.