что такое фотон в физике простыми словами
Что такое фотон в физике?
Фотон – это частица света, определенная как дискретный пучок (или квант) электромагнитной (или световой) энергии. Фотоны всегда находятся в движении, даже в вакууме (абсолютно пустом пространстве), имеют постоянную скорость света для всех наблюдателей и равен 2,998 х 108 м/с.
Основные свойства фотонов
Согласно фотонной теории света, фотоны:
История фотонов
Термин “фотон” был придуман Гилбертом Льюисом в 1926 году, хотя понятие света в форме дискретных частиц существовало на протяжении веков и было формализовано в ньютоновской конструкции науки оптики.
Однако в 1800-х годах волновые свойства света (под которыми понимается электромагнитное излучение в целом) стали очевидными, и ученые по существу выбросили теорию частиц света из окна. Только когда Альберт Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект, теория частиц вернулась.
Корпускулярно-волновая двойственность
Как уже упоминалось выше, свет обладает свойствами как волны, так и частицы. Это было поразительное открытие и безусловно, находится за пределами того, как мы обычно воспринимаем вещи. Бильярдные шары действуют как частицы, а океаны – как волны.
Одним из следствий этой корпускулярно-волновой двойственности (или корпускулярно-волновой двойственности) является то, что фотоны, хотя и рассматриваются как частицы, могут иметь частоту, длину волны, амплитуду и другие свойства, присущие волновой механике.
Фотон
На 99,99% вся видимая нами Вселенная описывается электромагнитным фундаментальным взаимодействием. Простыми словами – все, что мы наблюдаем, с чем мы сталкиваемся и воспринимаем – проявления электромагнетизма. А значит все эти процессы можно свести к двум частицам – электрону и фотону, как переносчику электромагнитных волн.
В авангардной физике сейчас даже существуют гипотезы, что абсолютно все частицы и поля можно свести к фотонам. Один из аргументов – при аннигиляции любых частиц образуется пара гамма-квантов, высокоэнергетичных фотонов. Давайте же разберемся, что это за фундаментальная частица, фотон, и какие он имеет свойства?
Немного истории
Средневековье ознаменовалось таким громким и неоднозначным научным диспутом,
Ярым сторонником волновой гипотезы был Христиан Гюйгенс
как корпускулярно-волновой дуализм света. Ученые того времени никак не могли сойтись – свет представляет собой поток частиц или же волны? И у сторонников первой, и второй идеи были свои аргументы. Ярым сторонником волновой гипотезы был Гюйгенс, а корпускулярной – колосс Ньютон.
После долгих споров и поломанных копий, первенство взяла корпускулярная гипотеза. Хоть доводов было примерно поровну (возможно, у “волновиков” их было даже больше), к ней склонились из-за огромного авторитета Исаака Ньютона, отца современной физики и вообще – научного метода познания мира.
Триумф корпускулярной гипотезы длился порядка 200 лет, пока досконально не исследовали дифракцию и интерференцию света. А эти явления, как известно, присущи только волнам. В итоге к концу 19-го века первенство опять захватили “волновики” и сомнений уже почти не было.
В начале двадцатого века Альберт Эйнштейн начал изучать фотоэффект
Пока в начале двадцатого века Альберт Эйнштейн не начал изучать фотоэффект, а Макс Планк – энергию абсолютно черного тела. Ведь если бы свет был волнами – формулы говорили, то энергия абсолютно черного тела равна бесконечности! В результате изучения этих парадоксов и изучения дуализма – родились главные теории современной физики – квантовая механика и теория относительности.
Сегодня мы знаем, что фотон, как и другие квантовые системы – строго говоря, не является ни частицей, ни волной в нашем узком понимании. Вернее, он проявляет и те и другие свойства, и вопрос – свет волна или частицы, не имеет смысла. Квантовые системы проявляет свойства частиц или волн в зависимости от обстоятельств, это фундаментальное свойство нашей Вселенной.
