основные свойства фотона
4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.
Остальные ответы
Фото́н (от др. -греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет» ) — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света) . Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий) ; эти термины практически синонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами.
Что такое фотоны и каковы их свойства
Основные свойства фотона
(Материал взят из Википедии )
Историческая справка
Фото́н (от др .г реч. φ ῶ ς , род. пад . φωτός , «свет») — элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это частица не имеющая массы покоя, способная существовать, только двигаясь со скоростью света. Заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения ( спинарностью ). Этому свойству в классической электродинамике соответствует поперечность электромагнитной волны . Кроме электромагнитного взаимодействия, фотон участвует в гравитационном взаимодействии. Фотоны обозначаются буквой g , поэтому их часто называют гамма — квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически являются синонимами.
Термин «фотон» введён химиком Гильбертом Льюисом в 1926 году.[2] Современная теория была разработана в 1905—1917 гг. Альбертом Эйнштейном[3][4][5][6] для объяснения наблюдаемых в экспериментах противоречий с классической волновой теорией света, в частности для объяснения фотоэффекта и способности вещества находиться в тепловом равновесии с электромагнитным излучением.
Концепция фотона привела ко многим новым теориям и открытиям, например, мазер, лазер, конденсация Бозе — Эйнштейна, квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. В соответствии со Стандартной Моделью физики элементарных частиц, фотоны ответственны за наличие всех электрических и магнитных полей, а само их существование следует из симметрии физических законов относительно пространства и времени. Внутренние свойства фотона (электрический заряд, масса и спин) определяются калибровочной симметрией.
В большинстве теорий, разработанных до XVIII века, свет рассматривался как поток частиц. Одна из первых таких теорий была изложена в «Книге об оптике» Ибн ал-Хайсамом в 1021 году, в ней ученый представлял световой луч в виде потока мельчайших частиц, которые «испытывают нехватку всех заметных качеств, кроме энергии». Так как подобные модели не смогли объяснить такие явления как рефракция, дифракция и двойное лучепреломление, была предложена волновая теория света, авторами которой стали Рене Декарт (1637), [9] Роберт Гук (1665), [10] и Христиан Гюйгенс (1678); [11] однако, модели, основанные на идее дискретного строения света, оставались доминирующими, во многом из-за влияния авторитета Исаака Ньютона, придерживавшегося этих теории [12]. В начале XIX века Томас Юнг и Огюстен Френель наглядно продемонстрировали в своих опытах явления интерференции и дифракции света, после чего примерно к 1850 году волновые модели стали общепринятыми[13]. В 1865 году Джеймс Максвелл предсказал в рамках своей теории [14], что свет — это электромагнитная волна. В 1888 году эта гипотеза была подтверждена экспериментально Генрихом Герцем, обнаружившим радиоволны.[15] Казалось бы, что это должно было стать последним ударом по физическим моделям, рассматривающим свет как поток частиц.
В 1900 году волновая теория Максвелла, рассматривающая электромагнитное излучение как колебания электрического и магнитного полей выглядела законченной. Однако, некоторые эксперименты, проведенные позже, в рамках этой теории объяснения не нашли. Это привело к идее о том, что энергия световой волны должна быть упакована в «кванты» величиной hν . Дальнейшие эксперименты показали, что эти световые кванты также обладают импульсом, поэтому оказалось возможным рассматривать их как элементарные частицы. Так появилась концепция фотона, которая способствовала более глубокому пониманию самого электромагнитного поля.
Волновая теория Максвелла не смогла, однако, объяснить всех свой ств св ета. Согласно этой теории энергия световой волны должна зависеть только от ее интенсивности, но не от частоты; на самом же деле результаты некоторых экспериментов показывают, что переданная от света атомам энергия зависит только от частоты света, а не от интенсивности.
Изучение свойств излучения абсолютно черного тела, проходившие в течение почти сорока лет (1860-1900),[17] завершилось выдвижением гипотезы Макса Планка[18][19] о том, что энергия любой системы при излучении или поглощении электромагнитного излучения частоты может измениться только на величину, кратную энергии кванта , где h — постоянная Планка. Альбертом Эйнштейном было показано, что такое представление о квантовании энергии должны быть принято, чтобы объяснить наблюдаемое тепловое равновесие между веществом и электромагнитным излучением.[3][4]. На этой же основе им был теоретически описан фотоэлектрический эффект, за эту работу Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию по физике.[20] Напротив, теория Максвелла допускает, что электромагнитное излучение может обладать какой угодно энергией (не квантуется).
