Фотон что это такое простыми словами

Фотон что это такое простыми словами

Фотон – фундаментальная частица, квант электромагнитного поля. В виде фотонов испускается и поглощается электромагнитное излучение. Фотон имеет свойства как частицы, так и волны. У него нет ни электрического заряда, ни массы. Фотон имеет определенную энергию Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10 -15 эВ·сек, ν – частота электромагнитных колебаний) и импульс, величина которого р = Е/с (с – скорость света, с которой всегда движется фотон в пустоте).
Наряду с реальными фотонами, существуют и так называемые виртуальные фотоны. Реальные фотоны, о которых говорилось выше, переносят энергию электромагнитного излучения и, в зависимости от этой энергии, выступают в виде радиоволн, обычного света, рентгеновских лучей и гамма-квантов. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Для виртуальных фотонов не выполняется соотношение между энергией и импульсом р = Е/с. Так виртуальные фотоны могут иметь массу и даже находиться в состоянии покоя. Соотношения неопределённостей квантовой механики допускают кратковременное появление виртуальных частиц.
Электромагнитное взаимодействие между двумя заряженными частицами осуществляется обменом одним или несколькими виртуальными фотонами. В роли переносчика электромагнитного взаимодействия фотон относится к классу, так называемых, калибровочных бозонов — носителей фундаментальных сил природы.

• Взаимодействие фотонов с веществом
• Классификация фотонов и мультипольные волныФотон как калибровочное поле
• Механизм взаимодействия частиц
• Взаимодействие фотона с электроном в квантовой электродинамике
• Фотоядерные реакции

Что такое фотон

Фотон, это минимальная порция (квант) электромагнитного поля, которую можно передать от одного тела к другому телу.

Остальные ответы
Субатомная частица наверное, либо марка машин

Фотон — квант электромагнитного излучения, элементарная частица, является носителем электромагнитного взаимодействия. Это безмассовых частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю.

Это корейский грузовичек
Oleg MENМыслитель (7937) 6 лет назад
скорее китайский трактор
частица света
Максим КаранчовУченик (101) 6 лет назад
вот, наконец — то!
Руслан Маржев Мастер (2227) а то умнячают тут все, расписывают
учи уроки, а то и простыми словами не поймешь
частица. не имеет массы покоя. поглощается материей. участвует в преобразованиях энергии.
Квантовый объект. Это в двух словах.

Фотон или Гамма-квант-это такая ахyительно-пиздатая и невъeбeнно невесомая частица. Представляет из себя точку. Она какбы есть и какбы нет, но она пnздец как существует, если бы ее не было во вселенной было бы очень темно и страшно.
Фотон выделяется из атома который находится в нестабильном состоянии, сие действо можно гордо называть Гамма-распадом. Фотон не имеет ни массового числа, ни зарядового. Чтобы увидеть фотоны вам понадобится лампа или лазер. Но лазер лучше, так как это узкон направленный концентрированный пучок фотонов.

Максим КаранчовУченик (101) 6 лет назад
Пиздато сказал, 1) четко 2) охуенно 3) подробно
Cr0ssУченик (166) 5 лет назад
Комментарий удален

Все ФОТОНЫ — должны быть в кавычках…
Слова в кавычках в кавычке…
Дискретности не существует в привычках,
Как и нет — тепловоза в электричке…
…Но причинно-следственная грязь,
…Туманит наш разум линейно…
…Блокируя сферическую связь,
…Ненавидя «гениального» Эйнштейна.
Высоких материй «маяка»,
Квантовой механики «чудачества»…
Дарвина – обезьяньего дурака,
Фрейда – интимного трюкачества.
…Существует — следствие причины,
…Я просто перебросил «улов»…
…Игрушка парадоксальной дурачины,
…Бесконечная игра моих Слов.
Объективизм всегда в субъективизме…
Субъективизмов наш многочлен.
Как изменчивый рай в коммунизме,
Что «энтузиазизмом» был вожделен.
…Объединяя, объединяю единое,
…Спрашивается: для чего повторять…
…Чтоб лицо озарить дальновидное,
…И дискретное всё потерять.
Всё меняя, меняю все грани,
Повторяя, повторяю – повторяясь…
Чтоб скоро появился на экране,
В наблюдателях во всех растворяясь.
…Чтоб логистика сферически-адекватно,
…Объединила совершенные формы…
…Дуальность убрав безвозвратно,
…Озарила — троичного разума «нормы».
И вот мы забыли про ФОТОНЫ,
В рай возвращаясь мы вновь…
По ходу порвав ВСЕ КОНДОНЫ,
Превратились в Совершенную Любовь!

