Что такое фотоны света. Энергия фотона

Фотон - квант электромагнитного поля, элементарная частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Фотон - наиболее распространенная из всех элементарных частиц. Он встречается и в потоках видимого света, и в рентгеновском излучении, и в виде радиоволн, и в лазерных импульсах. В 1964 г. американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили, что мировое пространство заполнено миллиметровыми радиоволнами, которые можно рассматривать как холодный фотонный газ при температуре 2,7 К. По современным представлениям, это излучение (его называют реликтовым) возникло на ранних стадиях развития Вселенной, когда вещество находилось при огромной температуре и давлении (см. Космология). Средняя плотность реликтовых фотонов составляет около 500 штук в . Это число можно сравнить с распространенностью протонов, из которых построен окружающий нас мир: во Вселенной в среднем имеется не более одного протона на . Таким образом, во Вселенной фотоны встречаются в миллиард раз чаще, чем протоны.

Необычна историческая судьба фотона; пожалуй, это единственная элементарная частица, для которой нельзя указать автора ее экспериментального открытия. Фотон был открыт теоретически М. Планком, который 14 декабря 1900 г. на заседании Берлинского физического общества высказал свою гипотезу о квантовании энергии излучения. С этого момента в физике началась квантовая эра.

Развивая идею Планка, А. Эйнштейн в 1905 г. предположил, что свет не только излучается и поглощается отдельными порциями, но и состоит из них. Это было смелое и необычное обобщение. Например, мы всегда пьем воду порциями, глотками, но отсюда не следует, что вода состоит из отдельных глотков. По теории Эйнштейна, электромагнитная волна стала выглядеть как поток квантов.

Гипотеза Планка позволила объяснить закономерности фотоэффекта, люминесценции и ряда других явлений. Наиболее ярко корпускулярные свойства электромагнитного излучения проявились в экспериментах А. Комптона по рассеянию рентгеновских лучей на свободных электронах (1922). Эффект Комптона подтвердил правильность квантовых представлений об электромагнитном излучении, и в физику в 1920-х гг. окончательно вошла новая элементарная частица, названная фотоном (от греческого слова, означающего «свет»).

Фотон, как и любая другая квантовая частица, имеет и волновые, и корпускулярные свойства одновременно, так что в затянувшемся почти на два века споре между сторонниками волновой и корпускулярной теорий света все оказались по-своему правы. В обычной жизни корпускулярные свойства света не проявляются, поскольку мы имеем дело с фотонами не поодиночке, а сразу с большим количеством, воспринимаемым как световая волна. Известно, что электромагнитная волна характеризуется круговой частотой о), интенсивностью и скоростью распространения с, имеющей фундаментальный смысл предельной скорости распространения взаимодействий (современное значение ). Соответствующие волне фотоны имеют энергию и импульс (современное значение постоянной Планка Дж с). Например, максимум излучения Солнца приходится на свет с длиной волны К см, чему соответствует круговая частота Гц. Энергия таких фотонов Дж. Солнечная постоянная, т. е. энергия, падающая в единицу времени на единицу площади земной поверхности, равна , откуда можно вычислить, что в 1 с на падает огромное число фотонов, около . В то же время в опытах с элементарными частицами детекторы регистрируют фотоны поодиночке, и даже человеческий глаз в принципе способен на это.

Число фотонов не постоянно, они могут рождаться и уничтожаться в процессах взаимодействия, например в процессе аннигиляции (см. Антивещество) , - символы электрона и позитрона, - символ фотона, гамма-кванта). И здесь и в эффекте Комптона фотоны выступают как реальные наблюдаемые частицы. Кроме того, фотоны могут существовать в ненаблюдаемом, виртуальном состоянии, перенося электромагнитные взаимодействия.

Свойства фотона как элементарной частицы уходят своими корнями в классическую электродинамику. Фотон электрически нейтрален, его заряд равен нулю. (В противном случае две электромагнитные волны могли бы взаимодействовать друг с другом, а поле двух зарядов уже не являлось бы суммой полей каждого из них в отдельности.) Фотон также не имеет никаких других зарядов: как говорят, он истинно нейтрален и тождествен своей античастице (см. Антивещество). Зарядовая четность фотона равна -1, что следует из очевидного факта изменения направления электрического и магнитного полей на противоположные при изменении знаков всех зарядов какой-либо системы. Сохранение зарядовой четности в электромагнитных взаимодействиях, связанное с симметрией между электронами и их античастицами - позитронами, приводит к определенным ограничениям на реакции. Например, некоторые системы частиц могут распадаться лишь на четное число фотонов, а другие - лишь на нечетное (см. Антивещество).

Особенно хорошо изучены процессы взаимодействия фотонов с электронами и позитронами - это так называемая квантовая электродинамика, предсказания которой проверены в экспериментах с огромной точностью.

