Photon là gì? Một photon trông như nào và ứng dụng của nó

Hãy tưởng tượng một trục của ánh sáng mặt trời màu vàng chiếu qua cửa sổ. Theo vật lý lượng tử, chùm tia này được tạo thành từ các mảng ánh sáng nhỏ, gọi là photon, truyền trong không khí. Nhưng chính xác thì photon là gì? Hãy cùng Thiết Bị Điện Goldsun tìm hiểu về chủ đề này nhé!

Photon là gì?

Trong vật lý, photon (tiếng Việt đọc là phô tông hay phô tôn, hay quang tử) là một hạt cơ bản, đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh sáng cũng như mọi dạng bức xạ điện từ khác. Nó cũng là hạt tải lực của lực điện từ.

Các hiệu ứng của lực điện từ có thể dễ dàng quan sát ở cả thang vi mô và vĩ mô do photon không có khối lượng nghỉ; và điều này cũng cho phép các tương tác cơ bản xảy ra được ở những khoảng cách rất lớn. Cũng giống như mọi hạt cơ bản khác, photon được miêu tả bởi cơ học lượng tử và biểu hiện lưỡng tính sóng hạt — chúng thể hiện các tính chất giống như của cả sóng và hạt.

Ví dụ, một hạt photon có thể bị khúc xạ bởi một thấu kính hoặc thể hiện sự giao thoa giữa các sóng, nhưng nó cũng biểu hiện như một hạt khi chúng ta thực hiện phép đo định lượng về động lượng của nó.

Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, photon có năng lượng bằng với tần số dao động của chúng nhân với hằng số Planck. Einstein đã chứng minh: Ánh sáng là một dòng các photon, năng lượng của các photon là độ cao của tần số dao động và cường độ của ánh sáng tương ứng với số photon. Về cơ bản, cách một dòng photon hoạt động như một sóng và hạt.

Thuộc tính của photon

Các tính chất cơ bản của photon:

• Chúng có khối lượng và năng lượng nghỉ bằng không. Chúng chỉ tồn tại dưới dạng hạt chuyển động.
• Chúng là các hạt cơ bản mặc dù thiếu khối lượng nghỉ.
• Chúng không có điện tích.
• Chúng ổn định.
• Chúng là các hạt spin-1 tạo nên chúng là boson.
• Chúng mang theo năng lượng và động lượng phụ thuộc vào tần số.
• Chúng có thể có tương tác với các hạt khác như electron, chẳng hạn như hiệu ứng Compton.
• Chúng có thể bị phá hủy hoặc tạo ra bởi nhiều quá trình tự nhiên, ví dụ như khi bức xạ được hấp thụ hoặc phát ra.
• Khi ở trong không gian trống, chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng.

Lý thuyết hiện đại của photon

Einstein cho rằng ánh sáng là một photon và dòng chuyển động của photon là một làn sóng. Ông cũng tin rằng ánh sáng có bản chất hạt sau khi ông khám phá ra được hiệu ứng quang điện, trong đó, electron bay ra khỏi bề mặt kim loại khi tiếp xúc với ánh sáng.

Điểm chính của lý thuyết lượng tử ánh sáng của nhà vật lý Einstein là năng lượng ánh sáng có liên quan đến tần số dao động. Ông cho rằng, các photon có năng lượng bằng với tần số dao động theo thời gian không đổi của Planck và năng lượng này là độ cao của tần số dao động. Các đặc tính khác của ánh sáng là một loại sóng điện từ do hoạt động của các hạt cực nhỏ mà mắt thường không nhìn thấy được.

Einstein suy đoán rằng, khi các electron bên trong vật chất va chạm với photon, vật chất trước sẽ lấy năng lượng của vật chất sau và bay ra ngoài. Nếu tần số dao động của photon va chạm càng cao thì năng lượng electron bay ra càng lớn.

Nói tóm lại, Einstein cho rằng, ánh sáng là một dòng các photon, năng lượng của các photon là độ cao của tần số dao động của chúng và cường độ ánh sáng liên quan đến số lượng photon.

Einstein đã chứng minh lý thuyết của mình bằng cách suy ra hằng số Planck từ những thí nghiệm về hiệu ứng quang điện. Các tính toán của ông đưa ra về Planck là 6,6260755 x 10 – 34. Rõ ràng, điều này chỉ ra mối quan hệ mật thiết giữa đặc tính và tần số dao động của ánh sáng dưới dạng sóng và động lượng của ánh sáng dưới dạng hạt.

Kể từ khi Einstein chỉ ra bản chất kép của ánh sáng, nhà vật lý Thụy Sĩ tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne đã chụp được bức ảnh đầu tiên về bản chất kép này. Nhóm nghiên cứu này do Fabrizio Carbone dẫn đầu đã thực hiện thí nghiệm thông minh vào năm 2015, trong đó một tia laser được sử dụng để bắn vào dây nano, khiến các electron bị dao động. Ánh sáng truyền dọc theo sợi dây nhỏ theo hai hướng giống như ô tô trên đường cao tốc.

