Основные сведения о фотонах в физике

Физические свойства фотона

Свойства фотона:

• не имеет массу, это безмассовая нейтральная частица;
• движется со скоростью света, в вакууме его скорость равна 299 792 458 м\с;
• существует только в движении. Частица может либо двигаться со скоростью света, либо она не существует. Следствие этого: масса покоя частицы равна нулю;
• переносит энергию и импульс;
• может поглощаться и генерироваться;
• взаимодействует с другими частицами — фотоны могут из атома выбивать электроны, сообщая им энергию для выхода при столкновении;
• владеет собственным моментом импульса, называемым спином;
• вес фотона не может превышать 10-18 электрон-вольт;
• фотон имеет радиус rф~10-18м.

Корпускулярно-волновой дуализм

Основные статьи: Корпускулярно-волновой дуализм, Связанные когерентные состояния

Фотону свойствен корпускулярно-волновой дуализм.
С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной волны фотона.
Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.
.
Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон излучается или поглощается целиком объектами, причём размеры которых много меньше длины волны фотона (например, атомами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Энергия и импульс фотона

Фотоны обладают определенной энергией и импульсом. Когда свет испускается или поглощается, он ведет себя подобно не волне, а потоку частиц, имеющих энергию Е = hν, которая зависит от частоты. Оказалось, что порция света по своим свойствам напоминает то, что принято называть частицей. Поэтому свойства света, обнаруживаемые при его излучении и поглощении, стали называть корпускулярными. Сама же световая частица была названа фотоном, или квантом электромагнитного излучения.

Как частица, фотон обладает определенной порцией энергии, которая равна hν. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую частоту:ω=2πν

При этом в формуле для энергии фотона в качестве коэффициента пропорциональности (постоянной Планка) используется другая величина, обозначаемая ℏ и равная:

ℏ=h2π..≈1,0545726·10−34(Дж·с)

Учитывая это, формула для определения энергии фотона примет вид:

Е=ℏω

Согласно теории относительности, энергия частиц связана с массой следующим соотношением:

Е=mс2

Так как энергия фотона равна hν, то, следовательно, его масса m получается равной:

m=hνс2..

У фотона нет собственной массы, поскольку он не может существовать в состоянии покоя. Появляясь, он уже имеет скорость света. Поэтому формула выше показывает только массу движущегося фотона.

По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс:

p=mc=hνc..=hλ..

Внимание! Вектор импульса фотона всегда совпадает с направлением распространения луча света. Чем больше частота ν, тем больше энергия Е и импульс р фотона и тем отчетливее свет проявляет свои корпускулярные свойства

Из-за того что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незначительна. К примеру, фотоны, свойственные зеленому свету, имеют энергию, равную всего 4∙10–19 Дж. Несмотря на это, человеческий глаз способен различать изменение освещенности, даже если оно измеряется единичными квантами

Чем больше частота ν, тем больше энергия Е и импульс р фотона и тем отчетливее свет проявляет свои корпускулярные свойства. Из-за того что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незначительна. К примеру, фотоны, свойственные зеленому свету, имеют энергию, равную всего 4∙10–19 Дж. Несмотря на это, человеческий глаз способен различать изменение освещенности, даже если оно измеряется единичными квантами.

Пример №1. Каков импульс фотона, если длина световой волны λ = 5∙10–7 м?

Дополнительная информация[править | править код]

• Clauser, JF. (1974). «Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect». Phys. Rev. D 9: 853—860.
• Kimble, HJ; Dagenais M, and Mandel L. (1977). «Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence». Phys. Rev. Lett. 39: 691.
• Grangier, P; Roger G, and Aspect A. (1986). «Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences». Europhysics Letters 1: 501—504.
• Thorn, JJ; Neel MS, Donato VW, Bergreen GS, Davies RE and Beck M. (2004). «Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory». American Journal of Physics 72: 1210—1219.
• A. Pais Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. — Oxford University Press, 1982. — С. 364—388, 402—415.о книге Интересная история о становлении теории фотона.
• «Нобелевская лекция Рея Глаубера (]) «100 лет кванту света»». 8 December . Ещё одно изложение истории фотона, ключевые фигуры, создавшие теорию когерентных состояний фотона.

