Energija fotona

Energija fotona jednaka jednom kvantu energije E = h∙f, a cjelobrojni višekratnik kvanta energije nalazimo primjerice kod energije harmonijskog oscilatora E - E₀ = n∙h∙f. Energija fotona je Einsteinova hipoteza, što možemo sagledati iz daljnjeg teksta.
Od davnina je bilo poznato da da topliji objekti svijetle jače od hladnijih te da, kada se užare, daljnjim zagrijavanjem mijenjaju boju od crvene, prema plavoj, ali dugo nije bilo dobrog objašnjenja za tu pojavu. Kirchhoff iznio načelo da intenzitet zračenja crnog tijela ovisi samo o valnoj duljini zračenja i temperaturi tijela koje zrači, što je bio odnos vrijedan istraživanja. Problem zainteresirao je Maxa Plancka, koji je krajem devetnaestog stoljeća istraživao spektar zračenja tzv. crnog tijela. Trebalo je pronaći vezu između temperature i zračenja crnog tijela, odnosno opisati vezu nasumičnog gibanja atoma u tijelu i EM valova te njihovu termodinamičku ravnotežu.
Planck je pretpostavio da jednadžbe gibanja svjetlosti opisuju skup harmonijskih oscilatora, jedan oscilator za svaku moguću frekvenciju EM vala. Ispitivao je kako se entropija oscilatora mijenja s temperaturom tijela, pokušavajući uskladiti svoju teoriju i Wienov zakon zračenja. Kako bi spasio svoju teoriju, morao je uvesti neke nove pretpostavke i pribjeći korištenju tada kontroverzne teorije statističke mehanike, što je opisao kao čin očajnika.
Njegov novi pristup bilo je tumačenje energije oscilatora, ne kao kontinuirane veličine, već kao diskretne veličine sastavljene od cijelog broja jednakih dijelova. Na taj način Planck je nametnuo kvantizaciju energije oscilatora, što se kasnije pokazalo revolucionarnim, ali za njega je to bila samo formalna pretpostavka, bez nekog dubljeg značenja.
Primjena Planckovog novog pristupa na Wienov zakon pokazala je da najmanji element energije oscilatora E = h∙f mora biti proporcionalan frekvenciji oscilatora f. Uspoređujući svoju teoriju i eksperimentalne podatke spektra crnog tijela Planck je uspio odrediti vrijednost konstante h = 6,55∙10⁻³⁴ J⋅s, koja se neznatno razlikuje od današnje normirane vrijednosti 6,62607015∙10⁻³⁴ J∙s, a koja služi za definiciju kilograma. Također prvi je uspio odrediti vrijednost Boltzmannove konstante k_B = 1,346∙10⁻²³ J/K. Maxu Plancku dodijeljena je Nobelova nagradu za fiziku za 1918, za njegov rad na uspostavi i razvoju teorije elementarnih kvanta. Planckov koncept kvanta energije preuzeo je Einstein, s tim da mu je pridružio sasvim novo, fundamentalno značenje, značenje energije čestice EM zračenja, fotona. Taj pristup mu je omogućio da objasni fotoelektrični efekt. Fotoelektrični efekt je objasnio kao pojavu u kojoj jedna čestica sudaranjem izbacuje drugu, poput kugli u boćanju. Energija te čestice je energija Planckovog kvanta E = h∙f. Nobelova nagrada za fiziku 1921. dodijeljena je Albertu Einsteinu za općenito njegove brojne zasluge u teorijskoj fizici, a posebno za njegovo otkriće zakona fotoelektričnog efekta. Fotoelektrični efekt ipak se smatra posrednim dokazom čestične prirode svjetlosti. Da je tome tako najbolje osjetimo kad studentima krenemo objašnjavati dokaz česičnosti svjetlosti. Neposredni dokaz za to bilo je otkriće tzv. Comptonovog efekta, izbijanjem elektrona iz atoma, koji je objašnjen mehaničkim sudarom relativističkih kuglica, fotona x-zraka i elektrona, korištenjem zakona očuvanja energije i količine gibanja.
Za to je dobio Nobelovu nagradu za 1927. godinu, uz sljedeće objašnjenje: "Kada je Arthur Compton 1922. godine usmjerio fotone X-zraka na metalnu površinu, elektroni su se oslobodili, a valna duljina X-zraka se povećala jer je dio energije upadnog fotona prenesen na elektrone. Eksperiment je potvrdio da se elektromagnetsko zračenje može opisati i kao fotonske čestice prema zakonima mehanike."