Масса покоя фотона равна нулю. Это означает, что фотон невозможно ни остановить, ни замедлить. Независимо от своей энергии он обречен двигаться с фундаментальной скоростью с. Если предположить наличие у фотона некоторой малой, но все же конечной массы , то можно исследовать возникающие при этом наблюдаемые эффекты. Как и у обычных частиц, скорость фотонов тогда должна была бы зависеть от их энергии (т. е. от длины волны излучения) и быть всегда меньше с. Эффект дисперсии электромагнитных волн в вакууме можно было бы в принципе обнаружить по излучению пульсаров. Образно говоря, синие лучи придут к наблюдателю раньше красных. При тех огромных расстояниях, которые отделяют нас от пульсаров, время прибытия должно было бы заметно различаться даже при небольших отличиях в скоростях разных лучей.

Наличие у фотона конечной массы покоя привело бы к появлению конечного радиуса действия электромагнитных сил. В самом деле, если заряд испускает виртуальный фотон, то возникает неопределенность в энергии , и по соотношению неопределенностей такой фотон может существовать лишь в течение времени . За это время он пройдет расстояние, не большее , после чего должен поглотиться другим зарядом.

Человеку свойственно пытаться объяснять законы, в соответствии с которыми живет окружающий мир. На заре Сознания все наблюдаемые приписывались целому сонму различных гром, молния, ветер - все они обязаны своим возникновением именно божествам. Затем мистика уступила место науке. Хотя она еще была в зачаточном состоянии, тем не менее, уже позволяла пытливым умам объяснить часть природных явлений, при этом не прибегая к богам. Особый интерес представлял видимый свет. В попытках его хоть как-то объяснить, было выдвинуто предположение, согласно которому он является непрерывным потоком каких-то мельчайших частиц-корпускулов. Данной модели придерживался и активно ее отстаивал И. Ньютон. А раз есть частица, значит она должна каким-либо образом характеризоваться.

Каждый знает, что если подставить руку под солнечные лучи, то ощущается тепло. Известно, что этот возможно благодаря излучению. Но как именно излучение переносит тепло? Так и была открыта энергия фотона - сначала косвенным методом. А сама частица получила название «квант света». Энергия фотона широко используется в современной технике: к примеру, именно она запускает механизм автоматического открывания дверей в крупных торговых точках.

Возможность невозможного

Итак, фотон - это частица света, квант энергии. Однако дальнейшие исследования заставили усомниться в точности корпускулярной модели. Сначала на некоторые необычные свойства указал Гюйгенс, а затем Юнг своим опытом с несколькими щелями обнаружил явление интерференции и на его основании блестяще доказал…волновую природу света. Казалось бы - можно ставить точку, однако все оказалось намного сложнее. Трудно поверить, но фотон проявляет свойства как частицы, так и волны, причем одновременно. Результат любого эксперимента зависит от ожиданий самого исследователя. Мысль и намерение каким-то образом трансформируют частицу в волну и обратно. Энергия фотона при этом остается неизменной и может быть вычислена в рамках классической электромагнитной теории.

Термин «скорость света» непосредственно связан с фотонами. Собственно, 300 тыс. км/с - это та скорость, с которой движутся эти не обладающие массой частицы. Их существование неразделимо с движением: уже при своем возникновении фотоны перемещаются, формируя луч.

Энергия фотона

Энергия, скорость и масса связаны между собой знаменитой E=mc2. Дополнив ее постоянной Планка, получаем:

где v - длина волны светового излучения (частота фотона); h - константа Планка.

Повторимся, что так как данная частица существует только в движении, то полученное значение применимо именно для такого состояния.

Очевидно, что с увеличением (рост частоты) становится больше и энергия. Однако человеческий глаз способен улавливать фотоны с относительно малыми собственными энергиями. Это объясняется значением константы Планка, которая представлена числом в -34 степени, что дает крайне малую энергию. Например, наиболее интенсивный цвет - зеленый. Но даже его энергия составляет 4*10 в степени -19 Джоулей.

Послесловие

Переход от классической механики к современной квантовой, в которой практически все процессы микромира могут быть объяснены в рамках соответствующих моделей, продолжался до 1900-х годов. Одна часть физиков придерживалась высказанной Эйнштейном, а другая же - волновой модели света, предложенной Максвеллом. Окончательно современное представление о фотоне установилось после эксперимента с его рассеянием электроном (так как последний находится вне атома, то для него неприменимо понятие энергетических оболочек).

Свет и тепло, вкус и запах, цвет и информация - все это неразрывно связано с фотонами. Более того, жизнь растений, животных и человека невозможна без этой удивительной частицы.

Считается, что во Вселенной около 20 миллиардов фотонов приходится на каждый протон или нейтрон. Это фантастически огромная цифра.

Но что мы знаем об этой самой распространённой частице в окружающем нас мире?

Одни учёные считают, что скорость движения фотона равна скорости света в вакууме, т.е. примерно 300 000 км/сек и это максимально возможная скорость во Вселенной.

Другие учёные полагают, что во Вселенной достаточно примеров, в которых скорости частиц выше, чем скорость света.

Одни учёные считают, что фотон электрически нейтрален.

Другие - полагают, что фотон имеет электрический заряд (по некоторым данным, менее 10 -22 эВ/сек 2).

Одни учёные считают, что фотон является безмассовой частицей и по их мнению масса фотона в состоянии покоя равна нулю.