Физические свойства фотона
Фотон – это бесмассовая частица (не имеет массы покоя), не имеющая электрического заряда, он может существовать только передвигаясь со скоростью света. В квантовой электродинамике фотон относится к калибровочным бозонам (частицы, имеющие целый спин). Простыми словами – он является переносчиком фундаментального электромагнитного поля. Несмотря на это, полная энергия фотона рассчитывается в зависимости от частоты колебаний. Самые низко энергетические частицы имеют маленькую частоту (например, радиоволны), и высоко энергетические – большую частоту (рентгеновское и гамма излучение). Данная зависимость, соответственно, обратно пропорциональна длине волны.
Фотон явно или косвенно участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. Кроме электромагнетизма – это сильное (фоторождение пи-мезонов) и гравитационное отклонение света.
Следует отметить, что фотон стоит особняком от остальных элементарных частиц. Во-первых, это истинно нейтральная незаряженная частица. То есть, он не имеет своего анти-партнера даже гипотетически, принципиально. Во-вторых, нулевая масса фотона породила многолетние споры – так уж она полностью ли она нулевая? В итоге все-таки оказалось, что полностью.
Интересные факты и эксперименты с фотонами
Когда в начале 20 го века начала зарождаться квантовая механика, уже было известно, что в веществе существует так называемое спонтанное излучение. То есть, любой объект, состоящий из атомов и поглощающий свет – точно также излучает его. Механизм спонтанного излучения сформировали Дирак и Эйнштейн. Оказалось, что когда атом поглощает фотон, его электрон переходит на новый уровень, а перейти из этого нового “возбужденного” состояния он может тоже только излучив фотон.
Эйнштейн, работая с этими процессами поглощения и излучения света веществом, заметил очень интересную вещь. Оказывается, если атомы вещества привести в возбужденное энергетическое состояние заранее и облучать их светом – происходит цепное “клонирование” фотонов и формируется вынужденное (индуцированное) излучение. Теоретически его предсказал Эйнштейн, а позже этот механизм смогли реализовать на практике – так появились лазеры и мазеры.
Кратко механизм можно описать так – если атом в верхнем возбужденном состоянии поглощает фотон, он испускает его в таком же направлении, фазе, поляризации и импульсе, как и поглощенный. В результате образуется “лавина” одинаковых и однонаправленных фотонов – когерентное излучение.
Как упоминалось выше, интересная ситуация возникла с массой покоя фотона. Несмотря на то, что формулы квантовой механики говорили, что она “обязана” быть равной нулю, сомнения все же оставались. Пока не провели эксперимент, который показал, что если бы масса покоя у фотона была (пусть даже ничтожно мала) – на ночном небе галактики были бы размыты из-за дисперсии света в вакууме.
Еще одну уникальную вещь заметил все тот же гений Эйнштейна. Он предположил, что если бозоны (а фотон, как мы помним, бозон) охладить почти до абсолютного нуля – все частицы перейдут в состояние с минимально возможной энергией и образуется новый вид материи. Этот вид назвали конденсат Бозе-Эйнштейна.
Сейчас уже экспериментально получен конденсат для многих видов бозонов, в том числе и фотонов. Одними из многих присущих ему свойств являются сверхтекучесть и сверхпроводимость. С этими явлениями ученые связывают большие надежды в развитии технологий и науки в целом.
И напоследок рассмотрим такой интересный факт, как вклад фотонов в массу системы. Парадоксально, но безмассовые частицы вносят свою лепту в суммарную массу макроскопического объекта. Ее можно считать энергией молекулярных связей между электронами атомов. Ведь, если система испустит фотон, ее энергия уменьшится, а по формуле Е=мс2, соответственно, и масса.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Что такое фотон в физике простыми словами
Фотон. Строение фотона. Принцип перемещения.
Часть 1. Исходные данные.
Часть 2. Основные принципы строения фотона.
Часть 3. Квант энергии и квант массы.
Часть 4. Основные принципы перемещения фотона.
Часть 1. Исходные данные.
1.2. Фотон не может быть разделен на несколько частей и не распадается спонтанно в вакууме.
1.3. Фотон является истинно электронейтральной частицей. Скорость перемещения (движения) фотона в вакууме равна «с».
1.6. Фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм:
— с одной стороны фотоны демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной волны фотона;
— с другой стороны фотон ведет себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами) или считаются точечными (электрон).
