Wat gebeurt er met fotonen? Zijn zij eindig, of eeuwig?

Je weet dat atomen zijn opgebouwd uit nog kleinere elementaire deeltjes : protonen en neutronen in de kern, en een wolk electronen die rond die kern bewegen. Protonen en neutronen zijn zelf weer opgebouwd uit nog kleinere deetljes, de quarks. Dit zijn de bouwstenen van de materie.

Fotonen zijn een heel ander soort deeltjes. Je kan er geen materie mee opbouwen zoals met quarks. Het zijn krachtoverbrengende deeltjes, meer bepaald van de elektromagnetische kracht.

 

De massa van het foton is nul, en daarom beweegt het steeds met de lichtsnelheid. Het heeft ook een lading nul en kan dus niet worden afgebogen in een elektromagnetisch veld. Het foton gaat steeds met de lichtsnelheid rechtdoor. Enkel in de buurt van een zware massa zal zijn traject wat afwijken van wat wij beschouwen als een rechte lijn. Een lichtstraal die rakelings langs de zon passeert wordt één tweeduizendste van een graad afgebogen. Maar dan niet omdat het foton een zwaartekracht "voelt", maar omdat de ruimte en dus ook het begrip "rechte lijn" daar worden afgebogen. Het foton heeft nog steeds het gevoel kaarsrecht door te gaan.

Het foton kan je in feite zien als een pakketje zuivere energie. De hoeveelheid energie die een foton bevat kan enorm varëren. De meest energetische fotonen (gammastraling) hebben 10¹⁵ keer meer energie dan de minst energetische (fotonen in het radiogebied).

 

Heeft een foton nu een eeuwig leven ? Een foton kan nooit zomaar verdwijnen, en het blijft maar doorgaan zolang het geen materiedeeltjes tegenkomt. Dan kan het wel degelijk wisselwerken met die deeltjes. Door zo'n wisselwerking kan een foton wel verdwijnen, of beter gezegd, zijn energie overdragen.

 

Een voorbeeld: het elektron van een waterstofatoom kan enkel in een beperkt aantal mogelijke banen bewegen, elk met een zeer nauwkeuzig bepaalde energie. Enkel die welbepaalde banen zijn mogelijk. Het is alsof je met een wagen rijdt die alleen maar 10, 25, 60, 90 of 120 km/u kan rijden en niets daartussen.

 

Indien een elektron op een baan zit met een zekere energie, en er passeert een foton wiens energie precies gelijk is aan het verschil met de energie van de hogere baan, dan kan het elektron dit foton absorberen om zichzelf in die hogere baan te plaatsen. Dit proces heet "absorptie" (zie figuur). Het elektron zal dan meestal zeer snel spontaan een foton met de precieze energie weer uitzenden om terug naar zijn lagere ( = minder energetische) baan te vallen. Dit proces heet emissie. Spaarlampen maken gebruik van dit fysisch proces.

 

Een ander voorbeeld, waarbij fotonen geschapen worden, is wanneer een deeltje en zijn antideeltje elkaar ontmoeten, bijvoorbeeld een elektron en een positron. Dan wordt de totale massa van beide volledig omgezet in energie in de vorm van hoogenergetische fotonen. Dit gebeurt volgens de welbekende formule E = mc² . Omgekeerd kunnen bij bepaalde processen materiedeeltjes ontstaan uit fotonen. Dan wordt energie dus omgezet in massa.