Другие - полагают, что у фотона есть масса. Правда, очень и очень небольшая. Этой точки зрения придерживается и ряд исследователей, по разному определяя массу фотона: менее чем 6 х 10 -16 эВ, 7 х 10 -17 эВ, 1 х 10 -22 эВ и даже 3 х 10 -27 эВ, что в миллиарды раз меньше массы электрона.

Одни учёные считают, что в соответствии с законами отражения и преломления света, фотон представляет собой частицу, т.е. корпускулу. (Евклид, Лукреций, Птолемей, И. Ньютон, П. Гассенди)

Другие (Р. Декарт, Р. Гук, Х. Гюйгенс, Т. Юнг и О. Френель), опираясь на явления дифракции и интерференции света, полагают, что фотон имеет волновую природу.

При излучении или поглощении атомными ядрами и электронами, а также при фотоэффекте фотон ведет себя как частица.

А при прохождении через стеклянную призму или небольшое отверстие в преграде фотон демонстрирует свои яркие волновые свойства.

Компромиссное решение французского ученого Луи де Бройля, в основе которого лежит корпускулярно-волновой дуализм, утверждающий, что фотоны обладают и свойствами частицы, и свойствами волны, не является ответом на этот вопрос. Корпускулярно-волновой дуализм - это лишь временная договорённость , основанная на абсолютном бессилии учёных ответить на этот крайне важный вопрос.

Конечно, эта договорённость несколько успокоила ситуацию, но не решила проблемы.

Исходя из этого, мы можем сформулировать первый вопрос , связанный с фотоном

Вопрос первый .

Фотоны - это волны или частицы? А, может быть, и то, и другое или не то и не другое?

Далее. В современной физике фотон - это элементарная частица, представляющая собой квант (порцию) электромагнитного излучения . Свет также является электромагнитным излучением и фотон принято считать переносчиком света. В нашем сознании это достаточно твердо укрепилось и фотон, прежде всего, связывают со светом.

Вместе с тем, кроме света существуют другие виды электромагнитного излучения: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучения. Они отличаются друг от друга длиной волны, частотой, энергией и имеют свои особенности.

Виды излучений и их краткие характеристики

Переносчиком всех видов электромагнитного излучения является фотон. Он, по мнению ученых, един для всех. Вместе с тем, каждый вид излучения характеризуется разной длиной волны, частотой колебания и разной энергией фотонов. Значит, разными фотонами? Казалось бы, количеству различных видов электромагнитных волн должно соответствовать равное количество различных видов фотонов. Но фотон в современной физике пока только один.

Получается научный парадокс - излучения разные, их свойства тоже разные, а фотон, который переносит эти излучения, единый.

Например, гамма-излучение и рентгеновское излучение преодолевают преграды, а ультрафиолетовое и инфракрасное излучения и видимый свет, имея большую длину волны, но меньшую энергию - нет. Вместе с тем, микроволновое и радиоволновое излучения имеют еще большую длину волны и еще меньшую энергию, но преодолевает толщу воды и бетонные стены. Почему?

Проникающие способности фотонов при различных излучениях

Здесь возникают сразу два вопроса.

Вопрос второй .

Действительно ли все фотоны одинаковы во всех видах излучений?

Вопрос третий .

Почему фотоны одних видов излучений преодолевают преграды, а других видов излучений - нет? В чем дело - в излучениях или в фотонах?

Существует мнение, что фотон - это мельчайшая бесструктурная частица во Вселенной. Наука пока ещё не смогла определить что-либо, что было бы меньше фотона. Но так ли это? Ведь в свое время и атом считался неделимым и мельчайшим в окружающем нас мире. Поэтому логичен и четвёртый вопрос:

Вопрос четвёртый .

Является ли фотон мельчайшей и бесструктурной частицей или он состоит из ещё более мелких образований?

Кроме того, считается, что масса покоя фотона равна нулю, а в движении у него проявляется и масса, и энергия. Но тогда возникает и

вопрос пятый:

фотон - это материальная частица или нет? Если фотон материален, то куда пропадает его масса в покое? Если он не материален, то почему фиксируются его вполне материальные взаимодействия с окружающим нас миром?

Итак, перед нами пять загадочных вопросов, связанных с фотоном. И они на сегодняшний день не имеет своих четких ответов. За каждым из них стоят свои проблемы. Проблемы, которые мы постараемся сегодня рассмотреть.

В своих путешествиях «Дыхание Вселенной», «Глубины Вселенной» и «Силы Вселенной» мы через призму устройства и функционирования Вселенной достаточно глубоко рассматривали все эти вопросы. Мы проследили весь путь формирования фотонов от возникновения фундаментальных частиц - эфирных вихревых сгустков до галактик и их скоплений. Смею надеяться, что у нас получилась достаточно логичная и системно обустроенная картина мира. Поэтому предположение о строении фотона стало логическим шагом в системе знаний о нашей Вселенной.

Строение фотонов

Фотон предстал перед нами не как частица и не как волна, а как вращающаяся конусообразная пружинка, с расширяющимся началом и с сужающимся концом .

Пружинная конструкция фотона позволяет ответить практически на все вопросы, возникающие при изучении явлений природы и результатов экспериментов.