1.7. Учитывая тот факт, что одиночные фотоны демонстрирует свойства волны, вполне достоверно можно утверждать, что фотон представляет собой «миниволну» (отдельный, компактный «кусочек» волны). При этом должны учитываться следующие свойства волн:
б) половина энергии электромагнитных волн (и фотона) является магнитной.
в) для характеристики интенсивности волнового процесса используют три параметра: амплитуда волнового процесса, плотность энергии волнового процесса и плотность потока энергии.
1.8. Кроме того, при рассмотрении схемы строения фотона и принципа его перемещения были учтены следующие данные:
б) график изменения поля фотона никак не может быть куском обрезанной синусоиды, т.к. в местах обрезки возникали бы бесконечные силы;
Рис. 1. Фотон является материальной частицей и представляет собой компактный (имеющий начало и конец), неделимый «кусочек» волны, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. Магнитные поля условно не показаны.
Часть 2. Основные принципы строения фотона.
2.2. Таким образом, учитывая вышесказанное можно сделать вполне однозначный вывод: фотон является компактной (имеющий начало и конец), материальной частицей, у которой материя представляет собой совокупность двух электрических (плюс-минус) и двух магнитных (N-S) полей, способных распространяться от своих источников без затуханий (в вакууме) на сколь угодно большие расстояния. См. рис.2.
Рис.2. Фотон представляет собой совокупность двух электрических полей (плюс и минус) и двух магнитных полей (N и S). При этом полностью соблюдается общая электронейтральность фотона. В данной работе принимается, что электрическое поле-минус стыкуется с магнитным полем-N, а электрическое поле-плюс стыкуется с магнитным полем-S.
Часть 3. Квант энергии и квант массы.
3.1. С одной стороны фотон представляет собой компактную, неделимую частицу, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. То есть фотон имеет вполне реальный линейный размер (начало и конец).
Рис.3.
а) «нормальный» фотон (электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля);
б) тот же фотон из «усреднённых» квантов. Можно допустить, что любой фотон состоит из вполне определенного количества абсолютно одинаковых «усреднённых» элементарных квантов энергии;
а) элементарный квант невозможно разделить на две равные части, поскольку это автоматически будет являться нарушением закона сохранения заряда;
б) от элементарного кванта также невозможно «отрезать» более мелкую часть, поскольку это автоматически приведет к изменению значения постоянной Планка (фундаментальной константы) для этого кванта.
Часть 4. Основные принципы перемещения фотона.
4.1. Перемещение материального фотона-частицы может осуществляться только двумя способами:
Вариант-1: фотон перемещается по инерции;
Вариант-2: фотон является самодвижущейся частицей.
4.2. По неизвестным причинам, именно инерционное движение электромагнитных волн (и фотонов) либо подразумевается, либо упоминается и графически показывается практически во всех статьях по электромагнитным волнам, например: Wikipedia. Electromagnetic radiation. English. См. рис.4.
Рис.4. Пример инерционного перемещения фотона (Wikipedia. Electromagnetic radiation). Фотон перемещается мимо наблюдателя слева направо со скоростью V = «с». При этом все лепестки синусоиды не меняют своих параметров, то есть: в системе отсчёта фотона они абсолютно неподвижны.
4.3. Однако инерционное движение фотона невозможно, например, по следующей причине: при прохождении фотона сквозь препятствие (стекло) его скорость уменьшается, но после прохождения препятствия (одного или нескольких) фотон вновь «мгновенно» и восстанавливает свою скорость до «с» = const. При инерциальном движении такое самостоятельное восстановление скорости невозможно.
4.4. «Мгновенный» набор скорости фотоном (до «с» = const) после прохождения препятствия возможен только при условии, если сам фотон является самодвижущейся частицей. При этом механизмом самопередвижения фотона может являться только переполюсовка имеющихся в наличии электрических (плюс и минус) и магнитных (N и S) полей с одновременным смещением фотона на полпериода, то есть с удвоенной частотой (2* f ). См. рис.5.