Владимир ЗамятинОракул (65120) 6 лет назад

Аплодисменты. Два года по маленькой какашке выкладывал, и, наконец, наложил здоровенную вонючую кучу.

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, исторические факты, свойства, фото

То, что физики называют фотонами, другие люди могли бы просто назвать светом. Как кванты света, фотоны представляют собой наименьшие возможные пакеты электромагнитной энергии. Если вы читаете эту статью на экране или на странице, потоки фотонов несут образы слов к вашим глазам. В науке фотоны используются не только для освещения.

Полезные статьи:

«Они вездесущи», — говорит Ричард Руис, научный сотрудник Института ядерной физики в Кракове (Польша), и теоретик, ищущий новую физику на Большом адронном коллайдере. «Фотоны повсюду в физике элементарных частиц, поэтому о них почти забываешь». Фотон служил источником открытий на протяжении столетий, и сегодня он остается важным инструментом.

От волны к частице и к бозону

Люди исследовали природу света с древних времен, причем первые идеи пришли к нам от философов и ученых из Египта, Месопотамии, Индии и Греции. Между концом 17-го и началом 20-го веков ученые ходили туда-сюда, пытаясь ответить на один вопрос, в частности: ведет ли свет как частица или как волна.

Христиан Гюйгенс в 1690 году опубликовал свой трактат о свете « Traité de la Lumière» . В нем он описал свет как состоящий из волн, которые движутся через эфир, который, как считалось, пронизывает пространство.

Исаак Ньютон заявил в своей книге 1704 года «Оптика», что он не согласен. Когда свет отражается от поверхности, он действует как прыгающий мяч; угол, под которым он приближается к поверхности, равен углу, под которым он отскакивает. Ньютон утверждал, что это явление, среди прочего, можно было бы объяснить, если бы свет состоял из частиц, которые он назвал «корпускулами».

Пример. Стеклянная призма преломляет луч белого света в цвета радуги. Ньютон заметил, что когда свет затем снова преломлялся через вторую призму, он больше не делился; цвета радуги остались прежними.

Ньютон сказал, что это можно объяснить, если предположить, что белый свет состоит из множества различных корпускул разного размера. Красный свет состоял из самых больших тел, фиолетовый был составлен из самых маленьких. Ньютон сказал, что их разные размеры заставляли тельца протягиваться сквозь стекло с разной ускоренной скоростью. Это распространило их, создавая цветную радугу, которую нельзя было разделить дальше с помощью второй призмы.

Однако корпускулярная модель Ньютона имела существенный недостаток. Когда свет проходит через маленькое отверстие, он распространяется, как водная рябь. Корпускулярная модель Ньютона не могла объяснить такое поведение, а волновая модель Гюйгенса смогла. Тем не менее, ученые в целом были склонны отвергать Гюйгенса и слушать Ньютона — в конце концов, он написал «Начала» , одну из самых важных книг в истории науки.

Томас Янг в 1801 г. провел эксперимент с двойной щелью. В эксперименте Янг направил луч света через два маленьких отверстия, расположенных бок о бок, и обнаружил, что проходящий через них свет формирует определенный узор. Через равные промежутки времени пересекающиеся волны, исходящие из двух отверстий, мешали либо конструктивно — объединяясь, чтобы сделать свет ярче, — либо деструктивно — подавляя друг друга. Прямо как волны. Примерно пять десятилетий спустя другой эксперимент окончательно вывел модель Гюйгенса на первое место.

