Как сделать фотон
Обновлено: 04.07.2024
В результате исследования явлений, связанных с взаимодействием света и вещества (тепловое излучение и фотоэффект), физики пришли к выводу, что свет состоит из отдельных порций энергии — фотонов. Излучение света, его распространение и поглощение происходит строго этими порциями.
Фотоны обладают энергией и импульсом и могут обмениваться ими с частицами вещества (скажем, с электронами или атомами). При этом мы говорим о столкновении фотона и частицы. При упругом столкновении фотон меняет направление движения — свет рассеивается. При неупругом столкновении фотон поглощается отдельной частицей или совокупностью частиц вещества — так происходит поглощение света.
Словом, фотон ведёт себя как частица и поэтому — наряду с электроном, протоном, нейтроном и некоторыми другими частицами — причислен к разряду элементарных частиц.
Энергия фотона
Выражение для энергии фотона с частотой мы уже знаем:
Часто бывает удобно работать не с обычной частотой , а с циклической частотой .
Выражение (1) для энергии фотона примет вид:
Фотон движется в вакууме со скоростью света и потому является релятивистской частицей: описывая фотон, мы должны привлекать формулы теории относительности. А там имеется такая формула для энергии тела массы , движущегося со скоростью :
Если предположить, что , то формула (2) приводит к бессмысленному заключению: энергия фотона должна быть бесконечной. Чтобы избежать этого противоречия, остаётся признать, что масса фотона равна нулю. Формула (2) позволяет сделать и более общий вывод: только безмассовая частица может двигаться со скоростью света.
Импульс фотона
Обладая энергией, фотон должен обладать и импульсом. Действительно, важнейшая формула теории относительности даёт связь энергии и импульса частицы:
Для фотона, имеющего нулевую массу, эта формула сводится к простому соотношению:
Отсюда для импульса фотона получаем:
Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча.
Учитывая, что отношение есть длина волны , формулу (4) можно переписать так:
В видимом диапазоне наименьшими значениями энергии и импульса обладают фотоны красного света — у них самая маленькая частота (и самая большая длина волны). При движении в сторону фиолетового участка спектра энергия и импульс фотона линейно возрастают с частотой.
Давление света
Свет оказывает давление на освещаемую поверхность. Такой вывод был сделан Максвеллом из теоретических соображений и получил экспериментальное подтверждение в знаменитых опытах П.Н. Лебедева. Если понимать
свет как поток фотонов, обладающих импульсом , то можно легко объяснить давление света и вывести формулу Максвелла.
Предположим, что на некоторое тело падает свет частоты . Лучи направлены перпендикулярно поверхности тела; площадь освещаемой поверхности равна (рис. 1 ).
Рич. 1. Давление света
Пусть — концентрация фотонов падающего света, то есть число фотонов в единице объёма.
За время на нашу поверхность попадают фотоны, находящиеся внутри цилиндра высотой .
При падении света на поверхность тела часть световой энергии отражается, а часть — поглощается. Пусть — коэффициент отражения света; величина показывает, какая часть световой энергии отражается от поверхности. Соответственно, величина — это доля падающей энергии, поглощаемая телом.
Как мы теперь знаем, энергия света пропорциональна числу фотонов. Поэтому можно написать, какое количество фотонов (из общего числа ) отразится от поверхности, а какое — поглотится ею:
Импульс каждого падающего фотона равен . Поглощённый фотон испытывает неупругое столкновение с телом и передаёт ему импульс . Отражённый фотон после упругого столкновения меняет направление своего импульса на противоположное, и поэтому импульс, переданный телу отражённым фотоном, равен .
Таким образом, от каждого фотона, входящего в световой поток, тело получает некоторый импульс. Вот простая и очевидная причина того, что свет оказывает давление на освещаемую поверхность.
Суммарный импульс, полученный телом от падающих фотонов, равен:
На нашу поверхность действует сила , равная импульсу, полученному телом в единицу времени:
Давление света есть отношение этой силы к площади освещаемой поверхности:
Выражение имеет простой физический смысл: будучи произведением энергии фотона на число фотонов в единице объёма, оно равно энергии света в единице объёма, то есть объёмной плотности энергии . Тогда соотношение (6) приобретает вид:
Это и есть формула для давления света, теоретически выведенная Максвеллом (в рамках классической электродинамики) и экспериментально проверенная в опытах Лебедева.
Двойственная природа света
В результате рассмотрения всей совокупности оптических явлений возникает естественный вопрос: что же такое свет? Непрерывно распределённая в пространстве электромагнитная волна или поток отдельных частиц — фотонов? Теория и эксперименты приводят к заключению, что оба ответа должны быть утвердительными.