В 1905 году Эйнштейн предположил, что квантование энергии — свойство самого электромагнитного излучения.[3] Признавая справедливость теории Максвелла, Эйнштейн указал, что многие аномальные в то время эксперименты могли быть объяснены, если энергию световой волны локализовать в подобные частицам кванты, который движутся независимо друг от друга, даже если волна непрерывно распространяется в пространстве.[3] В 1909[4] и 1916,[6] Эйнштейн показал , исходя из справедливости закона излучения абсолютно черного тела, что квант энергии должен также обладать импульсом p = h / λ , делающим его полноправной элементарной частицей. Импульс фотона был обнаружен экспериментально[21] Артуром Комптоном, за эту работу он получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году. Главным вопросом, на который необходимо было ответить физикам, стал вопрос о том, как согласовать волновую теорию Максвелла с экспериментальным обоснованием дискретной природы света.
До 1923 года большинство физиков отказывались принимать идею о том, что электромагнитное излучение обладает квантовыми свойствами. Вместо этого они были склонны объяснять поведение фотонов квантованием материи, как, например, в теории Бора для атома водорода. Хотя все эти полуклассические модели были лишь первыми приближениями и выполнялись только для простых систем, они привели к созданию квантовой механики.
Даже после экспериментов Комптона, Борн, Хендрик Крамерс и Джон Слейтер предприняли последнюю попытку спасти максвелловскую волновую модель света, опубликовав так называемую БКС теорию. Однако , наглядные эксперименты Комптона показали, что энергия и импульс сохраняются поразительно точно в элементарных процессах, а также, что его расчеты колебания электрона и изменения частоты падающего фотона в комптоновском рассеянии выполняются с точностью до 11 знаков. После этого Бор и его соавторы удостоили свою модель «благородных похорон, насколько это было возможно».[22] Тем неменее крах БКС модели вдохновил Вернера Гейзенберга на создание матричной механики.
Некоторые физики[26] продолжали разрабатывать полуклассические модели, в которых электромагнитное излучение не считалось квантованным, но вопрос получил свое разрешение только в рамках квантовой механики. Идея фотонов при объяснении физических и химических экспериментов стала подавляющей к 70-м годам XX века. Все полуклассические теории были окончательно опровергнуты в 70-х и 80-х годах в экспериментах по фотонной корреляции. Таким образом гипотеза Эйнштейна о квантовых свойствах света считается доказанной.
Физические свойства фотона
Фотон относится к калибровочным бозонам. Он не имеет массы покоя и электрического заряда, стабилен. Спин фотона равен 1 (является бозоном), но из-за нулевой массы более правильное число — спиральность; по этой же причине внутренняя чётность фотона не определена. Фотон может находится только в двух спиновых состояниях с проекциями спина на направление движения ( спинарностью ) этому свойству в классической электродинамике соответствует поперечность электромагнитной волны.[27] Фотон — истинно нейтральная частица (тождественен своей античастице), поэтому его зарядовая чётность отрицательна и равна -1. Фотон участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Так как не существует системы отсчета, в которой фотон покоится, ему нельзя приписать определенной внутренней четности. Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях, как было описано выше[28]. Фотон не имеет электрического заряда [1]. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны и его направление распространения. Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, когда атом или ядро переходят из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон — позитрон. При обратных процессах (возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар) происходит поглощение фотонов[30].
В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты n (или, что эквивалентно, от длины волны ) . Напомним ряд известных соотношений: . Ключевым элементом квантовой механики является принцип неопределенности Гейзенберга, который говорит о том, что нельзя одновременно точно определить положение частицы в пространстве и ее импульс. Этот принцип объясняет квантование света, а также пропорциональную зависимость энергии фотона от его частоты. Иллюстрацией этого может служить микроскоп Гейзенберга (знаменитый мысленный эксперимент) [ 34 ] .