Леон Фокаль в 1850 г. сравнил скорость света в воздухе со скоростью света в воде и обнаружил, что, вопреки утверждениям Ньютона, свет не движется быстрее в более плотной среде. Вместо этого, как и волна, она замедлилась.

Джеймс Клерк Максвелл 11 лет спустя опубликовал «О физических силовых линиях» , в которой предсказал существование электромагнитных волн. Максвелл заметил их сходство со световыми волнами, что привело его к выводу, что это одно и то же. Казалось, что волновая модель Гюйгенса победила.

Макс Планк 1900 г. придумал идею, которая положила начало совершенно новой концепции света. Планк объяснил некоторые загадочные свойства излучения, описав энергию электромагнитных волн, разделенную на отдельные пакеты.

Альберт Эйнштейн в 1905 г. опирался на концепцию энергетических пакетов Планка и, наконец, разрешил спор корпускул и волн, объявив их равными. Ученый объяснил , что свет ведет себя и как частица, и как волна, причем энергия каждой частицы света соответствует частоте волны. Его свидетельство было получено в результате исследований фотоэлектрического эффекта — способа, которым свет выбивает электроны из металла. Если бы свет распространялся только непрерывной волной, то достаточно продолжительное воздействие света на металл всегда смещало бы электрон, потому что энергия, передаваемая электрону, со временем накапливалась бы. Но фотоэлектрический эффект так не работает.

Филипп Ленард в 1902 году заметил, что только свет с большей энергией — или световые волны выше определенной частоты — может оторвать электрон от металла. И казалось, что это произошло сразу же после контакта. В этом случае свет действовал больше как частица, отдельный пакет энергии.

Роберт Милликен , убежденный в волновой модели света, решил опровергнуть гипотезу Эйнштейна. Милликен тщательно измерил взаимосвязь между светом и электронами, участвующими в фотоэлектрическом эффекте. К своему удивлению, он подтвердил каждое предсказание Эйнштейна. Исследование фотоэлектрического эффекта Эйнштейном принесло ему единственную Нобелевскую премию в 1921 году.

Артур Комптон в 1923 году предоставил дополнительную поддержку модели света Эйнштейна. Комптон направил свет высокой энергии на материалы и успешно предсказал углы, под которыми электроны, высвобождаемые в результате столкновений, будут рассеиваться. Он сделал это, предположив, что свет будет действовать как крошечные бильярдные шары.

Гилберт Льюис, известный химик, придумал название для этих бильярдных шаров. В письме от 1926 г. в журнале «Nature» он назвал их «фотонами».

То, как ученые думают о фотонах, в последние годы продолжало развиваться. Во-первых, фотон теперь известен как «калибровочный бозон». Калибровочные бозоны — это частицы, несущие силу, которые позволяют частицам материи взаимодействовать посредством фундаментальных сил.

Атомы, например, слипаются, потому что положительно заряженные протоны в их ядрах обмениваются фотонами с отрицательно заряженными электронами, которые вращаются вокруг них — взаимодействие посредством электромагнитной силы. Во-вторых, фотон теперь рассматривается как частица, волна и возбуждение — что-то вроде волны в квантовом поле.

Квантовое поле, такое как электромагнитное поле, представляет собой вид энергии и потенциала, распространяющийся по всему пространству. Физики думают о каждой частице как о возбуждении квантового поля. «Мне нравится думать о квантовом поле как о спокойной поверхности пруда, где вы ничего не видите», — говорит Руис. «Затем вы кладете на поверхность камешек, и вода немного всплывает. Это частица».

Фотоны как инструмент

Радиоволны и микроволны; инфракрасный и ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи — все это свет, и все они состоят из фотонов.

Фотоны действуют повсюду вокруг вас. Они перемещаются по подключенным оптоволоконным кабелям для передачи сигналов Интернета, кабеля и сотовых телефонов. Они используются в переработке пластмасс, чтобы разбивать объекты на небольшие строительные блоки, которые можно использовать в новых материалах. Они используются в больницах в лучах, нацеленных на раковые ткани и разрушающих их. И они являются ключом ко всем видам научных исследований.