1. Явления интерференции и дифракции света, характерные для любых волновых процессов, не оставляют сомнений в том, что свет есть форма волнового движения материи.
Таким образом, мы должны признать: да, свет имеет волновую природу, свет — это электромагнитная волна.
2. Однако явления взаимодействия света и вещества (например, фотоэффект) указывают на то, что свет ведёт себя как поток отдельных частиц. Эти частицы — фотоны — ведут, так сказать, самостоятельный образ жизни, обладают энергией и импульсом, участвуют во взаимодействиях с атомами и электронами. Излучение света — это рождение фотонов.
Распространение света — это движение фотонов в пространстве. Отражение и поглощение света — это соответственно упругие и неупругие столковения фотонов с частицами вещества.
Все попытки истолковать указанные явления излучения и поглощения света в рамках волновых представлений классической физики окончились неудачей. Оставалось лишь согласиться с тем, что свет имеет корпускулярную природу (от латинского слова corpusculum — маленькое тельце, частица), свет — это совокупность фотонов, мчащихся в пространстве.
Таким образом, свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу — он может проявлять себя то так, то эдак. В одних явлениях (интерференция, дифракция) на передний план выходит волновая природа, и свет ведёт себя в точности как волна. Но в других явлениях (фотоэффект) доминирует корпускулярная природа, и свет ведёт себя подобно потоку частиц.
Странно всё это, не правда ли? Но что поделать — так устроена природа. Мы, люди, живём среди макроскопических тел, и наше воображение оказалось не способным полноценно представить себе явления микромира.
Природа, однако, неизмеримо шире и богаче того, что может вместить в себя человеческое воображение. Признав это и руководствуясь не столько собственным воображением, сколько наблюдениями, результатами экспериментов и весьма изощрённой математикой, люди начали успешно создавать квантовую теорию микроскопических явлений и процессов.
О некоторых парадоксальных на первый взгляд — но тем не менее подтверждённых экспериментально! — выводах квантовой теории мы поговорим в следующем листке.
Свет — очень полезная штука. Благодаря нему мы видим вообще все в этом мире, уличные фонари включаются вовремя, а у мыльных пузырей красивые разводы. Но вот из чего свет состоит — вопрос, конечно, интересный.
О чем эта статья:
11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Корпускулярно-волновой дуализм
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
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)
— энергия фотона [Дж]
= 6,6 · 10 −34 Дж · c
— частота фотона [Гц]
Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:
Соотношение импульса и энергии фотона
— импульс фотона [(кг · м)/с]
— энергия фотона [Дж]
— скорость света [м/с]
Подставляем вместо формулу энергии фотона:
А вместо частоты формулу :
Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.
Импульс фотона
— импульс фотона [(кг · м)/с]
= 6,6 · 10 −34 Дж · c
Давление света
Сила Лоренца — это сила, действующая на частицу, движущуюся в магнитном поле.
Если рассматривать свет как совокупность фотонов, то можно предположить, что свет может оказывать давление. Именно такое предположение сделал Джеймс Максвелл в 1873 году и не прогадал.
Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью перпендикулярно к ней ежесекундно падает фотонов. Каждый фотон обладает импульсом .
Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен .
Из механики известно, что давление — это отношение силы к площади, на которую эта сила воздействует: .
Не перепутайте: импульс и давление обозначаются одинаковой буквой, но величины разные!
Второй закон Ньютона в импульсной форме имеет вид , где — это импульс, а — промежуток времени, за которое импульс меняется на значение p.
Тогда световое давление определяется так: .
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 (в этом случае удар неупругий, так как черный цвет поглощает фотон).
Предсказанное Максвеллом существование светового давления было экспериментально подтверждено физиком П. Н. Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали. Значение давления света составило ≈ 4.10 -6 Па.
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:
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности.
Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота , при которой еще возможен внешний фотоэффект.
Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света .
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.
Современная наука рассматривает фотон как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую строением и размерами.
С точки зрения классической квантовой механики фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм: он проявляет одновременно свойства частицы и волны.
Квантовая электродинамика, основанная на квантовой теории поля и Стандартной модели, описывает фотон как калибровочный бозон, обеспечивающий электромагнитное взаимодействие между частицами: виртуальные фотоны [8] являются квантами-переносчиками электромагнитного поля [9] .
Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной: на один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов [10] .
Эта статья про элементарную частицу или квант света. Для использования в других целях см. Фотон (значения).