Ссылки

• Все экспериментально измеренные свойства фотона на сайте Particle Data Group{(англ.)
• MISN-0-212 Characteristics of Photons (PDF file) by Peter Signell and Ken Gilbert for Project PHYSNET.
• How to entangle photons experimentally
• Макеев А. К. Синергия сферовекторных фракталов мироздания. — Агентство научно-технической информации. Научно-техническая библиотека. Дата публикации 20 апреля 2011. – 1093 с.
• Макеев А. К. Нормальная и патологическая анатомия и физиология человеческой личности и социума. Фундаментальные знания о качествах личности человека, человеческого общества и основах управления обществом, производством и поступками людей, основанных на универсальном алгоритме голографического строения и функции всех уровней и форм материи. // Научно-техническая библиотека. – 25 июля 2012. – 364 с.

Фундаментальные частицы — легкие элементарные частицы
Кварки: u-кварк · d-кварк · s-кварк · c-кварк · b-кварк · t-кварк
Лептоны: Электрон · Мюон · Тау-лептон · Электронное нейтрино · Мюонное нейтрино · Тау-нейтрино
Античастицы
Антикварки: u-антикварк · d-антикварк · s-антикварк · c-антикварк · b-антикварк · t-антикварк
Антилептоны: Позитрон · Антимюон · Анти тау-лептон · Электронное антинейтрино · Мюонное антинейтрино · Анти тау-нейтрино
Калибровочные бозоны: Фотоны · W и Z бозоны · Глюоны
До сих пор не обнаружены: Бозон Хиггса · Гравитон · Другие гипотетические частицы

Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна

Квантовая статистика, применяемая к системам частиц с целочисленным спином, была предложена в 1924 году индийским физиком Ш. Бозе для квантов света и развита А. Эйнштейном для всех бозонов. Электромагнитное излучение внутри некоторого объёма можно рассматривать как идеальный газ, состоящий из совокупности фотонов, практически не взаимодействующих друг с другом. Термодинамическое равновесие этого фотонного газа достигается путём взаимодействия со стенками полости. Оно наступает тогда, когда стенки излучают в единицу времени столько же фотонов, сколько поглощают. При этом внутри объёма устанавливается определённое распределение частиц по энергиям. Бозе получил планковский закон излучения абсолютно чёрного тела, вообще не используя электродинамику, а просто модифицировав подсчёт квантовых состояний системы фотонов в фазовом пространстве. В частности, было установлено, что число фотонов в абсолютно чёрной полости, энергия которых приходится на интервал от до , равно:

,

где — объём полости, — постоянная Дирака, — температура равновесного фотонного газа (совпадает с температурой стенок).

В состоянии равновесия электромагнитное излучение в абсолютно чёрной полости (так называемое тепловое равновесное излучение, или чернотельное излучение) описывается теми же термодинамическими параметрами, что и обычный газ: объёмом, температурой, энергией, энтропией и др. Излучение оказывает давление ~P на стенки, так как фотоны обладают импульсом. Связь этого давления с температурой отражена в уравнении состояния фотонного газа:

,

где — постоянная Стефана — Больцмана.

Эйнштейн показал, что эта модификация эквивалентна признанию того, что фотоны строго тождественны друг другу, а между ними подразумевается наличие «таинственного нелокального взаимодействия», сейчас понимаемого как требование симметричности квантовомеханических состояний относительно перестановки частиц. Эта работа в конечном счёте привела к созданию концепции когерентных состояний и способствовала изобретению лазера. В этих же статьях Эйнштейн расширил представления Бозе на элементарные частицы с целым спином (бозоны) и предсказал явление массового перехода частиц вырожденного бозонного газа в состояние с минимальной энергией при понижении температуры до некоторого критического значения (конденсация Бозе — Эйнштейна). Этот эффект в 1995 году наблюдался экспериментально, а в 2001 году авторам эксперимента была присуждена Нобелевская премия. В современном понимании бозоны, коими в том числе являются и фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, а фермионы, например, электроны, — статистике Ферми — Дирака.

Метки

Адсорбция
Библия
Броуновское движение
Вращение Земли
Гравитационная постоянная
Гравитация
Граница Мохоровичича (Мохо)
Давление света
ЗЭТ
Закон Всемирного Тяготения
Землетрясение
Землетрясения
Земля
Ломоносов
Магнитные полюса
Масса
Планеты
Почему не падают облака
Смена магнитных полюсов
Солнце
Тепловой терминатор
Трансформатор Тесла
Тунгусский метеорит
Фотонно-квантовая гравитация
Эффект Мёссбаура
гравитон
детонация
зона электрических токов
крафон
магнитное поле Земли
молекулярно-кинетическая теория
постоянная гравитации
притяжение
серебристые облака
температура
теплота
теплота трение
термон
тяготение
фотон
электромагнитные волны
эффект гравитационного смещения

Попытки опровержения гипотезы фотона

Файл:Bohr-atom-PAR.svg

До 1923 года большинство физиков отказывались верить в то, что электромагнитное излучение обладает квантовыми свойствами. Вместо этого они склонны были объяснять поведение фотонов квантованием материи, как, например, в модели атома водорода, предложенной Бором. Хотя все полуклассические модели были опровергнуты экспериментами, они привели к созданию квантовой механики.