Мы уже упоминали, что переносчиками различных видов электромагнитного излучения являются фотоны. Вместе с тем, несмотря на то, что науке известны различные виды электромагнитного излучения: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, микроволновое излучение и радиоизлучение, фотоны-переносчики, которые задействованы в этих процессах не имеют своих разновидностей. То есть, по мнению некоторых ученых любой вид излучения переносится неким универсальным видом фотонов, который одинаково успешно проявляет себя и в процессах гамма-излучения, и в процессах радиоизлучения, и в любых других видах излучений.

Не могу согласиться с этой позицией, так как природные явления свидетельствуют о том, что все известные электромагнитные излучения существенно отличаются друг от друга не только параметрами (длиной волны, частотой, энергетическими возможностями), но и своими свойствами. Например, гамма-излучение легко проникает сквозь любые преграды, а видимое излучение этими преградами так же легко останавливается.

Следовательно, в одном случае фотоны могут переносить излучение сквозь преграды, а в другом, те же фотоны уже бессильны что-либо преодолеть. Этот факт заставляет задуматься о том, действительно ли фотоны столь универсальны или же они имеют свои разновидности, согласующиеся со свойствами различных электромагнитных излучений во Вселенной.

Полагаю правильным, каждому виду излучения определить свою разновидность фотонов. К сожалению, такой градации пока в современной науке не имеется. Но это не только легко, но и крайне необходимо исправить. И это вполне понятно, так как излучения и их параметры изменяются, а фотоны в современной интерпретации представлены лишь одним общим понятием - «фотоном». Хотя, надо признать, что с изменением параметров излучений в справочной литературе изменяются и параметры фотонов.

Ситуация подобна применению общего понятия «автомобиль» ко всем его маркам. Но эти марки различны. Мы можем приобрести «Ладу», «Мерседес», «Вольво» или «Тойоту». Все они подходят под понятие «автомобиль», но все они разные и по виду, и по техническим характеристикам, и по стоимости.

Поэтому, будет логично, если в качестве переносчиков гамма-излучения мы предложим фотоны гамма-излучения, рентгеновского излучения - фотоны рентгеновского излучения, ультрафиолетового излучения - фотоны ультрафиолетового излучения и т.д. Все эти виды фотонов будут отличаться друг от друга длиной витков (длиной волны), скорости вращения (частотой колебания) и энергией, которую они переносят.

Фотоны гамма-излучения и рентгеновского излучения представляют собой сжатую пружинку с минимальными размерами и с концентрированной энергией в этом маленьком объеме. Поэтому они проявляют свойства частицы и легко преодолевают препятствия, продвигаясь между молекулами и атомами вещества.

Фотоны ультрафиолетового излучения, видимый свет и фотоны инфракрасного излучения - это та же пружинка, только растянутая. Энергия в этих фотонах осталась прежней, но она распределилась по более вытянутому телу фотона. Увеличение длины фотона позволяет ему проявлять свойства волны. Однако, увеличение диаметра фотона не позволяет ему проникать между молекулами вещества.

Фотоны микроволнового и радиоизлучений имеют ещё более растянутую конструкцию. Длина радиоволн может достигать нескольких тысяч километров, но они имеют самую небольшую энергию. Они легко проникают сквозь преграды, как бы вкручиваясь в вещество преграды, обходя молекулы и атомы вещества.

Во Вселенной все виды фотонов постепенно преобразуется из фотонов гамма-излучения. Фотоны гамма-излучения первичны. При движении в пространстве уменьшается скорость их вращения и они последовательно преобразуются в фотоны рентгеновского излучения, а те, в свою очередь - в фотоны ультрафиолетового излучения, которые преобразуются в фотоны видимого света и т.д.

Поэтому, фотоны гамма-излучения преобразуются в фотоны рентгеновского излучения. Эти фотоны будут иметь более протяженную длину волны и меньшую частоту вращения. Затем, фотоны рентгеновского излучения преобразуются в фотоны ультрафиолетового излучения, а они - в видимый свет и т.д.

Наиболее яркий пример этого преобразования в динамике мы можем наблюдать при ядерном взрыве.

Ядерный взрыв и зоны его поражающего действия

В процессе ядерного взрыва в течение нескольких секунд поток фотонов гамма-излучения проникает в окружающую среду на расстояние примерно 3 км. Далее, гамма-излучение прекращается, но фиксируется рентгеновское излучение. Полагаю, что при этом фотоны гамма-излучения преобразовываются в фотоны рентгеновского излучения, а они, последовательно, в фотоны ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Поток фотонов соответственно вызывает возникновение поражающих факторов ядерного взрыва - проникающую радиацию, световое излучение и пожары.

В работе «Глубины Вселенной» мы детально рассмотрели строение фотонов и процессы их формирования и функционирования. Нам стало понятным, что фотоны состоят из разного диаметра кольцеобразных энергетических фракций, соединенных друг с другом.

Строение фотона

Фракции формируются из фундаментальных частиц - мельчайших эфирных вихревых сгустков, которые представляют собой эфирные плотн ости. Эти эфирные плотности вполне материальны, как материален эфир и весь окружающий нас мир. Эфирные плотности определяют показатели массы эфирных вихревых сгустков. Масса сгустков составляет массу фракций, а они массу фотона. И не важно в движении или в покое он находится . Поэтому фотон вполне материален и имеет свою вполне определенную массу и в покое, и в движении .