Khi các sóng truyền ngược chiều và gặp nhau, chúng sẽ tạo thành một làn sóng mới giống như đang đứng yên tại chỗ. Tại đây, sóng dừng sẽ trở thành nguồn sáng cho thí nghiệm, tỏa ra xung quanh dây nano. Tia sáng đã bắn ra một chùm electron mới tạo ra hình ảnh sóng dừng của ánh sáng, hoạt động như dấu vết về bản chất sóng của ánh sáng.

Một photon trông như thế nào?

Bạn đã bao giờ tự hỏi photon có hình dạng gì chưa? Các nhà khoa học đã cân nhắc câu hỏi này trong nhiều thập kỷ và cuối cùng, vào năm 2016, các nhà vật lý Ba Lan đã tạo ra hình ảnh ba chiều đầu tiên của một hạt ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Warsaw đã tạo ra hình ba chiều bằng cách bắn hai chùm ánh sáng vào một bộ tách chùm, làm bằng tinh thể canxit, cùng một lúc. Bộ tách chùm tương tự như một nút giao thông đèn giao thông để mỗi photon có thể đi thẳng qua hoặc rẽ.

Khi một photon là riêng của nó, mỗi con đường đều có khả năng xảy ra như nhau nhưng khi có nhiều photon tham gia thì chúng sẽ tương tác và tỷ lệ chênh lệch thay đổi.

Nếu bạn biết hàm sóng của một trong các photon, bạn có thể tìm ra hình dạng của hạt thứ hai từ vị trí của các tia chớp xuất hiện trên máy dò. Hình ảnh thu được trông hơi giống hình chữ thập Maltese, giống như hàm sóng được dự đoán từ phương trình Schrödinger.

Sự thật về photon

• Không chỉ ánh sáng được tạo thành từ các photon, mà tất cả năng lượng điện từ (tức là vi sóng, sóng vô tuyến, tia X) đều được tạo thành từ các photon.
• Khái niệm ban đầu về photon được phát triển bởi Albert Einstein. Tuy nhiên, chính nhà khoa học Gilbert N. Lewis là người đầu tiên sử dụng từ “photon” để mô tả nó.
• Lý thuyết nói rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng và hạt được gọi là lý thuyết đối ngẫu sóng-hạt.
• Các photon luôn trung hòa về điện. Chúng không có điện tích.
• Các photon không tự phân hủy.

Ứng dụng của photon công nghệ trong thực tế

Photon có nhiều ứng dụng trong công nghệ. Những ví dụ dưới đây để minh họa các ứng dụng dựa trên tính chất của photon hơn là đối với thiết bị quang học nói chung như cho thấu kính, mà có thể giải thích theo lý thuyết cổ điển về ánh sáng. Laser là một ứng dụng cực kỳ quan trọng và đã được mô tả ở trên với phát xạ kích thích.

Có một vài phương pháp để xác định được từng photon độc thân. Các ống nhân quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện: một photon chạm vào bề mặt kim loại và một electron bị bật ra, làm khởi phát một luồng khổng lồ các electron trong ống nhân quang điện.

Các chip CCD sử dụng hiệu ứng tương tự trên chất bán dẫn: một photon tới làm sinh ra điện tích trên một tụ điện vi mô và từ đó có thể ghi lại được. Các thiết bị dò khác như máy đếm Geiger sử dụng khả năng photon gây ion hóa các phân tử khí, dẫn đến hình thành dòng điện mà máy đo được.

Động lực học và hoạt động ngày nay

Các photon có thể được phát ra theo nhiều cách. Ví dụ, nếu một hạt được gia tốc bằng điện tích, thì sự phát xạ của nó sẽ khác, vì nó có các mức năng lượng khác. Chúng tôi có thể loại bỏ photon, làm cho nó biến mất cùng với phản hạt của nó. Kể từ khi phát hiện ra những nhà khoa học nói trên, sự hiểu biết về các photon đã thay đổi rất nhiều.

Hiện nay, các định luật vật lý là bán đối xứng trong không gian và thời gian, vì vậy tất cả các nghiên cứu được thực hiện trên các hạt ánh sáng này là rất chính xác. Do đó, vì tất cả các thuộc tính đều được biết rất chi tiết, chúng phục vụ cho kính hiển vi độ phân giải cao, quang hóa và thậm chí cho phép đo khoảng cách giữa các phân tử.

Qua nội dung bài viết mà Thiết Bị Điện Goldsun đã tổng hợp lại, chắc hẳn bạn đã biết khái niệm photon là gì và lý thuyết hiện đại về photon. Hy vọng đây là những thông tin hữu ích dành cho bạn.