Фотоны необходимы в космологии: изучении прошлого, настоящего и будущего Вселенной. Ученые изучают звезды, исследуя излучаемое ими электромагнитное излучение, такое как радиоволны и видимый свет. Астрономы создают карты нашей галактики и ее соседей, визуализируя микроволновое небо. Они обнаруживают космическую пыль, которая закрывает им обзор далеких звезд, обнаруживая ее инфракрасный свет.

Ученые собирают сильные сигналы в виде ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-лучей, испускаемых энергетическими объектами из нашей галактики и за ее пределами. И они обнаруживают слабые сигналы, такие как слабый образец света, известный как космический микроволновый фон, который служит записью состояния Вселенной через несколько секунд после Большого взрыва. Фотоны также остаются важными в физике. В 2012 году ученые Большого адронного коллайдера обнаружили бозон Хиггса, изучив его распад на пары фотонов.

Донна Стриклед получила Нобелевскую премию по физике в 2018 году за свою работу по разработке ультракоротких высокоинтенсивных лазерных импульсов, сформированных из сильно сфокусированного света высокой энергии.

Машины, называемые источниками света, создают интенсивные пучки рентгеновских лучей, ультрафиолетового и инфракрасного света, чтобы помочь ученым разбить этапы самых быстрых химических процессов и исследовать материалы в деталях на молекулярном уровне.

Дженнифер Дионн говорит: «Во всем электромагнитном спектре фотоны могут предоставить нам столько информации о мире», доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета.

Дионн проводит исследования в области нанофотоники, области физики, в которой ученые управляют светом и изучают его взаимодействие с молекулами и наноразмерными структурами. Среди других проектов ее лаборатория использует фотоны для повышения эффективности катализаторов, веществ, используемых для запуска высокоэффективных химических реакций.

Некоторые физики даже ищут новые типы фотонов. Теоретические «темные фотоны» будут служить новым типом калибровочных бозонов, опосредуя взаимодействия между частицами темной материи. «Фотоны всегда полны сюрпризов, — говорит Дионн.

Теория Куо

Фотон может быть самой известной из элементарных частиц. Двигаясь со скоростью света, частицы ежедневно бомбардируют нас с Солнца, Луны и звезд. Более века ученые и инженеры использовали их в совокупности для освещения наших городов, а теперь и наших экранов.

Сегодня исследователи могут управлять фотонами с большей тонкостью, чем когда-либо прежде. В Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в Мэриленде физик Паулина Куо создает и манипулирует фотонами индивидуально. Освещая специально разработанные кристаллы лазерным светом в своей лаборатории, Куо производит двойные фотоны, которые она может разделить на одиночные фотоны. Направляя их к определенным материалам, которые поглощают частицу, создавая фотоны разных цветов, она может эффективно изменять цвет фотона, сохраняя при этом закодированную в нем информацию.

Например, она разработала кристалл, который удваивает частоту входного фотона, обеспечивая преобразование между красным и инфракрасным светом. «Вы можете соединить два фотона вместе или разделить один фотон на два», — говорит она. «Или даже процессы более высокого порядка. Вы можете объединить три фотона в один или разделить один фотон на три». В дополнение к этим методам она использует современные детекторы одиночных фотонов, сделанные из сверхпроводящих проводов, которые становятся несверхпроводящими, когда поглощают одиночный фотон. Эти типы детекторов обеспечивают высокоточный подсчет, обнаруживая фотоны с эффективностью до 99 процентов.

Эта однофотонная технология станет основой будущего квантового Интернета, предлагаемой глобальной сети устройств для передачи данных, закодированных в одиночных фотонах и других квантовых частицах. Эти данные будут представлены в квантовых свойствах частицы, таких как поляризация фотона. В отличие от классических данных, которые могут быть представлены только как 0 или 1, так называемая квантовая информация принимает значения, которые представляют собой взвешенные комбинации 0 и 1, что позволяет использовать новые, потенциально более мощные вычислительные алгоритмы и новые протоколы шифрования.