Мы уже получили прямое подтверждение нашего представления о строении фотона и о его составе в ходе экспериментов. Надеюсь, что в скором будущем мы опубликуем все полученные результаты. Более того, подобные результаты были получены и в заграничных лабораториях. Так что, есть основания предполагать, что мы находимся на верном пути.

Итак, мы ответили на ряд вопросов о фотоне.

Фотон, в нашем понимании, - это не частица и не волна, а пружинка, которая в различных условиях может сжиматься до размеров частиц, а может и растягиваться, проявляя свойства волны.

Фотоны имеют свои разновидности в зависимости от вида излучений и могут быть фотонами гамма-излучения, фотонами рентгеновского излучения, фотонами ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и микроволнового излучений, а также фотонами радиоизлучения.

Фотон материален и имеет массу. Он не является мельчайшей частицей во Вселенной, а состоит из эфирных вихревых сгустков и энергетических фракций.

Понимаю, что это несколько неожиданная и непривычная трактовка фотона. Однако, я исхожу не из общепринятых правил и постулатов, принятых уже много лет назад без связи с процессами общего развития мира. А из логики, которая исходит из законов устройства мира, которые являются ключом от двери, ведущей к Истине.

Вместе с тем, в 2013 году были вручены Нобелевские премии по физике Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, которые в 1964 году независимо друг от друга предположили существование в природе еще одной частицы - нейтрального бозона, который с легкой руки нобелевского лауреата Л. Ледермана была названа «частицей Бога», то есть той первоосновы, того первого кирпичика, из которого был сконструирован весь наш окружающий мир. В 2012 году, проводя эксперименты по сталкиванию на больших скоростях пучков протонов два опять же независимых научных сообщества опять же практически одновременно проанонсировали обнаружение частицы, параметры которой совпали между собой и соответствовали значениям, предсказанным П. Хиггсом и Ф. Энглером.

В качестве такой частицы выступал зарегистрированный в ходе экспериментов нейтральный бозон, время жизни которого было не более 1,56 х 10 -22 секунд, а масса более чем в 100 раз превышала массу протона. Этой частице приписывали возможность сообщать массу всему тому материальному, что есть в этом мире - от атома до скопления галактик. Более того, предполагалось, что эта частица является прямым свидетельством наличия некого гипотетического поля, проходя через которое все частицы приобретают вес. Вот такое волшебное открытие.

Однако, всеобщая эйфория от этого открытия длилась недолго. Потому что появились вопросы, которые не могли не появиться. Действительно, если бозон Хиггса реально является «частицей Бога», то почему его «жизнь» столь скоротечна? Понимание Бога всегда связывалось с вечностью. Но если вечен Бог, то и любая Его частица тоже должна быть вечна. Это было бы логично и понятно. Но «жизнь» бозона длительностью в долю секунды с двадцатью двумя нулями после запятой не очень вяжется с вечностью. Даже мгновением это назвать трудно.

Более того, если уж и говорить о «частице Бога», то необходимо четко понимать, что она должна находиться во всем, что нас окружает и представлять собой самостоятельную, долгоживущую и минимально возможную объемную сущность, составляющую все известные частицы нашего мира.

Из этих божественных частиц постепенно шаг за шагом должен был бы строиться наш мир. Из них должны состоять частицы, из частиц - атомы и так до звезд, галактик и Вселенной. Все известные и неизвестные поля так же должны быть связаны с этой волшебной частицей и передавать не только массу, но и любое другое взаимодействие. Думаю, это логично и не противоречит здравому смыслу. Потому что, коль уж мы связываем эту частицу с божественным началом, то должны иметь и адекватный ответ на наши ожидания.

Однако, мы уже видели, что масса бозона Хиггса значительно превосходит даже массу протона. Но как же из большого можно построить малое? Как уместить слона в мышинной норке?! Никак.

Вся эта тема, честно признаться, не очень прозрачна и обоснованна. Хотя, может быть я что-то и не совсем понимаю в силу своей недостаточной компетенции, но тем не менее, бозон Хиггса, по моему глубокому убеждению, под «частицу Бога» не очень-то подходит.

Другое дело фотон. Эта замечательная частица полностью преобразила жизнь человека на планете.

Благодаря фотонам различных излучений мы видим окружающий нас мир, наслаждаемся солнечным светом и теплом, мы слушаем музыку и смотрим телевизионные новости, диагностируем и лечим, проверяем и дефектуем металлы, заглядываем в космос и проникаем в глубь вещества, общаемся друг с другом на расстоянии по телефону… Жизнь без фотонов была бы немыслима. Они не просто часть нашей жизни. Они - наша жизнь.

Фотоны, по сути, - главный инструмент общения Человека с окружающим его миром. Только они позволяют нам окунуться в окружающий нас мир и при помощи зрения, обоняния, осязания и вкуса понять его и восхититься его красотой и многокрасочностью. Все это, благодаря им - фотонам.