Фотоны, как и другие элементарные частицы, при прохождении через две близко расположенные узкие щели дают похожие интерференционные картины. Для фотонов это явление можно описать с использованием уравнений Максвелла, для элементарных же частиц используют уравнение Шредингера. Можно поэтому сделать вывод о том, что уравнения Максвелла — упрощенный вариант уравнения Шредингера для фотонов. Однако, с этим выводом не согласно большинство физиков.[32][33] С одной стороны, эти уравнения отличаются друг от друга математически: в отличее от уравнений Максвелла, уравнение Шредингера комплексное (в нем присутствует мнимая единица ) . С другой стороны, понятие волновой функции, которая явным образом входит в уравнение Шредингера, не может быть применено по отношению к фотону.[34] Фотон — безмассовая частица, поэтому он не может быть локализован в пространстве хоть со сколько-нибудь приемлимой точностью. Действительно, импульс фотона известен точно (он может двигаться только со скоростью света), значит, в соответствии с принципом неопределенностей Гейзенберга, определить местонахождение фотона в пространстве невозможно, формально он может находиться в любой точке пространства с одинаковой вероятностью. Этим фотон принципиально отличается от элементарных частиц, обладающих массой покоя, и потому не может быть описан с использованием стандартной волновой функции. Были предложены измененные варианты волновой функции для фотонов,[35][36][37][38] но они не стали общепринятыми. Вместо этого в физике используется теория вторичного квантования и квантовая электродинамика.
В 1924 году Бозе получил законы излучения абсолютно черного тела, вообще не используя электродинамики, а просто модифицировав подсчет квантовых состояний системы фотонов в фазовом пространстве.[39] Эйнштейн показал, что эта модификация эквивалента признанию того, что фотоны тождественны друг другу, и между ними подразумевается наличие «таинственного нелокального взаимодействия»,[40][41] сейчас понимаемого как симметричность квантово — механических состояний. Эта работа привела к созданию концепции когерентных состояний и к изобретению лазера. В этой же работе Эйнштейн расширил представления Бозе на другие элементарные частицы с целым спином (бозоны) и предсказал явление массового перехода частиц вырожденного бозонного газа в состояние с минимальной энергией при понижении температуры ниже некоторого критического значения (Конденсация Бозе-Эйнштейна ). Этот эффект в 1995 году наблюдался экспериментально, а в 2001 авторам этих работ была присуждена Нобелевская премия.[42] В современном понимании бозоны, коими в том числе являются и фотоны, подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна , а фермионы, например электроны, — статистике Ферми-Дирака.[43].
Вынужденное излучение (в котором фотоны как бы «клонируют» себя) было предсказано Эйнштейном и привело к изобретению лазера. Выводы Эйнштейна стимулировали дальнейшее развитие квантовых представлений о природе света, которые привели к статистической интерпретации квантовой механики. Согласно квантовой хромодинамике , реальный фотон может взаимодействовать не только как отдельная точечная частица, но и как совокупность кварков и глюонов , наподобие адрона. Структуру фотона определяют не традиционные наборы валентных кварков (как, например, структуру протона), а виртуальные флуктуации точечного фотона в набор партонов .[55] Эти свойства проявляются лишь при достаточно высоких энергиях, начиная с ~1 ГэВ.
Энергия системы, излучающей фотоны, уменьшается на величину , равную энергии этих фотонов. В результате масса системы может уменьшится на . Аналогично, масса системы, поглощающей фотоны увеличивается на соответствующую величину. [56]
Эта концепция использует ключевые принципы квантовой электродинамики. В этой теории масса электронов (и вообще всех лептонов) изменяется с поглощением ими виртуальных фотонов. Этот процесс называют иногда ренормализацией . Подобный подход в понимании дает объяснение таких фактов как аномальный дипольный момент лептонов и сверхтонкая структура лептонных дуплетов (например, у мюония и позитрония).[57]
Фотоны удовлетворяют условиям тензора энергии-импульса и поэтому воздействуют гравитационно на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности. И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. Их в норме прямолинейные траектории могут искривляться в связи с искривлением пространства-времени, как в гравитационной линзе. В этих условиях наблюдается так называемое гравитационное красное смещение как в эксперименте Паунда и Ребки . Этот эффект свойственен не только фотонам, но и любым другим электромагнитным волнам.[58]
- ↑ 1 2 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.
- ↑ Статья Э. А. Тагирова Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1984. — С. 826.
- ↑ 1 2 3 4 5 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. ( нем .). An English translation is available from Wikisource .
- ↑ 1 2 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. ( нем .). An English translation is available from Wikisource .
- ↑ 1 2 Einstein, A (1916a). » Strahlungs -emission und -absorption nach der Quantentheorie «. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18: 318. ( нем .)