Как упомянуто в нобелевской лекции Роберта Милликена, предсказания, сделанные в 1905 г. Эйнштейном, были проверены экспериментально несколькими независимыми путями в первые два десятилетия 20-го века. тем не менее, до знаменитого эксперимента Комптона
большинство физиков неохотно соглашались с идеей
корпускулярной природы электромагнитного излучения.
(См., например, Нобелевскую лекцию Вильгельма Вина,Макса Планка и
Роберта Милликена.) Это неприятие объяснялось успехами волновой теории света Максвелла.
Многие физики считали, что квантование энергии в процессах излучения и
поглощения света являлось следствием неких свойств вещества, излучающего или поглощающего свет. Нильс Бор, Арнольд Зоммерфельд и другие создали модели атома с дискретными уровнями энергии, которые объясняли наличие спектров излучения и поглощения у атомов и, более того, находились в прекрасном согласии с наблюдаемым спектром водорода (правда, получить спектры других атомов в этих моделях не удавалось). Только рассеяние фотона свободным электроном (который не имеет внутренней структуры и, соответственно, не может иметь энергетических уровней) заставило многих поверить в квантовую природу света.

Презентация на тему: » «Энергия, масса и импульс фотона. Давление света».» — Транскрипт:

1

«Энергия, масса и импульс фотона. Давление света»

2

Задачи по квантовой физике

3

Импульс фотона

4

Масса фотона Фотон это элементарная частица, которая всегда движется со скоро­стью света, а если остановится (что невозможно), то масса фотона станет нулевой, то есть масса покоя будет равняться 0. Масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя. Это частица, способная существовать и иметь массу только двигаясь со скоростью света!

5

Давление света если фотон имеет импульс, следовательно свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. Согласно квантовой теории, каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс. Впервые гипотеза о световом давлении была высказана в 1619 г. немецким ученым И. Кеплером ( ) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца

6

Давление света на рисунке υ — направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны). В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствия

7

Опыты П.Н.Лебедева Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н.Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.Дж. МаксвелломП. Н.Лебедевым Опыты П. Н. Лебедева экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсомП. Н. Лебедева

8

Размеры крыльчатки: Высота – 4 см Ширина – 2 см Диаметр крылышек – 0,5 см Толщина крылышек – 0,1 – 0,01 мм Трудности: 1) давление света мало 2) радиометрический эффект 3) Конвекционные потоки воздуха Устранение: тонкие крылышки, вакуум, большой сосуд, светофильтры ИК

9

Давление света. Опыт Лебедева Опыт Крукса: Маленький пропеллер, состоящий из четырех лепестков, расположен на игле, которая накрыта стеклянным колпаком. Если осветить этот пропеллер светом, то он начинает вращаться.

10

Схема опыта П.Н. Лебедева Давление света зависит от коэффициента отражения поверхности: А) при отражении от зеркальной поверхности крылышко (2) получает импульс р 2 2 р. Б) поверхность чёрного крылышка (1) поглощает свет и р 1 р. При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).

11

Световое давление

12

Задача 1

Постоянное излучение

Постоянная фотонная составная часть не меняется, в ней сосредоточена большая часть солнечного источника. Солнце излучает фотоны как основные элементарные частицы фотосферой, в то время как хромосфера и корона мало участвуют в данном процессе. Фотосфера активнее всего участвует в этом, излучая световые и инфракрасные кванты электромагнитного излучения.

Состав и строение Солнца (излучающей части):

• фотосфера — видимая часть звезды;
• хромосфера — внешняя  оболочка толщиной около 10 000 км;
• корона — самая внешняя часть атмосферы выше  10 000 км.

Если солнечный фотон получил энергию от свободного электрона в фотосфере и чем больше была скорость движения электрона, тем больше получил этот фотон. Свою кинетическую  и энергию связи электрон передал ему при соединении с атомом водорода.