И еще. Это, наверное, главное. Только фотоны несут свет! А по всем религиозным канонам Бог и породил этот свет. Более того, Бог - и есть свет!

Ну, как здесь пройти мимо искушения и не назвать фотон реальной «частицей Бога»! Фотон и только фотон может претендовать на это высочайшее звание! Фотон - это свет! Фотон - это тепло! Фотон - это все буйство красок мира! Фотон - это благоуханные запахи и тонкие вкусы! Жизни без фотонов - не бывает! А если и бывает, то кому она нужна такая жизнь. Без света и тепла, без вкуса и запаха. Никому.

Поэтому, если уж и говорить о частице Бога , то надо говорить только о фотоне - об этом удивительном подарке, переданном нам Высшими Силами. Но и то, только аллегорически. Потому что у Бога не может быть частиц. Бог един и целостен и Его нельзя разделить ни на какие частицы.

В современной трактовке гипотеза квантов утверждает, что энергия E колебаний атома или молекулы может быть равна h ν, 2h ν, 3h ν и т.д., но не существует колебаний с энергией в промежутке между двумя последовательными целыми, кратными . Это означает, что энергия не непрерывна, как полагали на протяжении столетий, а квантуется , т.е. существует лишь в строго определенных дискретных порциях. Наименьшая порция называется квантом энергии . Гипотезу квантов можно сформулировать и как утверждение о том, что на атомно-молекулярном уровне колебания происходят не с любыми амплитудами. Допустимые значения амплитуды связаны с частотой колебания ν .

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта). Согласно теории Эйнштейна, свет с частотой ν не только испускается , как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами) , энергия которых . Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (с ). Квант электромагнитного излучения получил название фотон .

Как мы уже говорили, испускание электронов с поверхности металла под действием падающего на него излучения соответствует представлению о свете как об электромагнитной волне, т.к. электрическое поле электромагнитной волны воздействует на электроны в металле и вырывает некоторые из них. Но Эйнштейн обратил внимание на то, что предсказываемые волновой теорией и фотонной (квантовой корпускулярной) теорией света детали фотоэффекта существенно расходятся.

Итак, мы можем измерить энергию вылетевшего электрона, исходя из волновой и фотонной теории. Чтобы ответить на вопрос, какая теория предпочтительней, рассмотрим некоторые детали фотоэффекта.

Начнем с волновой теории, и предположим, что пластина освещается монохроматическим светом . Световая волна характеризуется параметрами: интенсивностью и частотой (или длиной волны ). Волновая теория предсказывает, что при изменении этих характеристик происходят следующие явления:

· при увеличении интенсивности света число выбитых электронов и их максимальная энергия должны возрастать, т.к. более высокая интенсивность света означает большую амплитуду электрического поля, а более сильное электрическое поле вырывает электроны с большей энергией;

выбитых электронов; кинетическая энергия зависит только от интенсивности падающего света.

Совершенно иное предсказывает фотонная (корпускулярная) теория. Прежде всего, заметим, что в монохроматическом пучке все фотоны имеют одинаковую энергию (равную h ν). Увеличение интенсивности светового пучка означает увеличение числа фотонов в пучке, но не сказывается на их энергии, если частота остается неизменной. Согласно теории Эйнштейна, электрон выбивается с поверхности металла при соударении с ним отдельного фотона. При этом вся энергия фотона передается электрону, а фотон перестает существовать. Т.к. электроны удерживаются в металле силами притяжения, для выбивания электрона с поверхности металла требуется минимальная энергия A (которая называется работой выхода и составляет, для большинства металлов, величину порядка нескольких электронвольт). Если частота ν падающего света мала, то энергии и энергии фотона недостаточно для того, чтобы выбить электрон с поверхности металла. Если же , то электроны вылетают с поверхности металла, причем энергия в таком процессе сохраняется, т.е. энергия фотона (h ν) равна кинетической энергии вылетевшего электрона плюс работе по выбиванию электрона из металла:

(2.3.1)

Уравнение (2.3.1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

На основе этих соображений, фотонная (корпускулярная) теория света предсказывает следующее.

1. Увеличение интенсивности света означает увеличение числа налетающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов. Но так как энергия фотонов одна и та же, максимальная кинетическая энергия электрона не изменится (подтверждается I закон фотоэффекта ).

2. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов линейно возрастает в соответствии с формулой Эйнштейна (2.3.1). (Подтверждение II закона фотоэффекта ). График этой зависимости представлен на рис. 2.3.

,

Рис. 2.3

3. Если частота ν меньше критической частоты , то выбивание электронов с поверхности не происходит (III закон ).

Итак, мы видим, что предсказания корпускулярной (фотонной) теории сильно отличаются от предсказаний волновой теории, но очень хорошо совпадают с тремя экспериментально установленными законами фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна было подтверждено опытами Милликена, выполненными в 1913–1914 гг. Основное отличие от опыта Столетова в том, что поверхность металла подвергалась очистке в вакууме. Исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и определялась постоянная Планка h .