По словам Куо, для квантового Интернета существует множество технических проблем, таких как проблемы с потерей сигнала. Но исследователи — и их правительства — строят амбициозные планы. В 2016 году Европейский Союз начал инициативу по квантовым технологиям стоимостью 1 миллиард евро. В августе этого года в США было создано пять центров квантовых исследований для ускорения развития квантовых технологий, и в течение следующих пяти лет было обещано до 625 миллионов долларов. Физик Пан Цзянь-Вэй, который руководил запуском в 2016 году китайского спутника квантовой технологии стоимостью 100 миллионов долларов и его последующих проектов, описал цель создания глобального квантового Интернета к 2030 году.

Многие эксперты назвали нынешнюю эру однофотонной технологии «второй квантовой революцией», сдвигом парадигмы, когда ученые не только понимают противоречащие интуиции принципы квантовой механики — запутанность, суперпозицию и дуальность волна-частица, но могут использовать их в технологии. Фотон больше не просто объект изучения, а инструмент.

Так что же такое фотон? Куо дает круговой ответ. «Фотон — это щелчок, регистрируемый однофотонным разрешающим детектором», — говорит она.

Для описания фотона использовались более расплывчатые слова, чем у Куо. Это волна и частица света, или это квантование электромагнитного поля. Или «Заткнись и посчитай» — фраза, знакомая каждому, кто ломал голову над квантовой механикой.

Определение фотона, основные свойства

Фотон — это наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения. Это основная единица всего света.

Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью ко всем наблюдателям 2,998 x 10 8 м / с. Это обычно называется скоростью света и обозначается буквой «С».

Основные свойства фотона

• нулевая масса и энергия покоя. Они существуют только как движущиеся частицы;
• это элементарные частицы, несмотря на отсутствие массы покоя;
• нет электрического заряда;
• стабильны;
• это частицы со спином 1, что делает их бозонами;
• несут энергию и импульс, зависящие от частоты;
• могут взаимодействовать с другими частицами, такими как электроны, например эффект Комптона;
• они могут быть разрушены или созданы многими естественными процессами, например, при поглощении или испускании радиации;
• в пустом пространстве движутся со скоростью света.Как выглядит фотон

Фотон в современном мире

Фотоны часто называют энергетическими пакетами. Это очень подходящая аналогия, поскольку фотон содержит энергию, которую нельзя разделить. Эта энергия хранится в виде колеблющегося электрического поля. Эти поля могут колебаться практически с любой частотой. Хотя они никогда не наблюдались, самая длинная теоретическая длина волны света равна размеру Вселенной, а некоторые теории предсказывают, что самая короткая из возможных — это длина Планка. Эти пакеты энергии могут передаваться на огромные расстояния без уменьшения энергии или скорости. Фотоны движутся со скоростью света, 2.997×10 8 м / с в пустом пространстве. Скорость фотона в пространстве может быть напрямую получена из скорости электрического поля в свободном пространстве. Максвелл представил это доказательство в 1864 году. Хотя фотоны не имеют массы, у них есть наблюдаемый импульс, который следует уравнению де Броля. Импульс фотонов приводит к интересным практическим приложениям, таким как оптический пинцет.

Вообще говоря, фотоны обладают свойствами, аналогичными электромагнитным волнам. У каждого фотона есть длина волны и частота. Длина волны определяется как расстояние между двумя пиками электрического поля с одним и тем же вектором. Частота фотона определяется как количество длин волн, на которое фотон распространяется каждую секунду.

В отличие от электромагнитной волны, фотон не может быть цветным. Вместо этого фотон будет соответствовать свету данного цвета. Поскольку цвет определяется способностями человеческого глаза, отдельный фотон не может иметь цвет, потому что он не может быть обнаружен человеческим глазом. Чтобы сетчатка могла обнаруживать и регистрировать свет определенного цвета, на нее должны воздействовать несколько фотонов. Цвет можно воспринимать только тогда, когда множество фотонов действуют на сетчатку в унисон в виде электромагнитной волны.