- ↑ 1 2 Einstein, A (1916b). » Zur Quantentheorie der Strahlung «. Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich 16: 47. Also Physikalische Zeitschrift , 18, 121—128 (1917) . ( н ем.)
- ↑ Lewis, GN (1926). «The conservation of photons». Nature 118: 874—875.
- ↑ Rashed , R. (2007). «The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham». Arabic Sciences and Philosophy 17 (1): 7–55 [19]. DOI :10.1017 /S0957423907000355. “In his optics the smallest parts of light, as he calls them, retain only properties that can be treated by geometry and verified by experiment; they lack all sensible qualities except energy.”
- ↑ R. Descartes Discours de la méthode (Discourse on Method). — Imprimerie de Ian Maire , 1637. (франц.)
- ↑ R. Hooke Micrographia : or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon. — London (UK): Royal Society of London, 1667.
- ↑ C. Huygens Traité de la lumière . — 1678. ( франц .). An English translation is available from Project Gutenberg
- ↑ I. Newton Opticks . — 4th. — Dover (NY): Dover Publications, 1952. — С . Book II, Part III, Propositions XII–XX; Queries 25–29. — ISBN 0-486-60205-2
- ↑ J.Z. Buchwald The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century. — University of Chicago Press, 1989. — ISBN 0-226-07886-8
- ↑ Maxwell, J.C. (1865). «A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field». Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155: 459–512. DOI:10.1098/rstl.1865.0008. This article followed a presentation by Maxwell on 8 December 1864 to the Royal Society.
- ↑ Hertz, H. (1888). » Über Strahlen elektrischer Kraft». Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften ( Berlin ) 1888: 1297–1307. ( нем .)
- ↑ Frequency-dependence of luminiscence p. 276f ., photoelectric effect section 1.4 in M. Alonso Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. — Addison-Wesley, 1968. — ISBN 0-201-00262-0
- ↑ 1 2 Wien, W. Wilhelm Wien Nobel Lecture (1911).
- ↑ Planck, M. (1901). » Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum «. Annalen der Physik 4: 553–563. DOI:10.1002/andp.19013090310. ( нем .)
- ↑ 1 2 Planck, M. Max Planck’s Nobel Lecture (1920).
- ↑ Presentation speech by Svante Arrhenius for the 1921 Nobel Prize in Physics, December 10 1922. Online text from [nobelprize.org], The Nobel Foundation 2008. Access date 2008-12-05.
- ↑ 1 2 Compton, A. (1923). «A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements». Physical Review 21: 483–502. DOI:10.1103/PhysRev.21.483.
- ↑ 1 2 A . Pais Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. — Oxford University Press, 1982. — ISBN 0-198-53907-X
- ↑ 1 2 Robert A. Millikan’s Nobel Lecture. Delivered 23 May 1924.
- ↑ Bohr, N.; Kramers , H.A.; Slater, J.C. (1924). «The Quantum Theory of Radiation». Philosophical Magazine 47: 785–802. Also Zeitschrift für Physik , 24, 69 (1924).
- ↑ Heisenberg, W. Heisenberg Nobel lecture (1933).
- ↑ Mandel, L. (1976). «The case for and against semiclassical radiation theory». Progress in Optics 13: 27–69.
- ↑ Физический энциклопедический словарь. /Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.М.Алексеев, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. — М.: Сов. Энциклопедия, 1984. — 944 с .
- ↑ Taylor , GI (1909). «Interference fringes with feeble light». Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 15: 114—115.
- ↑ H.A. Kramers Quantum Mechanics. — Amsterdam : North-Holland, 1958. — ISBN ASIN B0006AUW5C
- ↑ D. Bohm Quantum Theory. — Dover Publications, 1989. — ISBN 0-486-65969-0
- ↑ Newton , T.D.; Wigner, E.P. (1949). «Localized states for elementary particles». Reviews of Modern Physics 21: 400–406. DOI:10.1103/RevModPhys.21.400.
- ↑ Bialynicki-Birula , I. (1994). «On the wave function of the photon». Acta Physica Polonica A 86: 97–116.
- ↑ Sipe , J.E. (1995). «Photon wave functions». Physical Review A 52: 1875–1883. DOI:10.1103/PhysRevA.52.1875.
- ↑ Bialynicki-Birula , I. (1996). «Photon wave function». Progress in Optics 36: 245–294. DOI :10.1016 /S0079-6638(08)70316-0.