В 1926 г. российские физики П.И. Лукирский и С.С. Прилежаев для исследования фотоэффекта применили метод вакуумного сферического конденсатора. Анодом служили посеребренные стенки стеклянного сферического баллона, а катодом – шарик (R ≈ 1,5 см) из исследуемого металла, помещенного в центр сферы. Такая форма электродов позволяла увеличить наклон ВАХ и тем самым более точно определить задерживающее напряжение (а следовательно, и h ). Значение постоянной Планка h , полученное из этих опытов, согласуется со значениями, найденными другими методами (по излучению черного тела и по коротковолновой границе сплошного рентгеновского спектра). Все это является доказательством правильности уравнения Эйнштейна, а вместе с тем и его квантовой теории фотоэффекта.

Для объяснения теплового излучения Планк предположил, что свет испускается квантами. Эйнштейн при объяснении фотоэффекта предположил, что свет поглощается квантами. Также Эйнштейн предположил, что свет и распространяется квантами, т.е. порциями. Квант световой энергии получил название фотон . Т.е. опять пришли к понятию корпускула (частица).

Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте, в котором использовался метод совпадения (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Тонкая металлическая фольга Ф помещалась между двумя газоразрядными счетчиками Сч . Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновских лучей (это явление называется рентгеновской флуоресценцией). Вследствие малой интенсивности первичного пучка, количество квантов, испускаемых фольгой, было невелико. При попадании квантов на счетчик механизм срабатывал и на движущейся бумажной ленте делалась отметка. Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, оба счетчика должны были срабатывать одновременно и отметки на ленте приходились бы одна против другой. В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок. Это можно объяснить лишь тем, что в отдельных актах испускания возникают световые частицы, летящие то в одном, то в другом направлении. Так было экспериментально доказано существование особых световых частиц – фотонов.

Фотон обладает энергией . Для видимого света длина волны λ = 0,5 мкм и энергия Е = 2,2 эВ, для рентгеновских лучей λ = мкм и Е = 0,5 эВ.

Фотон обладает инертной массой , которую можно найти из соотношения :

;

(2.3.2)

Фотон движется со скоростью света c = 3·10 8 м/с. Подставим это значение скорости в выражение для релятивистской массы:

.

Фотон – частица, не обладающая массой покоя. Она может существовать, только двигаясь со скоростью света c .

Найдем связь энергии с импульсом фотона.

Мы знаем релятивистское выражение для импульса:

.

(2.3.3)

И для энергии:

.

(2.3.4)

Фотон является безмассовой частицей и способен существовать только в вакууме. Также он не имеет никаких электрических свойств, то есть его заряд равен нулю. В зависимости от контекста рассмотрения существует различные трактовки описания фотона. Классическая (электродинамика) представляет его как электромагнитную волну, имеющую круговую поляризацию. Также фотон проявляет свойства частицы. Такое двойственное представление о нем называется корпускулярно-волновым дуализмом. С другой стороны, квантовая электродинамика описывает частицу фотона как калибровочный бозон, позволяющий формировать электромагнитное взаимодействие.

Среди всех частиц Вселенной фотон имеет максимальную численность. Спин (собственный механический момент) фотона равен единице. Также фотон может находиться только в двух квантовых состояния, одно из которых имеет проекцию спина на определенное направление, равную -1, а другое – равную +1. Данное квантовое свойство фотона отражается в его классическом представлении как поперечность электромагнитной волны. Масса покоя фотона равна нулю, из чего следует его скорость распространения, равная скорости света.

Частица фотона не имеет электрических свойств (заряда) и достаточно стабильна, то есть фотон не способен самопроизвольно распадаться в вакууме. Данная частица излучается во многих физических процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, а также энергетических скачках ядра атома или самого атома из одного состояния в другое. Также фотон способен поглощаться при обратных процессах.

Корпускулярно-волновой дуализм фотона

Корпускулярно-волновой дуализм, свойственный фотону, проявляется в многочисленных физических экспериментах. Фотонные частицы участвуют в таких волновых процессах, как дифракция и интерференция, когда размеры препятствий (щелей, диафрагм) сравнимы с размером самой частицы. Особенно это ярко заметно в опытах с дифракцией одиночных фотонов на единственной щели. Также точечность и корпускулярность фотона проявляется в процессах поглощения и излучения объектами, размеры которых гораздо меньше длины волны фотона. Но с другой стороны, представление фотона как частицы тоже не является полноценным, ибо оно опровергается корреляционными экспериментами, основанными на запутанных состояниях элементарных частиц. Поэтому принято рассматривать частицу фотона, в том числе, и как волну.

Видео по теме

Источники:

• Фотон 1099: всё о машине

Главное квантовое число - это целое число , которое является определением состояния электрона на энергетическом уровне. Энергетический уровень – это набор стационарных состояний электрона в атоме с близкими значениями энергии. Главное квантовое число определяет удаленность электрона от ядра, и характеризует энергию электронов, которые этот уровень занимают.