Большинство фотонов Солнца рождается в гранулах. Можно сказать, что их родителями являются атомы водорода и электроны. В результате их соединения возникает атом водорода с отрицательным зарядом — отрицательный ион. При этом освобождается энергия электрона в виде кванта электромагнитного излучения.  Собственно говоря, это — последняя стадия излучения фотона и его прощание с Солнцем. До этого в недрах светила он много раз излучался, поглощался и снова излучался…

Если электрон в фотосфере захвачен водородным атомом, он излучает всю свою энергию:  связи и кинетическую. Неподвижный электрон излучает только энергию связи в виде инфракрасного фотона. Энергия такого кванта электромагнитного излучения слишком мала, так что наш глаз не может его видеть, но мы все-таки ощущаем его тепло.

Электрон, находящийся в движении, обладает кроме этого еще кинетической энергией. Чем быстрее движется электрон, тем больше его кинетическая составляющая.
Свободный электрон может обладать различной энергией. Если он находится в состоянии покоя, излученный фотон несет лишь энергию связи. Но электроны в фотосфере движутся с разной скоростью и имеют, следовательно, разную кинетическую составляющую. Поэтому возникшие фотоны обладают различной энергией.  Все вместе они создают свет. Солнце излучает фотоны через фотосферу  всех цветов, в том числе и инфракрасные (при участии медленных электронов) и близкие ультрафиолетовые (при участии самых быстрых электронов).

Так рождаются солнечные фотоны, несущие нам с Солнца энергию, а вместе с ней и тепло, свет, движение, — короче говоря, жизнь.

Без них мы не могли бы существовать. Поэтому человек должен знать их не столь сложную историю.

Примечания[править | править код]

1. ↑ Cocconi, G (1992). «Upper Limits on the Electric Charge of the Photon». American Journal of Physics 60: 750—751.Kobychev, V V; Popov, S B (2005). «Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources». Astronomy Letters 31: 147—151. DOI:10.1134/1.1883345.Altschul, B (2007). «Bound on the Photon Charge from the Phase Coherence of Extragalactic Radiation». Physical Review Letters 98: 261801. Ошибка цитирования Неверный тег : название «chargeless» определено несколько раз для различного содержимого
2. ↑ Einstein, A (1905). «Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trans. A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light)». Annalen der Physik 17: 132—148. (German). An English translation is available from Wikisource.
3. Einstein, A (1909). «Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trans. The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation)». Physikalische Zeitschrift 10: 817—825. (German). An English translation is available from Wikisource.
4. Einstein, A (1916a). «Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie». Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18: 318. (German)
5. Einstein, A (1916b). «Zur Quantentheorie der Strahlung». Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich 16: 47. Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121—128 (1917). (German)
6. Lewis, GN (1926). «The conservation of photons». Nature 118: 874—875.

7. См. масса в теории относительности для обсуждения связи между массой покоя и релятивистcкой массой.

8. Заметим, что при аннигиляции образуется два фотона (а не один), поскольку в системе центра масс сталкивающихся частиц их суммарный импульс равен нулю, а один рожденный фотон всегда будет иметь ненулевой импульс. Закон сохранения импульса требует рождения, как минимум, двух фотонов с нулевым общим импульсом. Энергия фотонов (и, следовательно, их частота) определяется законом сохранения энергии

9. Этот процесс является преобладающим при распространении гамма-лучей высоких энергий через вещество.

10. ↑ «Robert A. Millikan’s Nobel Lecture». Delivered 23 May
    .
11. Compton, A (1923). «A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements». Physical Review 21: 483—502.
12. «Wilhelm Wien Nobel Lecture». Delivered 11 December .
13. «Max Planck’s Nobel Lecture». Delivered 2 June .
14. Taylor, GI (1909). «Interference fringes with feeble light». Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 15: 114—115.

История названия и обозначения

Фотон изначально был назван «световым квантом» (das Lichtquant) его первооткрывателем, Альбертом Эйнштейном. Современное название, которое «фотон» получил от греческого слова φῶς, «phōs» (означает свет), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом, который опубликовал теорию в которой фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми». Хотя теория Льюиса никогда не использовалась, так как находилась в противоречии с экспериментами, термин фотон начал использоваться большинством физиков.

В физике, фотон обычно означается символом (греческая буква гамма). В химии и оптической инженерии для фотонов часто используют обозначение где — постоянная Планка и (греческая буква ню) — частота фотонов (произведение этих двух величин есть энергия фотона).