4.5. Объяснение механизма перемещения фотона основывалось на следующих данных:
а) электромагнитное поле фотона представляет собой совокупность переменных электрических (плюс-минус) и магнитных (N и S) полей;
в) магнитное поле появляется только при наличии изменяющегося во времени электрического поля и наоборот (всякое изменение электрического поля возбуждает магнитное поле и, в свою очередь, изменение магнитного поля возбуждает поле электрическое). Поэтому магнитные поля фотона могут возникнуть только при наличии у фотона переменных по знаку и изменяющихся во времени электрических полей (в системе отсчёта фотона).
4.6. При объяснении механизма переполюсовки фотона рассматривались следующие варианты:
а) наличие свободного пространства впереди фотона. Фотон представляет собой компактный, неделимый «кусочек» волны в виде синусоиды, у которой электромагнитные поля возрастает от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. То есть: «тело» фотона имеет вполне реальную геометрическую длину (начало и конец). Движение фотона происходит за счёт перемещения фотона на расстояние одного полупериода (1/2L) за каждый акт переполюсовки. И это перемещение всегда может происходить только в одну сторону (вперед), где перед фотоном имеется в наличии свободное пространство;
5.1. Фотон является локализованной (компактной) материальной частицей, у которой материя представляет собой совокупность двух электрических (плюс и минус) и двух магнитных (N и S) полей, значения которых возрастают от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля. При этом полностью соблюдается общая электронейтральность фотона.
5.2. В результате основного фундаментального превращения в Природе нематериальная кинетическая энергия заряженной частицы преобразуется в материальную энергию электрических и магнитных полей фотона. Фотон материален и состоит из вполне определенного количества абсолютно одинаковых «усреднённых» элементарных квантов энергии, которые автоматически являются элементарными квантами массы.
5.3. Фотон является самодвижущейся частицей способной перемещаться от своего источник на сколь угодно большие расстояния (в вакууме). Ему не требуется среда для своего перемещения. Движение фотона происходит за счёт переполюсовки переменных электрических (плюс-минус) и магнитных (N и S) полей, во время которой фотон смещается на расстояние одного полупериода за каждый акт переполюсовки.
5.4. В данной работе принимается, что в каждом элементарном кванте электрическое поле-минус стыкуется с магнитным полем-N, а электрическое поле-плюс стыкуется с магнитным полем-S. Другие варианты стыковки полей требуют дополнительных проработок и в данной работе не рассматривались.
Фотон
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Корпускулярно-волновой дуализм
Вопрос, на который вам однозначно не ответит никто: «Свет — это частица или волна?». Это очень сложный вопрос, на который ученые давно пытаются ответить.
В XVII веке Исаак Ньютон предложил модель, в которой свет — поток мельчайших корпускул (частиц). Это позволяло просто объяснить многие характерные свойства света. Например, прямолинейность световых лучей и закон отражения, согласно которому угол отражения света равен углу падения. Это соотносится с законом сохранения импульса, которому подчиняются частицы.
Но есть такие явления, как интерференция и дифракция. Они совсем не вписываются в корпускулярную теорию.
Осторожно: дальше много сложных терминов! Но на элективном курсе по физике за 10 класс можно разобраться даже в сложном материале вместе с опытным преподавателем.
Интерференция и дифракция
Интерференция — это явление, при котором происходит наложение двух волн и образуются так называемые «максимумы» и «минимумы» — самые светлые и самые темные участки. Выглядит это так:
В жизни вы это встречали, например, если видели разлитый бензин или пускали мыльные пузыри. Это все следствие интерференции света.
Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как случай интерференции ограниченных в пространстве волн.
Дифракция — это явление огибания препятствий, которые возникают перед волной. Благодаря дифракции свет может огибать препятствие и попадать туда, где с точки зрения геометрии должна быть тень.
В XIX веке появилась волновая теория света, которая объясняла дифракцию и интерференцию. Согласно этой теории, свет — частный случай электромагнитных волн, то есть процесса распространения электромагнитного поля в пространстве.
Волновая оптика вообще казалась в то время каким-то чудом, потому что она объясняла не только те явления, которые не объясняла корпускулярная теория, но и вообще все известные на то время световые эффекты. Даже законы геометрической оптики можно было доказать через волновую оптику.
