Strona głównaPytania → Jak zachowują się fotony przy...

Jak zachowują się fotony przy zmianie ośrodka?

Pytanie

Pyta Daniel

Czy fotony, opuszczając ośrodek w którym ich prędkość jest znacznie mniejsza, odzyskują swoją poprzednią prędkość? Jeśli tak, to skąd bierze się energia by je ponownie rozpędzić?

Odpowiedź

Odpowiada Piotr Wasylczyk

By zrozumieć, jak zachowują się fotony, trzeba na początek porzucić wyobrażenia o tym, że są to małe kulki (z czego zrobione?) pędzące z prędkością światła w próżni. Obraz, w którym wyobrażamy sobie coś na kształt pocisków z karabinu czy kul bilardowych szybko prowadzi na manowce.

Owszem, fotony mają (niosą) energię ale, inaczej niż w przypadku kul bilardowych, energia owa jest proporcjonalna do ich częstości, a więc barwy światła (jeśli mówimy o obszarze widzialnym). Foton może tę energię przekazywać do otoczenia (w ten sposób np. światło ogrzewa naszą skórę, kiedy wystawiamy twarz na słońce), ale pozostaje ona stała, kiedy światło rozchodzi się w przezroczystych ośrodkach o różnych współczynnikach załamania – wszak barwa światła nie zmienia się, kiedy wiązka lasera wchodzi do szkła.

Gdyby w Pańskim pytaniu zamienić „energię” na „pęd”, otwiera ono drogę do wielu ciekawych rozważań. Fotony niosą również pęd, przy czym znów nie należy dać ponieść się skojarzeniom z pędem kuli bilardowej równym m*v (w końcu foton ma masę zerową!). Ten pęd (odwrotnie proporcjonalny do długości fali) jest jednak jak najbardziej „realny” i może być przekazywany do otoczenia, np. kiedy foton zmienia kierunek przy odbiciu czy załamaniu – na takim przekazie pędu opierają się pomysły wykorzystania ciśnienia światła do napędu sond kosmicznych przy pomocy odbijającego „żagla”. Podobnie fotony załamujące się w szklanej płytce wymieniają z nią część pędu, kiedy zmienia się ich kierunek i/lub długość fali (w ośrodku o innym współczynniku załamania). Pęd fotonów jest bardzo mały, dlatego nie da się zmierzyć (łatwo) jakiej prędkości nabiera pryzmat podczas ugięcia wiązki światła.

Ładnym przykładem oddziaływania, w którym foton przekazuje pęd i energię (do elektronu, a więc obiektu z masą) jest efekt Comptona.

Anegdota głosi, że jeden z wybitnych fizyków miał stwierdzić, iż należy wydawać specjalne dokumenty upoważniające do mówienia o fotonach, gdyż większość osób ma zupełnie błędne wyobrażenia o ich naturze.