«Фотон» як термін народився не відразу. Спочатку А. Ейнштейн називав частинку світла «світловим квантом». Сучасна назва «фотон», що грецькою означає «світло», була введена фізикохіміком Гілбертом Ньютоном Льюїсом (1875—1946, США) у 1926 р.
Якщо раніше поняття "фотон" використовували для пояснення суто світлових процесів, то сьогодні розглядають як одну із фундаментальних елементарних частинок, що має специфічні властивості.
На відміну від частинок речовини, якими є електрони і протони, — ця частинка може існувати тільки в русі. Зрозуміло, що її швидкість — це і є швидкість світла 300 000 км/с. Найбільша у природі! Ніщо не може рухатися швидше, ніж світло у вакуумі!!!
Фотон — це квант електромагнітного випромінювання, елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії.
Як виникає фотон? Електронам, що містяться в орбіталях навколо ядра атома, притаманний певний енергетичний рівень, який забезпечує стійкість усього атома. Проте є можливість того, що електрони переходять на вищий або нижчий енергетичний рівні. Ці процеси можливі лише в разі поглинання або виділення енергії. Якщо електрон повертається в початкове положення, то внаслідок цього відбувається випромінювання фотона — так народжується світло (мал. 6.2).
Експериментальні та теоретичні дослідження показують, що в будь якому атомі, електрони можуть знаходитись лише на певних, енергетично дозволених рівнях. При цьому, в процесі поглинання певного світлового фотона, електрон перескакує на відповідний більш високий енергетичний рівень (мал.142а). А при падінні з цього рівня, електрон випромінює аналогічний фотон (мал.142б).
Зважаючи на вище сказане, процес розповсюдження світла в будь якому речовинному середовищі виглядає наступним чином. Світловий фотон, з швидкістю 3·108м/с рухається в міжатомному середовищі. Час від часу цей фотон зустрічається з тим чи іншим атомом і поглинається ним. При цьому певний електрон перескакує на відповідний (відповідний енергії фотона) більш високий енергетичний рівень. Коли ж цей енергетично збуджений електрон повертається на попередній рівень, то випромінюється новий, але абсолютно такий же, фотон. Цей новий фотон з швидкістю 3·108м/с летить до нової зустрічі з атомом. Знову поглинається … випромінюється і т.д.
Мал. 6.2. Багатолике випромінювання
Випромінювання тілами електромагнітних хвиль (світіння) може відбуватися з різних причин. Найпоширенішим видом випромінювання є теплове — випромінювання електромагнітних хвиль за рахунок внутрішньої енергії тіл. Що вищою є температура тіла, то швидше рухаються атоми. Під час зіткнень швидких атомів частина їхньої кінетичної енергії перетворюється на енергію збудження атомів, які потім випромінюють світло.
Люмінесценсія - усі види світіння, для яких збудження відбувається за рахунок різних видів енергії (крім теплової).
Біолюмінесценція — світіння організмів, пов’язане з процесами їхньої життєдіяльності.
Яскраво це виражено в жуків-світляків. Їхні органи світіння складаються з клітин, у яких містяться дві білкові речовини — люциферин та фермент люцифераза (від латинського lucifer — носій світла). Люциферин за участі ферменту окиснюється, унаслідок чого виділяється енергія, більша частина якої (до 92 %) перетворюється на світло. Світіння жуків-світляків відбувається лише в темряві та є сигналом для впізнання один одного.
У багатьох тварин органи світіння містять не лише клітини, що випромінюють світло, а й клітини, що заломлюють і відбивають його.
Тварини можуть світитися й за рахунок мікроорганізмів, що світяться та живуть у них.
Фотоефект
Квантову природу допомогло відкрити дослідження явища фотоефекту, яке відкрив Генріх Герц, але пояснити його не зміг. Іронія у тому, що при цьому Герц підтримував хвильову теорію світла
Макс Планк висунув ідею, що атоми випромінюють світлові хвилі не безперервно, а порціями (квантами), при цьому енергія кванта залежить тільки від його частоти.
Альберт Ейнштейн пішов ще далі. Припустивши, що світло не тільки випромінюється, а й поширюється у вигляді частинок — фотонів, він легко пояснив особливості фотоефект (за що тримав Нобелівську премію з фізики)
Суть фотоефекту в тому, що світло може «вибивати» з деяких речовин/ матеріалів електрони
У металах завжди багато вільних електронів, які й «вибиваються» з поверхні під дією світла. Проте більш цікавий фотоефект у напівпровіднику.
Можна підібрати такий напівпровідник, що він буде чутливим до інфрачервоного випромінювання. На цьому принципі заснована робота інфрачервоних датчиків, пультів управління телевізором, ракетних снарядів самонаведення, а також інфрачервоних окулярів та біноклів.
Широкого практичного використання набули напівпровідникові фотоелементи з внутрішнім фотоефектом — фотоопори (фоторезистори), фотодіоди, сонячні батареї
Завдяки фотоефекту стала можливою поява цілого ряду цифрової електроніки — фотоапарати, відеокамери, електронні телескопи, мікроскопи.
Фотоефект: див. фрагменти 2:50-9:50 і 10:05-13:05