Постоянная Планка и фотон

В последние годы XIX ст. было обнаружено, что свет, выходящий из отверстия в нагретом полом теле, не имеет характеристических линий испускания — его интенсивность плавно изменяется с изменением длины волны, причем такое распределение интенсивности света зависит от температуры и не зависит от природы нагретого тела. Физики- теоретики, занимавшиеся проблемой испускания света нагретыми телами, еще до 1900 г. пришли к выводу, что на основании представлений об испускании и поглощении света колеблющимися молекулами нагретого тела они не могут объяснить наблюдаемое распределение энергии излучения. Тогда немецкий физик Макс Планк (1858—1947) высказал мысль о возможности создания удовлетворительной теории при допущении, что нагретые тела не могут испускать или поглощать свет определенной длины волны в произвольно малых количествах, а должны испускать или поглощать лишь определенный квант света, характерный для данной длины волны. Хотя теория Планка не требовала считать сам свет состоящим из порций энергии — световых квантов или фотонов, Эйнштейн уже в 1905 г. указал на ряд других обстоятельств, подтверждающих эту концепцию.

Планк установил, что количество световой энергии, поглощаемой или излучаемой твердым телом за один акт, пропорционально частоте ν (равной cλ):

E=h·ν (3.2)

В этом уравнении Е — количество световой энергии с частотой ν, излученной или поглощенной в единичном акте, и h— константа пропорциональности. Постоянная h— одна из фундаментальных постоянных природы; на ней покоится вся квантовая теория. Ее называют постоянной Планка; она имеет следующее значение:

h=0,66252·10-33 Дж·с. (3.3)

Из приведенных соотношений видно, что свет с более короткими длинами волн состоит из больших квантов энергии, а свет с более длинными волнами состоит из меньших квантов энергии. Некоторые опыты, позволяющие определить величины таких квантов энергии, описаны в следующем разделе.

Фотон как квант изменения ориентации, и (или) направления, и (или) скорости движения места положения инерции-массы материальных микро и макро объектов мироздания и внутренних структурных отдельностей этих объектов

Фотон является квантом (порцией) энергии изменения ориентации, и или направления, и (или) величины вектора-импульса (скорости) термодинамических объектов — объектов, имеющих электрический заряд или в среднем электрически нейтральных (то есть, со взаимной «компенсацией» противоположно вращающихся вихрей подквантов своей структуры), но имеющих электрически заряженные — закрученные в вихри структурные отдельности. В частности, изменения величины скорости и (или) направления движения места положения инерции-массы материальных микро и макро объектов всех видов и форм времени-бытия всех масштабных уровней материи в материи среды-пространства, а также структурных отдельностей внутренней среды самих материальных объектов.

Можно сказать, что фотон есть квант автовзаимных отношений внешних (экстрасферовекторных — извне к объекту) и внутренних (интросферовекторных — от объекта вовне) инерциальных систем отсчёта микро и макро объектов мироздания относительно самого себя и относительно других объектов, а также инерциальной системы отсчёта среды нахождения к находящимся в этой среде объектам. Квант изменения движения местоположения и, возможно, квант энергии-массы.

Предполагается, что фотон есть пакет вихрей подквантов материи: вихря подквантового сферического электрического конденсатора (например, вылетающего вовне из вихря подквантов электрона или влетающего в вихрь подквантов электрона извне) и его трекового «следа» в материи диэлектрика вакуума — вихря подквантового цилиндрического электрического конденсатора в автовзаимном комплементарном взаимодействии с магнитным вихрем как витой парой противоположно вращающихся и параллельно летящих подквантовых электрических конденсаторов — магнитного вихря, являющегося следствием прецессии (спина?) оси вращения вихря подквантового сферического электрического конденсатора.

Как фотоны преобразуются в материю?

Как следует из названия коллайдера, ускорение ионов – это ускорение атомных ядер, лишенных своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (внутри ядра) имеют заряд положительный, в результате процесса Брейта-Уилера остается ядро с положительным зарядом. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона.

В ходе исследования команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов, и мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они генерируют круговое магнитное поле, которое может быть таким же мощным, как перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут создавать электромагнитные частицы, или фотоны.

Диаграмма, показывающая, как близкое попадание ионов золота приводит к столкновениям фотонов. (Изображение предоставлено исследователями Брукхейвенской лаборатории)

Вот где происходит волшебство: когда два иона просто разминулись, два их облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения обнаружить невозможно, но возникающие в результате электрон-позитронные пары поддаются наблюдению. «Однако одного обнаружения электрон-позитронной пары недостаточно», – пишут авторы исследования.

