Side 538 Om framveksten av fotonbegrepet

I kapittel 18 innfører vi fotonbegrepet allerede på side 535, som minsteporsjoner av elektromagnetisk stråling. Vi skriver der også at denne strålingen er kvantisert, oppdelt i atskilte porsjoner av energi, og det er hvert av disse energikvantene som kalles foton. Og vi fortsetter å bruke fotonbegrepet i omtalen av Bohrs teori for hydrogenatomet. Dette har vi gjort av pedagogiske grunner, selv om det ikke er helt historisk korrekt. 
At elektromagnetisk stråling kan sees på som en strøm av atskilte energikvanter, kan i vår sammenheng føres tilbake til en artikkel av Einstein i 1905. Der skriver han blant annet: «Fenomener som har med utsendelse eller omdannelse av lys å gjøre, kan bedre forståes ved å anta at lysenergien er fordelt diskontinuerlig i rommet. Når en lysstråle sendes ut fra et punkt, vil energien, ifølge den antakelsen som her legges fram, ikke være kontinuerlig fordelt over et stadig større volum, men bestå av et endelig antall lyskvanter som er lokalisert i rommet, og som beveger seg uten å bli delt og som kun kan absorberes eller sendes ut som et hele.»
(Renstrøm, 2011, se nedenfor.)
   I artikkelen kommer Einstein fram til sitatet ovenfor gjennom å studere entropien til elektromagnetisk stråling fra svarte legemer, der han tar i bruk resultater innen klassisk fysikk fra Wien og Boltzmann. Så bruker han antakelsen ovenfor om lyskvanter på fotoelektrisk effekt, der han setter opp det vi på side 547 i læreboka kaller Einsteins likning for fotoelektrisk effekt:

Ef = W + Ek

der lyskvantets energi Ef = hf.
   Den fotoelektriske effekten var godt studert eksperimentelt i årene før 1905, særlig av den tyske fysikeren Philipp Lenard. Lenard hadde prøvd å forstå observasjonene sine ut fra forestillingene om atomenes oppbygning i Thomsons atommodell, se Wikipedia-lenke nedenfor. Dette skulle vise seg å være et feilspor, spesielt fordi Thomsons atommodell ganske snart ble forkastet gjennom arbeidene til Rutherford og Bohr. Einstein mente derimot at måleresultatene til Lenard burde forståes i lys av ideen om lyskvanter, der den fotoelektriske effekten kunne sees på som en vekselvirkning mellom enkeltelektroner i metallet og enkeltkvanter i lyset.
   Det kan her være grunn til å nevne at Einstein ikke tok utgangspunkt i Max Plancks arbeid fem år tidligere. Der hadde Planck, for å komme fram til likningen for de såkalte planckkurvene, brukt ideen om at atomene i svarte legemer som sender ut stråling, bare kan ha helt bestemte energitilstander. Altså at atomenes energi er kvantisert. Einstein mente faktisk i 1905 at Plancks teori ikke kunne forenes med hans egen antakelse om at selve strålingen også er kvantisert. Denne feiltakelsen korrigerte imidlertid Einstein allerede i en ny artikkel i 1906.

Det skulle vise seg at Einsteins ide om at lys består av kvanter med energien hf hadde en lang vei å gå for å bli allment akseptert av de ledende fysikerne. For eksempel skriver en rekke fysikere, blant dem Planck, i et brev til Det prøyssiske Vitenskapsakademiet i 1913 i forbindelse med at Einstein søker om medlemskap: «… At han av og til har bommet i sine spekulasjoner, som for eksempel i sin hypotese om lyskvanter, kan ikke tale for mye i mot ham,…». Gjennom en rekke målinger i 1915–1916 på den fotoelektriske effekten fikk Robert Millikan resultater som var helt i samsvar med Einsteins likning. Se læreboka side 548–549. Millikan selv erkjente at målingene hans var fullstendig i samsvar med Einsteins likning, men han hadde ikke noen tro på Einsteins ideer som lå bak likningen hans.
   Så seint som i 1922, i sitt nobelforedrag, gir Niels Bohr en begrunnelse for hvorfor han ikke kan godta lyskvanteideen. Der sier han at Einsteins ide er uforenlig med fysikernes erfaringer med interferensfenomenet.
   Men så, i 1923, kommer skiftet. Det foregående året gjorde den amerikanske fysikeren Arthur Compton målinger på kollisjonsprosesser mellom røntgenstråler og elektroner. Han mente at han bare kunne forklare resultatene ved å anta at det var røntgenkvanter med energien hf og bevegelsesmengden hf/c som kolliderte med elektronene. Se utdraget fra Rom Stoff Tid Fysikk 2 side 287 som er vedlagt. Nå gikk det ikke lang tid før Einsteins lyskvanter ble akseptert av alle de ledende fysikerne. I et brev i 1925 skrev Bohr: «Det later derfor til at det ikke er annet å gjøre enn å gi vår revolusjonære innsats en så hederlig begravelse som mulig.» (Renstrøm, side 72.)
   I 1926 foreslo så den amerikanske kjemikeren Gilbert Lewis at strålingskvantene skulle kalles fotoner.  

Kilder:

Helge Krahg: Quantum Generations. A History of Physics in the twentieth Century. Princeton Univ. Press 1999.

Reidun Renstrøm: Kvantefysikkens utvikling, i fysikklærebøker, vitenskapshistorien og undervisning. UiO 2011.