- ↑ M.O. Scully Quantum Optics. — Cambridge ( UK ): Cambridge University Press, 1997. — ISBN 0-521-43595-1
- ↑ Bose, S.N. (1924). » Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese «. Zeitschrift für Physik 26: 178–181. DOI:10.1007/BF01327326. ( нем .)
- ↑ Einstein, A. (1924). » Quantentheorie des einatomigen idealen Gases». Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften ( Berlin ), Physikalisch-mathematische Klasse 1924: 261–267. ( нем .)
- ↑ Einstein, A. (1925). » Quantentheorie des einatomigen idealen Gases, Zweite Abhandlung «. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften ( Berlin ), Physikalisch-mathematische Klasse 1925: 3–14. ( нем .)
- ↑ Anderson , M.H.; Ensher , J.R.; Matthews, M.R.; Wieman , C.E.; Cornell, E.A. (1995). «Observation of Bose–Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor». Science 269: 198–201. DOI:10.1126/science.269.5221.198. PMID 17789847.
- ↑ R.F. Streater PCT, Spin and Statistics, and All That. — Addison-Wesley, 1989. — ISBN 020109410X
- ↑ Section 1.4 in J. Wilson Lasers: Principles and Applications. — New York : Prentice Hall, 1987. — ISBN 0-13-523705-X
- ↑ P. 322 in Einstein, A. (1916a). » Strahlungs -emission und -absorption nach der Quantentheorie «. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18: 318–323. ( нем .): Die Konstanten and würden sich direkt berechnen lassen , wenn wir im Besitz einer im Sinne der Quantenhypothese modifizierten Elektrodynamik und Mechanik wären .»
- ↑ Dirac, P.A.M. (1926). «On the Theory of Quantum Mechanics». Proceedings of the Royal Society A 112: 661–677. DOI:10.1098/rspa.1926.0133.
- ↑ Dirac, P.A.M. (1927a). «The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiation». 114: 243–265.
- ↑ Dirac, P.A.M. (1927b). «The Quantum Theory of Dispersion». 114: 710–728.
- ↑ Heisenberg, W.; Pauli, W. (1929). » Zur Quantentheorie der Wellenfelder «. Zeitschrift für Physik 56: 1. DOI:10.1007/BF01340129. ( нем .)
- ↑ Heisenberg, W.; Pauli, W. (1930). » Zur Quantentheorie der Wellenfelder «. Zeitschrift für Physik 59: 139. DOI:10.1007/BF01341423. ( нем .)
- ↑ Fermi, E. (1932). «Quantum Theory of Radiation». Reviews of Modern Physics 4: 87. DOI:10.1103/RevModPhys.4.87.
- ↑ Born, M. (1926a). » Zur Quantenmechanik der Stossvorgänge «. Zeitschrift für Physik 37: 863–867. DOI :10.1007 /BF01397477. ( нем .)
- ↑ Born, M. (1926b). » Zur Quantenmechanik der Stossvorgänge «. Zeitschrift für Physik 38: 803. DOI :10.1007 /BF01397184. ( нем .)
- ↑ A. Pais Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. — Oxford University Press, 1986
- ↑ QCD and Two-Photon Physics, in Linear Collider Physics Resource Book for Snowmass 2001, Chapter 7, LC-REV-2001-074-US.
- ↑ E.g . section 10.1 in R.A. Dunlap An Introduction to the Physics of Nuclei and Particles. — Brooks/Cole, 2004. — ISBN 0-534-39294-6
- ↑ Radiative correction to electron mass section 7-1-2, anomalous magnetic moments section 7-2-1, Lamb shift section 7-3-2 and hyperfine splitting in positronium section 10- 3 in C. Itzykson Quantum Field Theory. — McGraw-Hill, 1980. — ISBN 0-07-032071-3
- ↑ E. g. sections 9.1 (gravitational contribution of photons) and 10.5 (influence of gravity on light) in H. Stephani General Relativity: An Introduction to the Theory of Gravitational Field. — Cambridge University Press, 1990. — ISBN 0-521-37941-5
- ↑ Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. — 340 с .
- ↑ М. Ф. Сэм Заключение. Области применения лазеров. Astronet.ru . Проверено 6 февраля 2009.
- ↑ Спектральный анализ. С hemport.ru . Проверено 8 февраля 2009.
- ↑ Jennewein , T. (2000). «A fast and compact quantum random number generator». Review of Scientific Instruments 71: 1675–1680. DOI:10.1063/1.1150518.