Дело в том, что фотоны, образующиеся в результате электромагнитного взаимодействия, являются виртуальными фотонами, ненадолго появляющимися и исчезающими, и не имеют той же массы, что и их «реальные» аналоги. А для наблюдения процесса Брейта-Уилера должны столкнуться два реальных фотона, а не виртуальных.

Процесс Брайта-Уилера

Но при релятивистских скоростях виртуальные частицы могут вести себя как настоящие фотоны. К счастью, теперь физики могут определить, какие пары электрон-позитрон образуются в процессе Брейта-Уилера: они проанализировали 6000 пар электронов и позитронов, которые образовались в ходе столкновения ядер атомов золота на коллайдере (RHIC). Также физики измерили все распределения энергии, массы и квантовые числа систем.

Следует также отметить, что работа команды в высшей степени убедительна – по крайней мере, она показывает, что исследователи идут по правильному пути. Ну а пока они будут продолжать наблюдения за созданием материи, мы смело можем ожидать дальнейших и удивительных открытий.

Фотоны

Подробности

Просмотров: 505

«Физика — 11 класс»

В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц.

Энергия и импульс фотона

При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией Е = hν, зависящей от частоты.
Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей.
Свойства света, обнаруживаемые при его излучении и поглощении, назвали корпускулярными.
Сама же световая частица была названа фотоном, или квантом электромагнитного излучения.

Фотон, подобно частице, обладает определенной порцией энергии hν.
Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую частоту ω = 2πν.

При этом в формуле для энергии фотона в качестве коэффициента пропорциональности вместо величины h используют величину (читается: аш с чертой), равную, по современным данным

Энергия фотона:

Согласно теории относительности энергия всегда связана с массой соотношением Е = mс2.
Так как энергия фотона равна hν, то, следовательно, масса фотона m:

У фотона нет собственной массы, он не существует в состоянии покоя и при рождении сразу имеет скорость с.
Масса фотона — это масса движущегося фотона.

Импульс фотона:

Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча.

Чем больше частота ν, тем больше энергия Е и импульс р фотона и тем отчетливее проявляются корпускулярные свойства света.
Из-за того что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незначительна.
Фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию 4 • 10-19 Дж.

В опытах С. И. Вавилов установил, что человеческий глаз, этот точнейший из «приборов», способен реагировать на различие освещенностей, измеряемое единичными квантами.

Корпускулярно-волновой дуализм

Законы теплового излучения и фотоэффекта можно объяснить только на основе представления, согласно которому свет — это поток частиц-фотонов.
Однако явления интерференции и дифракции света свидетельствуют и о волновых свойствах света.
Свет обладает, таким образом, своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств.

При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные.
Это, конечно, странно и непривычно, так как частица и волна абсолютно разные физические объекты.

Гипотеза де Бройля

Может быть, электрон и другие частицы обладают также и волновыми свойствами?
Такую необычную мысль высказал в 1923 г. французский ученый Луи де Бройль.

Предположив, что с движением частиц связано распространение некоторых волн, де Бройль сумел найти длину волны этих волн.

Связь длины волны с импульсом частицы оказалась точно такой же, как и у фотонов.

Формула де Бройля:

Если длину волны обозначить через λ, а импульс — через р, то

Эта знаменитая формула де Бройля — одна из основных в физике микромира.

Предсказанные де Бройлем волновые свойства частиц впоследствии были обнаружены экспериментально.
Наблюдалась, в частности, дифракция электронов и других частиц на кристаллах.
При этом получалась картина, подобная той, которая характерна для рентгеновских лучей, причем справедливость формулы де Бройля была доказана экспериментально.

Эти необычные свойства микрообъектов описываются с помощью квантовой механики — современной теории движения микрочастиц.
Механика Ньютона здесь в большинстве случаев неприменима.

Итак,
Фотон — элементарная частица, не имеющая массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом.
Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами.
Поглощение и излучение электромагнитной энергии отдельными порциями — проявление корпускулярных свойств электромагнитного поля.

Корпускулярно-волновой дуализм — общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне.

Следующая страница «Применение фотоэффекта»

Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Световые кванты. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Фотоэффект —
Теория фотоэффекта —
Фотоны —
Применение фотоэффекта —
Давление света. Химическое действие света —
Краткие итоги главы