Fotoner (från grekiskans φως, som betyder ljus) är i många atomära modeller inom fysiken partiklar som sänder ljus. Med andra ord transporteras ljuset genom rummet av fotoner. Foton är en elementarpartikel som är sin egen antipartikel. Inom kvantmekaniken har varje foton ett karakteristiskt energikvant som beror på frekvensen: En foton som är förknippad med ljus med högre frekvens har mer energi (och är förknippad med ljus med kortare våglängd).

Fotoner har en vilomassa på 0 (noll). Einsteins relativitetsteori säger dock att de har en viss rörelseförmåga. Innan fotonen fick sitt namn återupplivade Einstein förslaget att ljuset består av separata energibitar (partiklar). Dessa partiklar kom att kallas fotoner.

En foton har vanligtvis symbolen γ (gamma).


 

Egenskaper

Fotonen är bärare av flera avgörande egenskaper som skiljer den från materiepartiklar:

  • Masslöshet: Fotonens vilomassa är noll. Det innebär att den alltid rör sig med ljushastigheten c i vakuum.
  • Hastighet: I vakuum är fotonens hastighet c ≈ 2,998 × 108 m/s.
  • Energi och frekvens: Energikvantet ges av E = hν, där h är Plancks konstant (h ≈ 6.626 × 10−34 J·s) och ν är frekvensen.
  • Rörelsemängd: Eftersom massan är noll gäller E = pc, alltså p = E/c = h/λ, där λ är våglängden.
  • Spin och polarisation: Fotonen är en boson med heltaligt spin (spin 1). I fri rymd finns två oberoende polarisationslägen (helicitet ±1); det finns ingen longitudinell polarisationskomponent för en fri, masslös foton.
  • Antipartikel: Fotonen är sin egen antipartikel.
  • Kvantkaraktär: Ljus uppvisar våg–partikeldualitet; vissa fenomen beskrivers bäst som vågor (interferens, diffraktion) medan andra kräver partikelförklaringen (fotoelektrisk effekt, Compton-spridning).

Energi, frekvens och våglängd

Fotonens energi bestäms av dess frekvens enligt formeln E = hν. Eftersom våglängd och frekvens hänger ihop genom v = λν och i vakuum v = c, kan man också skriva

  • E = hc/λ
  • p = h/λ (rörelsemängd)

Exempel: synligt ljus har våglängder ungefär 380–750 nm vilket motsvarar energier på cirka 1,6–3,3 eV per foton.

Interaktioner och processer

Fotoner deltar i en mängd fundamentala fysikaliska processer:

  • Emission och absorption: Atomer och molekyler avger och absorberar fotoner vid diskreta energiskillnader (elektronövergångar). Detta ligger till grund för spektralanalys och många ljuskällor.
  • Fotoelektrisk effekt: En foton kan excitera och frigöra en elektron från en metallyta — fenomenet som bidrog till kvantteorins utveckling (Einstein, 1905).
  • Compton-spridning: Fotoner kan spridas på fria eller bundna elektroner och överföra rörelsemängd och energi.
  • Parproduktion och annihilation: Tillräckligt energirika fotoner kan skapa partikel‑antipartikel‑par (t.ex. elektron‑positron) i närvaro av en kärna; motsatsen — annihilation — ger ofta upphov till två eller flera fotoner när ett partikel‑antipartikelpar förintas.
  • Stimulerad emission: En foton kan inducera en exciterad atom att avge en extra foton med samma fas, frekvens och riktning — principen bakom lasrar.

Kvantfältsteori och roll i naturen

I modern teori är fotonen kvantisering av det elektromagnetiska fältet och gauge-boson för den elektromagnetiska växelverkan. Den beskriver hur elektromagnetiska krafter överförs mellan laddade partiklar. Antalet fotoner är inte alltid bevarat — de kan skapas eller annihileras i olika processer.

Detektion och tillämpningar

Fotoner detekteras med många tekniker beroende på energiområde: fotomultiplikatorrör, fotodioder, CCD‑sensorer, röntgendetektorer och gammastrålingsdetektorer. Praktiska tillämpningar inkluderar:

  • Kommunikation (fiberoptik, trådlös överföring)
  • Belysning och skärmar (LED, LASER, OLED)
  • Medicinsk bilddiagnostik (röntgen, PET)
  • Vetenskapliga instrument (spektroskopi, teleskop)

Sammanfattning

Fotonen är den elementära kvanten av elektromagnetiskt fält — masslös, snabb, och avgörande för både vardagliga tekniker och grundläggande fysik. Dess egenskaper (E = hν, p = h/λ, två polarisationslägen och bosonisk natur) förklarar en rad fenomen från regnbågens färger till moderna lasrar och astrofysiska observationer.