- ↑ Stefanov , A. (2000). «Optical quantum random number generator». Journal of Modern Optics 47: 595–598. DOI:10.1080/095003400147908.
Фотон и его свойства. Давление света. Эффект Комптона.
Фотон — материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).
Основные свойства фотона
- Является частицей электромагнитного поля.
- Движется со скоростью света.
- Существует только в движении.
- Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.
Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда — масса фотона.
Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку.
Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.
Давление света
В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие(благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v — направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).
Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:
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).
Это давление оказалось ~4 . 10 -6 Па. 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.
Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом
Эффект Комптона (1923)
А. Комптон на опыте подтвердил квантовую теорию света. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах без какого-либо изменения частоты излучения, что опытом не подтверждается.
При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А. Комптона можно объяснить следующим образом.
Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон — электрон:
где m0c 2 — энергия неподвижного электрона; hv — энергия фотона до столкновения; hv‘ — энергия фотона после столкноВЕНИЯ, P и p’ — импульсы фотона до и после столкновения; mv — импульс электрона после столкновения с фотоном.
Решение системы уравнений для энергии и импульса с учетом того, что дает формулу для измерения длины волны при рассеянии фотона на (неподвижных) электронах:
где — так называемая комптоновская длина волны.
Корпускулярно-волновой дуализм
Конец XIX в.: фотоэффект и эффект Комптона подтвердили теорию Ньютона, а явления дифракции, интерференции света подтвердили теорию Гюйгенса.
Таким образом, многие физики в начале XX в. пришли к выводу, что свет обладает двумя свойствами:
- При распространении он проявляет волновые свойства.
- При взаимодействии с веществом проявляет корпускулярные свойства. Его свойства не сводятся ни к волнам, ни к частицам.
Чем больше v, тем ярче выражены квантовые свойства света и менее — волновые.
Итак, всякому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. Поэтому то, как проявляет себя фотон — как волна или как частица,—зависит от характера проводимого над ним исследования.
Фотон. Что такое фотон и как он связан с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ)?
Что такое фотон и как он связан с возобновляемыми источниками энергии? Как производится свет? Что такое фундаментальная частица? Последние два вопроса особенно задавались выдающимися учеными на протяжении веков, но долгое время не находили правильного ответа. Сегодня состояние знаний о солнечном излучении находится на гораздо более высоком уровне, что также находит отражение в развитии технологий. Понимание, по крайней мере в элементарном объеме, того, что такое фотонная энергия, позволяет нам понять, как работает фотоэлектричество и почему мы относим его к возобновляемым источникам энергии.
Фотон — что это такое?
На вопрос, что такое фотон, простых, общепонятных ответов практически нет. Даже самые простые требуют минимальных знаний физики и базовых понятий. Но прежде чем мы объясним, что такое энергия фотона, каковы его свойства и что такое фотон для РЭС — давайте начнем с основ. Лучший вопрос для начала любого определения — это просто «что это такое?»
Термин фотон чаще всего определяют как элементарную частицу, относящуюся к группе бозонов и являющуюся «переносчиком электромагнитных взаимодействий».
Объяснение того, что такое фотон, дал Гилберт Ньютон Льюис – американский профессор, физик и химик, живший в 1875-1946 годах. Мы обязаны ему объяснением ковалентных связей или теории кислот и оснований. Определение фотона как «лучистого энергоносителя» восходит к 1926 году — исследователь сослался на более ранние работы и исследования Макса Планка и Альберта Эйнштейна. И хотя намерения и подсказки Льюиса шли несколько иными путями, именно предложенный им термин научное сообщество восприняло с энтузиазмом и начало использовать его для описания кванта света, т.е. наименьшего количества лучистой энергии.
Позже в статье мы обсудим свойства фотона и его связь с фотовольтаикой. Но мы еще не полностью объяснили, что такое фотон. Как это делается и откуда берется? Фотон формируется на Солнце — процесс, который занимает миллионы лет — когда элементы водорода и гелия сталкиваются в центральной звездной структуре Солнечной системы. Затем они выходят и направляются к Земле. А поскольку они переносят свет и энергию, они дают нам — человечеству — жизнь, создавая при этом новые, привлекательные энергетические возможности, о которых речь пойдет чуть позже.
Фотовольтаика для дома — это такая развитая, современная и полезная технология благодаря знанию того, что такое фотон, то есть мельчайшая частица света.