Совокупность чисел, которые характеризуют состояние , называются квантовыми числами. Волновую функцию электрона в атоме, его уникальное состояние определяют четыре квантовых числа – главное, магнитное, орбитальное и сплин – момент движения элементарной , выраженный в количественном значении. Главное квантовое число имеет n .Если главное квантовое число увеличивается, то соответственно увеличивается и орбита, и энергия электрона. Чем меньше значение n, тем больше значение энергетического взаимодействия электрона . Если суммарная энергия электронов является минимальной, то состояние атома называется невозбужденным или основным. Состояние атома с высоким значением энергии называется возбужденным. На уровне самое большое число электронов можно определить формулой N = 2n2.Когда случается переход электрона с одного энергетического уровня на другой, изменяется и главное квантовое число .В квантовой теории утверждение, что энергия электрона квантуется, то есть может принимать лишь дискретные, определенные значения. Чтобы знать состояние электрона в атоме необходимо учитывать энергию электрона, форму электронного и других параметров. Из области натуральных чисел, где n может быть равно 1 и 2, и 3 и так далее, главное квантовое число может принимать какое угодно значение. В квантовой теории энергетические уровни обозначают буквами, значение n - числами. Номер периода, где находится элемент, равен числу энергетических уровней в атоме, находящемся в основном состоянии. Все энергетические уровни состоят из подуровней. Подуровень состоит из атомных орбиталей, которые определяются, характеризуются главным квантовым число м n, орбитальным число м l и квантовым число м ml. Число подуровней каждого уровня не превышает значение n.Волновое уравнение Шредингера является самым удобным электронного строения атома.

Квантовая физика стала огромным толчком для развития науки в XX веке. Попытка описать взаимодействие мельчайших частиц совершенно иным образом, с помощью квантовой механики, когда некоторые проблемы классической механики уже казались неразрешимыми, произвела настоящую революцию.

Причины возникновения квантовой физики

Физика – , описывающая законы, по которым функционирует мир. Ньютоновская, или классическая возникла еще в Средние века, а ее предпосылки можно было видеть в древности. Она отлично объясняет все, что происходит на масштабах, воспринимаемых человеком без дополнительных измерительных приборов. Но люди столкнулись с множеством противоречий, когда начали изучать микро- и макромир, исследовать как мельчайшие частицы, из которых состоит вещество, так и гигантские галактики, окружающие родной человеку Млечный путь. Оказалось, что классическая физика подходит не для всего. Именно так появилась квантовая физика – наука, квантово-механические и квантово-полевые системы. Технические приемы для изучения квантовой физики – это квантовая механика и квантовая теория поля. Они также используются и в других, смежных разделах физики.

Основные положения квантовой физики, в сравнении с классической

Тем, кто только знакомится с квантовой физикой, ее положения нередко кажутся нелогичными или даже абсурдными. Однако, вникая в них глубже, проследить логику уже гораздо проще. Проще всего узнавать основные положения квантовой физики, сравнивая ее с классической.

Если в классической считается, что природа неизменна, какими бы способами ученые ее ни описывали, то в квантовой физике результат наблюдений будет очень сильно зависеть от того, каким способом измерения пользоваться.

Согласно законам механики Ньютона, которые являются основой классической физики, частица (или материальная точка) в каждый момент времени имеет определенное положение и скорость. В квантовой механике это не так. В ее основе – принцип суперпозиции расстояний. То есть, если квантовая частица может пребывать в одном и в другом состоянии, то, значит, она может пребывать и в третьем состоянии – сумме двух предыдущих (это называется линейная комбинация). Поэтому нельзя точно определить, где будет находиться частица в определенный момент времени. Можно лишь вычислить вероятность ее пребывания где бы то ни было.

Если в классической физике можно построить траекторию движения физического тела, то в квантовой – только распределение вероятностей, которое будет изменяться во времени. При этом максимум распределения всегда находится там, где его определяет классическая механика! Это очень важно, так как позволяет, во-первых, проследить связь между классической и квантовой механикой, а во-вторых, показывает, что они не противоречат друг другу. Можно сказать, что классическая физика является частным случаям квантовой.

Вероятность в классической физике появляется, когда исследователю неизвестны какие-то свойства объекта. В квантовой физике вероятность фундаментальна и присутствует всегда, независимо от степени незнания.

В классической механике допускаются любые значения энергии и скорости для частицы, а в квантовой – только определенные значения, «квантованные». Их называют собственными значениями, каждому из которых соответствует собственное состояние. Квант – это «порция» какой-либо величины, которую нельзя разделить на составляющие.

Один из фундаментальных принципов квантовой физики – Принцип неопределенности Гейзенберга. Речь в нем идет о том, что никак не получится одновременно выяснить и скорость, и положение частицы. Измерить можно только лишь что-то одно. Причем, чем лучше прибор измерит скорость частицы, тем меньше будет известно о ее положении, и наоборот.

Дело в том, что для того, чтобы частицу измерить, нужно на нее «посмотреть», то есть, отправить в ее сторону частицу света – фотон. Этот фотон, про который исследователю все известно, столкнется с измеряемой частицей и изменит свои и ее свойства. Это примерно то же самое, что измерять скорость движущегося автомобиля, посылая другой автомобиль с известной скоростью ему навстречу, а потом, по изменившейся скорость и траектории второго автомобиля исследовать первый. В квантовой физике исследуются настолько малые объекты, что даже фотоны – частицы света – изменяют их свойства.