Как описано уравнениями Максвелла

Наиболее точное описание природы фотонов дает уравнения Максвелла. Уравнения Максвелла математически предсказывают, как фотоны движутся в пространстве. По сути, электрическое поле, испытывающее поток, создает ортогональное магнитное поле. Затем поток магнитного поля воссоздает электрическое поле. Создание и разрушение каждой соответствующей волны позволяет паре волн перемещаться в пространстве со скоростью света. Уравнения Максвелла правильно описывают природу отдельных фотонов в рамках квантовой динамики.

Создание фотонов

Фотоны можно генерировать разными способами. В этом разделе мы обсудим некоторые способы испускания фотонов. Поскольку фотоны представляют собой электрическое поле, распространяющееся в пространстве, испускание фотонов требует движения заряженных частиц.

Излучение черного тела

Когда вещество нагревается, атомы внутри него колеблются с более высокими энергиями. Эти колебания быстро изменяют форму и энергию электронных орбиталей. Когда энергия электронов изменяется, фотоны испускаются и поглощаются с энергиями, соответствующими энергии изменения. Излучение черного тела — это то, что заставляет лампочки светиться, а тепло объекта ощущается с большого расстояния. Упрощение объектов до черных тел позволяет косвенно рассчитывать температуру удаленных объектов. Астрономы и кухонные инфракрасные термометры используют этот принцип каждый день.

Спонтанное излучение

Фотоны могут испукаться спонтанно, когда электроны переходят из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией (обычно в основное состояние). Технический термин для этого падения энергии — релаксация. Электроны, испускающие этот тип излучения, будут производить очень характерный набор фотонов в зависимости от доступных уровней энергии в их среде. Этот набор возможных фотонов является основой для спектра излучения.

Флуоресценция

Цветение — это частный случай спонтанного излучения. При флуоресценции энергия испускаемого фотона не соответствует энергии, используемой для возбуждения электрона. Электрон будет флуоресцировать, когда он теряет значительное количество энергии в окружающую среду, прежде чем подвергнуться релаксации. Обычно флуоресценцию используют в лабораторных условиях для визуализации присутствия целевых молекул. Ультрафиолетовый свет используется для возбуждения электронов, которые затем излучают свет в видимых длинах волн, которые могут видеть исследователи.

Вынужденная эмиссия

Возбужденный электрон можно искусственно заставить релаксировать в более низкое энергетическое состояние с помощью фотона, уравновешивающего разницу между этими энергетическими состояниями. Фаза и ориентация электрического поля результирующего фотона, а также его энергия и направление будут идентичны падающему фотону. Говорят, что свет, производимый вынужденным излучением, когерентен, поскольку он во всех отношениях похож на вызвавший его фотон. Лазеры производят когерентное электромагнитное излучение за счет вынужденного излучения.

Синхротроны (изгиб электронов)

Электроны с чрезвычайно высокой кинетической энергией, например, в ускорителях частиц, будут производить фотоны высокой энергии при изменении их пути. Это изменение осуществляется сильным магнитным полем. Таким образом, все свободные электроны будут излучать свет, но синхротронное излучение имеет особое практическое значение. Синхротронное излучение в настоящее время является наилучшей доступной технологией для получения направленного рентгеновского излучения с точными частотами.

Ядерный распад

Некоторые типы радиоактивного распада могут включать высвобождение фотонов высокой энергии. Один из таких типов распада — ядерная изомеризация. При изомеризации ядро ​​перестраивается в более стабильную конфигурацию и испускает гамма-лучи. Хотя это только теоретически, распад протона также будет излучать фотоны чрезвычайно высокой энергии.

Фотоэлектрический эффект

Свет, падающий на металлическую пластину, может вызвать отрыв электронов от поверхности пластин. Это взаимодействие между светом и электронами называется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэлектрический эффект стал первым убедительным доказательством того, что лучи света состоят из квантованных частиц.

Энергия, необходимая для выброса электрона с поверхности металла, обычно того же порядка величины, что и энергия ионизации. Поскольку металлы обычно имеют энергию ионизации в несколько электрон-вольт, фотоэлектрический эффект обычно наблюдается при использовании видимого света или света еще более высокой энергии.

Фотоэлектрический эффект имеет множество практических применений, так как ток может генерироваться источником света. Обычно фотоэлектрический эффект используется в переключателях, реагирующих на свет. Некоторые примеры — ночники и фотоумножители. Обычно ток настолько мал, что его необходимо усилить, чтобы он работал эффективно.

Энергия фотона

Энергия фотона — это дискретная величина, определяемая его частотой. Этот результат можно определить экспериментально, исследуя фотоэффект. Кинетическая энергия испускаемого электрона напрямую зависит от частоты падающего света. Если экспериментальные значения этих энергий сопоставить с линией, то наклон этой линии будет постоянной Планка. Точка, в которой электроны начинают испускаться с поверхности, называется пороговой частотой.

Принцип сохранения энергии гласит, что вся энергия фотона должна куда-то уходить. Предполагая, что начальная энергия, необходимая для отрыва электрона от его орбитали, кинетическая энергия фотона равна кинетической энергии испускаемого электрона плюс энергия ионизации.

Фотонная интерференция

В то время как эксперимент с двойной щелью первоначально показал, что луч света был волной, более продвинутые эксперименты подтверждают, что электрон является частицей с волнообразными свойствами. Наблюдается дифракция луча света через двойную щель, которая дифрагирует, создавая конструктивную и деструктивную интерференцию. Современные технологии позволяют испускать и детектировать одиночные фотоны. В эксперименте, проведенном Филиппом Гранжье, одиночный фотон пропускают через двойную щель.

Затем фотон обнаруживается на другой стороне щелей. Для большого размера выборки можно определить тенденцию в конечном положении фотонов. Согласно волновой модели света, интерференционная картина будет наблюдаться по мере того, как фотон снова и снова разделяется, образуя картину.

Однако результаты не согласуются с волновой моделью света. Каждый испускаемый фотон соответствует однократному детектированию на другой стороне щелей. С определенной вероятностью каждый фотон детектируется на 100%. В ходе серии измерений фотоны создают ту же интерференционную картину, которую ожидает пучок фотонов. Когда одна щель закрыта, интерференционная картина не наблюдается, и каждый фотон движется по линейному пути через открытую щель.

Эта интерференция имеет глубокое значение: фотоны не обязательно взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционную картину. Вместо этого они взаимодействуют и мешают себе. Кроме того, это показывает, что электрон не проходит через одну или другую щель, а скорее проходит через обе щели одновременно. Теория квантовой электродинамики Ричарда Фейнмана объясняет это явление, утверждая, что фотон будет путешествовать не одним путем, а всеми возможными путями во Вселенной.

Интерференция между этими путями даст вероятность того, что фотон пойдет по любому заданному пути, поскольку большинство путей взаимно компенсируются. Он использовал эту теорию для объяснения природы широкого диапазона действия фотонов, такого как отражение и преломление, с абсолютной точностью.

Как выглядит фотон

Вы когда-нибудь задумывались, какую форму имеет фотон? Ученые размышляли над этим вопросом десятилетиями, и, наконец, в 2016 году польские физики создали первую в истории голограмму одиночной легкой частицы. Команда Варшавского университета создала голограмму, одновременно направив два световых луча на светоделитель, сделанный из кристалла кальцита. Светоделитель похож на перекресток светофора, поэтому каждый фотон может либо пройти прямо, либо сделать поворот. Когда фотон сам по себе, все пути равновероятны, но чем больше фотонов задействовано, тем больше они взаимодействуют, и шансы меняются.

Если вам известна волновая функция одного из фотонов, можно определить форму второго по положению вспышек, появляющихся на детекторе. полученное изображение немного напоминает мальтийский крест, точно так же, как волновая функция, предсказанная из уравнения Шредингера.