Фотон — характеристики
Свойства фотона помогают лучше понять, почему ученым потребовалось так много времени на исследования и открытия в этой области.
1. Вы не увидите фотон
Основное свойство фотона состоит в том, что он остается невидимым невооруженным глазом. Без специальной техники его невозможно увидеть в естественном виде.
2. Вы не можете почувствовать фотон
Хотя фотоны энергетически разные, вы их все равно не почувствуете. Вы не почувствуете. Вы не заметите. Мало того, что они невидимы невооруженным глазом, так еще и незаметны из-за отсутствия обоняния или вкуса. Вы их не услышите — они просто неуловимы для человеческого восприятия.
3. Вы не можете догнать фотон
Еще одна особенность фотона заключается в том, что он движется со скоростью света. С такой скоростью движутся только фотоны, другие частицы движутся медленнее скорости света. Иногда это значение может быть близко к скорости света, но не может быть достигнуто.
4. Вы не можете поймать фотон
Нет никаких препятствий для того, чтобы фотон остановился и уничтожил его в своем путешествии по вселенной. Такой силой обладают только черные дыры.
После анализа энергетического содержания фотонов излучение определяется по-другому, т.е. как:
- радио,
- микроволны,
- инфракрасный,
- видимый свет,
- надфиолет,
- рентгеновские лучи (Х),
- гамма.
Вы уже знаете самые важные свойства фотона. Как фотогальваника использует эти знания?
Фотон в фотовольтаике
Самостоятельное получение энергии от солнца в составе гелиоустановки возможно благодаря использованию фотоэлектрического эффекта. Это явление впервые наблюдал Александр Э. Беккерель в 1839 году. Конечно, потребовались десятилетия последующих исследований — в т.ч. таких блестящих умов, как Альберт Эйнштейн, — открыть достаточно полезных знаний, повлиявших на динамичное развитие фотовольтаики.
Первые солнечные панели были созданы несколько десятилетий назад, и хотя тогда их эффективность была намного ниже, чем сегодня, уже было ясно, что их работа зависит от присутствия в солнечном излучении таких мелких частиц, как фотоны. Проще говоря, фотогальванический эффект заключается в том, что поток солнечных лучей попадает на поверхность полупроводников, и фотоны возбуждают электроны, перенимающие их энергию. Самым популярным полупроводником на рынке долгое время был кремний, именно поэтому из него изготавливают многие солнечные панели.
Мы остановились на этапе поглощения энергии фотонов электронами. Чтобы это стало возможным, в атоме полупроводника создается электронная дырка, и электроны движутся в противоположном ей направлении, а затем создается электрический ток. Напомним, что солнечные панели подходят для производства постоянного тока. Инвертор используется для преобразования его в переменный ток с характеристиками сети, соответствующими стандартному зданию и сети. Сборка этого устройства необходима для возможности использования самостоятельно вырабатываемой электроэнергии.
Каково значение фотона для фотовольтаики? Можно смело сказать, что основное — поток солнечного света необходим для того, чтобы в ячейках фотоэлектрических панелей происходило физическое явление, позволяющее производить энергию.
Эффективность этого процесса, с одной стороны, зависит от условий солнечного света и экспозиции панели на солнце, а с другой стороны, от качества самого модуля. Вот почему так важно правильно подобрать приборы и продуманно их собрать в нужном месте, под нужным углом.
Образно говоря, «нужно создать правильные условия для работы фотонов». Фотогальваника может понадобиться, например, из-за физического разрушения полупроводниковой структуры в панели, а не потому, что фотоны закончатся. Пока над нашими головами светит солнце, мы можем производить бесплатную и экологически чистую электроэнергию. А без фотонов и солнца наш мир должен был бы прекратить свое существование, по крайней мере, таким, каким мы его знаем.
Резюме
Благодаря знанию того, что такое фотон и каковы его свойства, особенно в области производства зеленой энергии, сегодня мы можем предложить такие решения, как фотогальваника для компаний или фотогальваника для фермера. Надеемся, что доступный язык статьи облегчил вам понимание взаимосвязи фотона и РЭС.
Помните, что вы всегда можете рассчитывать на консультантов и экспертов Enargy Comfort. Наши специалисты с радостью поделятся знаниями, накопленными за годы работы . Мы также поможем вам подать заявку на получение субсидии на фотоэлектричество по госпрограмме.