Как и все элементарные частицы, фотоны в настоящее время лучше всего объясняются квантовая механика и выставить дуальность волна-частица, в их поведении присутствуют свойства обоих волны и частицы. [2] Современная концепция фотона зародилась в первые два десятилетия 20-го века благодаря работам Альберт Эйнштейн, которые основывались на исследованиях Макс Планк. Пытаясь объяснить, как иметь значение и электромагнитное излучение могло быть в тепловое равновесие друг с другом, Планк предположил, что энергия, запасенная в материальном объекте, должна рассматриваться как состоящая из целое число количество дискретных деталей одинакового размера. Чтобы объяснить фотоэлектрический эффектЭйнштейн представил идею о том, что свет состоит из дискретных единиц энергии. В 1926 г. Гилберт Н. Льюис популяризировал термин фотон для этих энергоблоков. [3] [4] [5] Впоследствии многие другие эксперименты подтвердили подход Эйнштейна. [6] [7] [8]
в Стандартная модель из физика элементарных частиц, фотоны и другие элементарные частицы описываются как необходимое следствие физических законов, имеющих определенное симметрия в каждой точке пространство-время. Внутренние свойства частиц, такие как обвинять, масса, и вращение, определяются этим калибровочная симметрия. Концепция фотона привела к значительным успехам в экспериментальной и теоретической физике, в том числе в лазеры, Конденсация Бозе – Эйнштейна, квантовая теория поля, а вероятностная интерпретация квантовой механики. Он был применен к фотохимия, микроскопия высокого разрешения, и измерения молекулярных расстояний. В последнее время фотоны изучаются как элементы квантовые компьютеры, и для приложений в оптическое изображение и оптическая связь Такие как квантовая криптография.
Содержание
Номенклатура
Фотоэлектрический эффект: испускание электронов металлической пластиной, вызванное квантами света - фотонами.
Название фотон происходит от Греческое слово для света, φῶς (транслитерировано phôs). Артур Комптон использовал фотон в 1928 г., имея в виду Гилберт Н. Льюис, который ввел термин в письме Природа 18 декабря 1926 г. [3] [11] То же имя использовалось ранее, но никогда не было широко распространено до Льюиса: в 1916 году американским физиком и психологом Леонард Т. Троланд, в 1921 году ирландским физиком Джон Джоли, в 1924 г. французским физиологом Рене Вурмсер (1890–1993), а в 1926 году французским физиком Фритиоф Вольферс (1891–1971). [5] Название было предложено первоначально как единица, относящаяся к освещению глаза и возникающему в результате ощущению света, а затем использовалось в физиологическом контексте. Хотя теории Вольферса и Льюиса противоречили многим экспериментам и никогда не были приняты, новое название было принято большинством физиков очень скоро после того, как Комптон использовал его. [5] [c]
В физике фотон обычно обозначают символом γ (в Греческая буква гамма). Этот символ фотона, вероятно, происходит от гамма излучение, которые были открыты в 1900 г. Поль Вильярд, [13] [14] названный Эрнест Резерфорд в 1903 году, и было показано, что это форма электромагнитное излучение в 1914 году Резерфордом и Эдвард Андраде. [15] В химия и оптическая инженерия, фотоны обычно обозначаются hν, какой энергия фотона, куда час является Постоянная Планка и Греческая буква ν (ню) - фотонная частота. [16] Гораздо реже фотон может быть обозначен как hf, где его частота обозначена ж. [17]
Физические свойства
Фотон безмассовый, [d] не имеет электрический заряд, [18] [19] и является стабильная частица. В вакууме фотон имеет два возможных поляризация состояния. [20] Фотон - это калибровочный бозон за электромагнетизм, [21] : 29–30 и, следовательно, все другие квантовые числа фотона (такие как лептонное число, барионное число, и квантовые числа аромата) равны нулю. [22] Также фотон не подчиняется Принцип исключения Паули, но вместо этого подчиняется Статистика Бозе – Эйнштейна. [23] : 1221
Фотоны испускаются во многих природных процессах. Например, когда заряд ускоренный он излучает синхротронное излучение. Во время молекулярный, атомный или же ядерный переход к низшей уровень энергии, будут испускаться фотоны различной энергии, начиная с радиоволны к гамма излучение. Фотоны также могут испускаться, когда частица и соответствующая ей античастица находятся уничтожен (Например, электрон-позитронная аннигиляция). [23] : 572,1114,1172
Релятивистская энергия и импульс
В пустом пространстве фотон движется со скоростью c (в скорость света) и это энергия и импульс связаны E = ПК , куда п это величина вектора импульса п. Это вытекает из следующего релятивистского соотношения с м = 0 : [24]
Энергия и импульс фотона зависят только от его частота ( ν ) или, наоборот, его длина волны (λ):