Казалось бы, ну все тогда — у света волновая природа, никаких тебе частиц, расходимся. Но не тут-то было! Уже в начале XX века корпускулярная теория света снова набрала актуальность, так как ученые обнаружили явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Например, давление света и фотоэффект, о которых мы еще поговорим.
В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись, и корпускулы (частицы) света даже получили название — фотоны.
Сложилась интересная ситуация — параллельно существовали две серьезные научные теории, каждая из которых объясняла одни свойства света, но не могла объяснить другие. Вместе же эти две теории идеально дополняют друг друга. Так мы подошли к понятию корпускулярно-волновой природы света.
Корпускулярно-волновой дуализм — это физический принцип, утверждающий, что любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна.
Энергия и импульс фотона
Каждый фотон переносит некоторое количество энергии. Именно это количество называется энергией фотона.
Энергия фотона (соотношение Планка-Эйнштейна)
E — энергия фотона [Дж]
h — постоянная Планка
ν — частота фотона [Гц]
Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:
Соотношение импульса и энергии фотона
p — импульс фотона [(кг*м)/с]
E — энергия фотона [Дж]
с — скорость света [м/с]
Подставляем вместо E формулу энергии фотона: p = hv/c
А вместо частоты формулу v = с/λ: p = hc/cλ
Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.
Импульс фотона
p — импульс фотона [(кг*м)/с]
h — постоянная Планка
λ — длина волны [м]
Давление света
Сила Лоренца — это сила, действующая на частицу, движущуюся в магнитном поле.
Если рассматривать свет как совокупность фотонов, то можно предположить, что свет, как и любая другая электромагнитная волна, может оказывать давление. Именно такое предположение сделал Джеймс Максвелл в 1873 году и не прогадал.
Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов. Каждый фотон обладает импульсом p = hv/c.
Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен p = hv/c * N.
Из механики известно, что давление — это отношение силы к площади, на которую эта сила воздействует: p = F/S.
Не перепутайте: импульс и давление обозначаются одинаковой буквой, но величины разные!
Второй закон Ньютона в импульсной форме имеет вид F = p * Δt, где p — это импульс, а Δt — промежуток времени, за которое импульс меняется на значение p.
Тогда световое давление определяется так: p = F/S = (p * Δt)/S = hvN/Sc.
Опыты Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом.
Фотоэффект
Еще одно важное явление, подтверждающее корпускулярную природу света, — это фотоэффект. Пока разберем только принцип этого явления, а сложную математику оставим на другой раз. 😉
На рисунке представлена экспериментальная установка для исследования фотоэффекта.
Установка представляет собой стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, к которым прикладывается напряжение. Один из электродов через кварцевое окошко освещается монохроматическим светом (монохроматический свет — это свет, длина волны которого неизменна). Под действием фотонов из отрицательно заряженного электрода выбиваются так называемые фотоэлектроны. Они притягиваются к положительному электроду и образуется фототок.
Многочисленные экспериментаторы установили основные закономерности фотоэффекта:
Эйнштейн исследовал фотоэффект и пришел к выводу, что свет имеет прерывистую структуру, то есть состоит из фотонов.
Фотоэффект используется, например, в датчиках света. Уличные фонари, оборудованные датчиками света, включаются автоматически при определенном уровне естественного освещения.
Техническое применение фотонов
Важное техническое устройство, использующее фотоны — лазер. Лазеры применяют во многих областях технологии: с их помощью режут, варят и плавят металлы, получают сверхчистые металлы. На лазерах основаны многие точные физические приборы — например, сейсмографы. Ну а с лазерными принтерами и указками вы наверняка знакомы.
На определении местоположения фотонов основаны многие генераторы случайных чисел. Чтобы сгенерировать один бит случайной последовательности, фотон направляется на лучеделитель — штуку, которая разделяет свет на два потока.
Для любого фотона существует лишь две возможности, причем с одинаковой вероятностью: пройти лучеделитель или отразиться от его грани. В зависимости от того, прошел фотон через лучеделитель или нет, следующим битом в последовательность записывается 0 или 1.