куда k это волновой вектор (где волновое число k = | k | = 2π /λ ), ω = 2πν это угловая частота, и час = час/ 2π это приведенная постоянная Планка. [25]
С п указывает в направлении распространения фотона, величина импульса равна
Фотон также несет в себе величину, называемую спиновый угловой момент это не зависит от его частоты. [26] Поскольку фотоны всегда движутся со скоростью света, спин лучше всего выражать через компонент измеряется вдоль направления движения, его спиральность, который должен быть либо +ħ или −ħ. Эти две возможные спирали, называемые правой и левой, соответствуют двум возможным круговая поляризация состояния фотона. [27]
Чтобы проиллюстрировать значение этих формул, аннигиляция частицы с ее античастицей в свободном пространстве должна привести к созданию по крайней мере два фотоны по следующей причине. в центр импульса кадра, сталкивающиеся античастицы не имеют чистого импульса, тогда как одиночный фотон всегда имеет импульс (поскольку, как мы видели, он определяется частотой или длиной волны фотона, которая не может быть равна нулю). Следовательно, сохранение импульса (или эквивалентно, трансляционная инвариантность) требует создания по крайней мере двух фотонов с нулевым суммарным импульсом. (Однако возможно, если система взаимодействует с другой частицей или полем для аннигиляции, чтобы произвести один фотон, например, когда позитрон аннигилирует со связанным атомным электроном, возможно испустить только один фотон, поскольку ядерное кулоновское поле нарушает трансляционную симметрию.) [28] : 64–65 Энергия двух фотонов или, что то же самое, их частота может быть определена из сохранение четырехимпульса.
Классические формулы для энергии и импульса электромагнитное излучение можно перевыразить через фотонные события. Например, давление электромагнитного излучения на объекте происходит от передачи импульса фотона в единицу времени и единицу площади этому объекту, поскольку давление - это сила на единицу площади, а сила - это изменение импульс в единицу времени. [30]
Каждый фотон несет две отдельные и независимые формы угловой момент света. В спиновый угловой момент света определенного фотона всегда либо +час или -час. легкий орбитальный угловой момент определенного фотона может быть любым целым числом N, в том числе ноль. [31]
Экспериментальные проверки массы фотона
Современные общепринятые физические теории подразумевают или предполагают, что фотон строго безмассовый. Если фотон не является строго безмассовой частицей, он не будет двигаться с точной скоростью света, c, в вакууме. Его скорость будет ниже и зависит от его частоты. На относительность это не повлияет; так называемая скорость света, c, тогда была бы не фактическая скорость, с которой движется свет, а константа природы, которая является верхняя граница со скоростью, которую теоретически может достичь любой объект в пространстве-времени. [32] Таким образом, это по-прежнему будет скорость пространственно-временной ряби (гравитационные волны и гравитоны), но это была бы не скорость фотонов.
Если бы у фотона действительно была ненулевая масса, были бы и другие эффекты. Закон Кулона будет изменен и электромагнитное поле имел бы дополнительный физический степень свободы. Эти эффекты дают более чувствительные экспериментальные исследования массы фотона, чем частотная зависимость скорости света. Если закон Кулона не совсем верен, то это допускает наличие электрическое поле существовать внутри полого проводника, когда он подвергается воздействию внешнего электрического поля. Это обеспечивает возможность очень высокой точности тесты закона Кулона. [33] Нулевой результат такого эксперимента установил предел м ≲ 10 −14 эВ /c 2 . [34]
Более четкие верхние пределы скорости света были получены в экспериментах, направленных на обнаружение эффектов, вызванных галактическим воздействием. векторный потенциал. Хотя галактический векторный потенциал очень велик, потому что галактическое магнитное поле существует на очень больших масштабах, только магнитное поле будет наблюдаться, если фотон не имеет массы. В случае, если фотон имеет массу, массовый член 1 / 2 м 2 АμА μ повлияет на галактическую плазму. Тот факт, что таких эффектов не наблюдается, подразумевает верхнюю границу массы фотона м 3 × 10 −27 эВ /c 2 . [35] Галактический векторный потенциал также можно исследовать напрямую, измеряя крутящий момент, действующий на намагниченное кольцо. [36] Такие методы использовались для получения более точного верхнего предела 1.07 × 10 −27 эВ /c 2 (эквивалент 10 −36 дальтон ) данный Группа данных о частицах. [37]
Было показано, что эти резкие пределы из-за ненаблюдения эффектов, вызванных галактическим векторным потенциалом, зависят от модели. [38] Если масса фотона генерируется через Механизм Хиггса тогда верхний предел м ≲ 10 −14 эВ /c 2 из проверки закона Кулона.
Читайте также: