Фотон
Фотон — это частица света или квант света; частица с которой можно делать расчёты.
Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью 2,998 x 10^8 м/с (это называется скоростью света и обозначается буквой c).
В марте 1905 года Эйнштейн создал квантовую теорию света, это была идея о том, что свет существует в виде крошечных частиц, которые он назвал фотонами.
Позже в том же году была расширена специальная теория относительности, в которой Эйнштейн доказал, что энергия (E) и материя (масса – m) связаны, и это соотношение стало самым знаменитым в физике: E=mc²; (напомним: c — скорость света).
Формулы фотона
Эти формулы являются наиболее важными.
Формула энергии кванта/фотона (формула Планка или Энергия кванта)
Энергия — это постоянная Планка, умноженная на частоту колебаний
E = h×v
Где:
- E — энергия фотона/кванта (в Дж – джоуль),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц).
Масса фотона
m = hv/c² = h/cλ
Где:
- m — масса фотона (в кг),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- λ — длина световой волны (в метрах).
Примечание:
Фотоны всегда движутся со скоростью света. В состоянии покоя фотоны не существуют (т.е. можно сказать, что масса покоя равна нулю).
Формула массы фотона (m = h/cλ) была выведена из формулы эквивалентности массы и энергии (E = mc²), при этом было использовано также равенство с энергией Кванта (E = h×v).
Импульс фотона
p = hv/c = h/λ
Где:
- p — импульс фотона (в Н•с – ньютон-секунда),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- λ — длина световой волны (в метрах).
Длина волны света, период и частота
Это ещё одно соотношение, которое может быть полезным в расчётах.
λ = cT = c/v
Где:
- λ — длина световой волны (в метрах),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- T — период световых колебаний (в секундах),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц).
Пример решения задачи с данными формулами
Определите энергию фотонов красного (λк = 0,76 мкм) света.
Известно:
λк = 0,76 мкм = 0,76 × 10^(–6) м
Решение:
Формула энергии фотонов: E = h×v
Где:
h — постоянная Планка,
v — частота света; из равенства λ = c/v выходит, что v = с/λ.
Таким образом, составляем равенство:
E = h × (с/λ) = hc / λ
Вспоминаем другие данные:
c = 3.10^8 (это скорость света в м/с)
h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду)
E = hc / λ = ((6,6.10^(–34) Дж.с) × (3.10^8 м/с)) / (0,76 × 10^(–6) м) = 2,6 × 10^(–19) Дж
Фотон является волной?
Фотон является одновременно частицей и волной. Согласно квантовой теории света Эйнштейна, энергия фотонов (E) равняется их частоте колебаний (v), умноженной на постоянную Планка (h); т.е. эта формула выглядит так: E = h×v.
Так он доказал, что:
- свет — это поток фотонов,
- энергия этих фотонов — это высота их частоты колебаний,
- интенсивность света соответствует количеству фотонов.
Таким образом, учёный объяснил, что поток фотонов действует и как волна, и как частица.
Узнайте также про:
- Нейтрино
- Теорию относительности
- Магнитную индукцию
- Полимер
- Теорию струн
Фотон
Фотон — это частица света или квант света; частица с которой можно делать расчёты.
Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью 2,998 x 10^8 м/с (это называется скоростью света и обозначается буквой c).
В марте 1905 года Эйнштейн создал квантовую теорию света, это была идея о том, что свет существует в виде крошечных частиц, которые он назвал фотонами.
Позже в том же году была расширена специальная теория относительности, в которой Эйнштейн доказал, что энергия (E) и материя (масса – m) связаны, и это соотношение стало самым знаменитым в физике: E=mc²; (напомним: c — скорость света).
Формулы фотона
Эти формулы являются наиболее важными.
Формула энергии кванта/фотона (формула Планка или Энергия кванта)
Энергия — это постоянная Планка, умноженная на частоту колебаний
Где:
- E — энергия фотона/кванта (в Дж – джоуль),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц).
Масса фотона
Где:
- m — масса фотона (в кг),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- λ — длина световой волны (в метрах).
Фотоны всегда движутся со скоростью света. В состоянии покоя фотоны не существуют (т.е. можно сказать, что масса покоя равна нулю).
Формула массы фотона (m = h/cλ) была выведена из формулы эквивалентности массы и энергии (E = mc²), при этом было использовано также равенство с энергией Кванта (E = h×v).
Импульс фотона
Где:
- p — импульс фотона (в Н•с – ньютон-секунда),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- λ — длина световой волны (в метрах).
Длина волны света, период и частота
Это ещё одно соотношение, которое может быть полезным в расчётах.
Где:
- λ — длина световой волны (в метрах),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- T — период световых колебаний (в секундах),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц).
Пример решения задачи с данными формулами
Определите энергию фотонов красного (λк = 0,76 мкм) света.
λк = 0,76 мкм = 0,76 × 10^(–6) м
Формула энергии фотонов: E = h×v
h — постоянная Планка,
v — частота света; из равенства λ = c/v выходит, что v = с/λ.
Таким образом, составляем равенство:
E = h × (с/λ) = hc / λ
Вспоминаем другие данные:
c = 3.10^8 (это скорость света в м/с)
h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду)
E = hc / λ = ((6,6.10^(–34) Дж.с) × (3.10^8 м/с)) / (0,76 × 10^(–6) м) = 2,6 × 10^(–19) Дж
Фотон является волной?
Фотон является одновременно частицей и волной. Согласно квантовой теории света Эйнштейна, энергия фотонов (E) равняется их частоте колебаний (v), умноженной на постоянную Планка (h); т.е. эта формула выглядит так: E = h×v.
Так он доказал, что:
- свет — это поток фотонов,
- энергия этих фотонов — это высота их частоты колебаний,
- интенсивность света соответствует количеству фотонов.
Таким образом, учёный объяснил, что поток фотонов действует и как волна, и как частица.
Видимый свет: свойства, диапазон, спектр, источники
Видимый свет – это видимая часть электромагнитного излучения, т.е. видимое излучение, воспринимаемое сетчаткой человеческого глаза.
Видимый свет – единственный тип электромагнитных волн, известный людям с незапамятных времен, хотя его природа была неизвестна до 1860-х годов. Люди были очарованы оптическими явлениями, такими как радуга, видимая на фотографии. На протяжении веков спорили о том, имеет ли свет конечную скорость или распространяется мгновенно.
Из этой статьи вы узнаете, как стала понятна природа света и почему мы видим мир в цветах.
В 1861 году Джеймс Максвелл опубликовал уравнения, в которых доказал, что электричество и магнетизм являются двумя видами одного и того же явления – электромагнетизма. Уравнения Максвелла не только связно объяснили все электрические и магнитные явления, но и предсказали существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света c = 3 * 10 8 м / с. Естественным выводом было предположить, что свет – это электромагнитная волна.
Свойства
Электромагнитная волна характеризуется:
- частотой ν, которая представляет собой число полных циклов изменения магнитного или электрического поля в секунду, выраженное в герцах (Гц), 1 Гц = 1 с -1 .
- длиной волны λ, которая является расстоянием между ближайшими точками, где электрическое или магнитное поле находится в одной и той же фазе цикла.
Эти величины связаны между собой: чем выше частота, тем короче длина волны: ν = c / λ , где где c – скорость света.
Диапазон.
Видимый свет охватывает очень узкий диапазон в спектре электромагнитных волн, от 380 до 780 нм. Излучение меньшей длины волны является ультрафиолетовым, а излучение большей длины волны – инфракрасным.
Поэтому мы видим только очень ограниченную часть электромагнитного спектра, для остальной части электромагнитного спектра у нас нет сенсорных клеток, и мы вынуждены прибегать к техническим средствам. Часто информация, которую мы регистрируем с помощью технических средств, таких как инфракрасные камеры, затем “переводится” в цвета, которые мы видим.
Спектр
Человеческий глаз воспринимает свет разной длины волны как впечатление различных цветов (рис. 1).
- фиолетовый от 380 нм до 436 нм;
- синий от 436 нм до 495 нм;
- зеленый от 495 нм до 566 нм;
- желтый, от 566 нм до 589 нм;
- оранжевый 589 нм – 627 нм;
- красный от 627 нм до 780 нм.
Белый свет – это смесь всех цветов. Вы можете увидеть это, разложив свет в призме или посмотрев на радугу, которая возникает в результате дисперсии белого света на капельках воды в облаках.
Как получается, что мы видим мир в красках? Когда белый свет падает на тело, часть излучения поглощается, а часть отражается от его поверхности. Если тело поглощает свет от красного до зеленого и отражает синий и фиолетовый свет, то при рассмотрении в белом свете оно будет иметь оттенок синего или фиолетового, в зависимости от соотношения этих цветов в отраженном свете.
Видимый свет лишь слегка поглощается как атмосферой Земли, так и водой. Эта особенность чрезвычайно важна для жизни на Земле. Ему мы обязаны не только способностью видеть окружающее нас пространство, но и самим происхождением жизни на Земле. Жизнь не могла бы существовать без фотосинтеза, для которого необходим свет.
Свет имеет волновую природу, т.е. он подвержен различным физическим явлениям, характерным для волн, таким как дифракция или интерференция. Но в то же время он имеет корпускулярную природу – он состоит из фотонов, элементарных частиц с нулевым зарядом и массой покоя. Отсутствие массы покоя означает, что фотон не существует в состоянии покоя, он может двигаться только со скоростью света.
Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны:
E = h * ν = ( h * c ) / λ, где
где ν – частота волны, λ – длина волны, c = 3 * 10 8 – скорость света, h – постоянная Планка, h = 6,63*10- 34 Дж*с = 4,14*10 -15 эВ·c.
Смешивая вместе красные, синие и зеленые лучи света, можно получить любой цвет. Смешивание света равной интенсивности этих трех цветов дает белый свет (рис. 2). Изменяя пропорцию каждого цвета, можно получить другой цвет. Явление создания новых цветов путем наложения лучей видимого света разной длины называется аддитивным синтезом.
Рис. 2. Аддитивный синтез цвета
Чувствительность человеческого глаза к цветам обусловлена наличием в сетчатке трех типов фоторецепторов, называемых колбочками. Каждый тип колбочек чувствителен к разным цветам света: красному, зеленому и синему. В зависимости от соотношения этих трех цветов, регистрируемых колбочками, в мозге формируется впечатление о полученном цвете.
Центр области видимого света находится на длине волны около 555 нм, что соответствует желто-зеленому цвету. К свету этого цвета чувствительность глаза наиболее высока. Кривая чувствительности глаза стремится к нулю как на длинноволновой, так и на коротковолновой стороне (рис. 3).
Рис. 3. Чувствительность глаз к свету разной длины волны
Все современные мониторы, телевизоры, цифровые камеры и подобные устройства работают по принципу аддитивного смешивания цветов. Комбинируя цвета RGB (красный, зеленый, синий) в любом количестве комбинаций, можно получить широкий спектр производных цветов на экране.
Источники.
Источником видимого света может быть пламя свечи, газ в люминесцентной лампе или зажженная лампочка, а также отражающий солнечный свет объект.
Спектр частот света или спектр волн света?
Прежде чем читать и разбираться с этой статьёй, необходимо ознакомиться со статьёй ”Что такое волна?“.
http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/chtotakoewolna.shtml
Эта статья Ссылки находятся внизу в разделе РЕЦЕНЗИИ
А теперь давайте разбираться, что такое частотный спектр света и как в данном вопросе нас специально дурачат? В астрономии от светящегося объекта наблюдатель принимает спектр частот. Вот пример. Солнечный луч света – это множество цветных линий, которые мы наблюдаем как радугу. Каждая тоненькая линия – это монохроматическая частота (одна частота). Каждую монохроматическую частоту приносят частицы фотоны, обладающие этой одной частотой. Вы заметили, что наблюдать можно только линии частот (радуга), а наблюдать длину волны невозможно потому, что её у фотонов просто нет. Фотоны – это частицы, а у частиц волн нет. Частицы могут только совершать колебания. А это не одно и тоже. У фотонов нет также и характеристики длина волны. У фотонов речь может идти только о частотах или спектрах частот.
Необходимо понимать, что эффект зрения основан на частотах, которые переносятся частицами фотонами и которые колеблются, а не волнуются.
Но везде, где речь заходит о частотах света или спектрах частот, то обязательно сразу в качестве единиц измерения применяют единицы длины волны.
Например. Для человека видимый спектр: от 380нм — фиолетовый цвет до 760нм — красный цвет. Вне этого диапазона наше зрение не видит. Но задумайтесь, ведь глаза видят частоты в виде монохроматических частот, либо смеси частот в виде спектра. А никаких длин волн глаза не видят.
Вот ещё пример. Везде, где графики со спектрами частот, размерность должна быть в Гц. Однако Вас везде обманывают и специально вместо частот всегда пишут размерность длины волны, которой на самом деле у фотонов нет. Например, график солнечного спектра частот, а по оси абсцисс пишут размерность длин волн. Кроме того, одна из главных характеристик солнечного спектра специально называется максимальная длина волны (л) излучения (формула Вина л = b/T) вместо максимальной частоты излучения.
ПРИМЕЧАНИЕ. Назовите прибор, который измеряет длину волны? Таких приборов нет, даже для акустических измерений. В акустике и электромеханике измеряется только частота. Затем все обязаны по акустической формуле V=лv рассчитать длину волны и для акустики и для электромеханики, где V — скорость звука, а л — длина волны. Применение формулы С=лv для излучения, где C — скорость света. Это обман и просто невежественно. Сжимается только акустическая волна V=лv. Фотон – это частица с поперечными колебаниями, и сжать фотон невозможно.
Фотон – частица света. Характеристиками фотонов являются: масса, частота, амплитуда и инерция (энергия).
На рисунке изображена спектральная кривая солнечного излучения. Рисунок взят из справочника. Во всех остальных справочниках и учебниках то же самое. Вы нигде не найдёте рисунок спектра с единицами измерения частоты в Гц, везде по оси абсцисс будут единицы измерения в единицах длины.
Этот обман нужен для того, чтобы подтверждались математические теории Эйнштейна, в которых свет (фотоны) является волной. И, чтобы Вы не забывали, везде Вас обманывают. Где только можно. Везде, где излучение упоминание о частотах будет исключено. Например, микроволновка и так далее.
ПРИМЕЧАНИЕ. На всех графиках, где изображаются частотные спектры, в данном случае, частотный спектр Солнца, по оси абсцисс пишут вместо частот размерность длины волны, которой на самом деле у фотонов нет. Это делается всегда и везде (с 1905 года, года вы-хода в свет СТО Эйнштейна) и специально, чтобы этим подтверждались математические теории Эйнштейна, в которых свет (фотоны) является волной. А свет не волна и пересчитывать всегда частоту в длину волны по акустической формуле С=лv просто обман. Спектр частотный, а не волновой. Спектр частот, но не волн.
Посмотрите на частоты видимого света от 750 ТГц (380нм) до 385 ТГц (760нм). Некоторые видят их впервые потому, что негласно их писать запрещено. Зато в единицах длины все помнят. Как это делается. В утверждённой программе образования можно писать только длины волн и это обязательно для всех. Подумайте, нужна Вам такая утверждённая про-грамма образования?
Не разрешайте себя зомбировать утверждённой программой образования, думайте о том, что Вас заставляют заучивать. Там очень много ошибочного, специально для Вас под-сунутого.
Об ошибках в физике здесь более 100 статей
http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/
Документы по борьбе с инакомыслием в науке.
1. Постановление ЦК ВКП(б) от 25.01.1931г.
Запрещение рассмотрения проблем физических взаимодействий на механической, ма-териалистической основе.
2. Специальное постановление ЦК ВКП(б) от 1934г.
О дискуссии о релятивизме.
Жертвами этого постановления стали Н.А.Козырев и Н.П.Бронштейн.
3. Постановление ЦК ВКП(б) от 05.12.1942г.
4. Постановление Президиума АН от 1964г.
В этом постановлении предписывалось объявлять параноиками всех, кто критикует теории относительности Эйнштейна.
Сразу было выявлено 24 параноика среди учёных.
5. Постановление Президиума РАН от 1998г.
О создании комиссии по борьбе с лженаукой и фальсификации научных исследований во главе с академиком Э.П.Кругляковым.
Комиссия исправно функционирует.
Комиссия не скрывает, что следует принципу: ”Всё, что противоречит теориям Эйнштейна и теории ”Большого Взрыва“, является лженаукой“.
Главные идеологи этого мракобесия С.И.Вавилов, А.Ф.Иоффе, В.Л.Гинзбург.
ДОПОЛНЕНИЕ. Кроме того, частоту собственных колебаний фотонов невозможно экспериментально измерить ни в одном диапазоне.
Во-первых, нет эффектов, позволяющих измерить собственную частоту фотонов (света).
Во-вторых, нет таких частотомеров, которые могли бы измерить, например, собственную частоту фотонов видимого света, которая равна 10 в 15 степени Гц.
Есть только прибор пирометр, который определяет электрическим способом цвет, а да-лее по цвету и выдуманной фальшивой формуле Вина, пожалуйста, Вам и частота.
Все частоты в шкале электромагнитных излучений фальшивые. Например, в радиодиапазоне вместо собственной частоты радиофотонов подсунута частота следования фотонов. Однако это не одно и то же.
Это очень ёмкий вопрос и он изложен в книге С.А.Николаева «Ложь об электромагнит-ной волне и шкале электромагнитных излучений», СПб, 2014г.
А также в 8 издании книги С.А.Николаева «Эволюционный круговорот материи во Вселенной», СПб, 2015г.
To use your Google Account on a browser (like Chrome or Safari), turn on cookies if you haven’t already.
Important: If you get a message that cookies are turned off, you need to turn them on to use your account.
In Chrome
- On your computer, open Chrome.
- At the top right, click More
Settings. - Under «Privacy and security,» click Site settings.
- Click Cookies and site data.
- From here, you can:
- Turn on cookies: Next to «Blocked,» turn on the switch.
- Turn off cookies: Turn off Allow all cookies.
Settings.Learn how to change more cookie settings in Chrome.
In other browsers
For instructions, check the support website for your browser.
Why cookies are helpful
Cookies are files created by sites you visit. They make your online experience easier by saving browsing information. With cookies, sites can:
- Keep you signed in
- Remember your site preferences
- Give you locally relevant content
We use cookies to improve our services. To learn more, read our Privacy Policy.
Fix problems
If you can’t use your Google Account and get a message that cookies are turned off:
- Follow the steps above to turn on cookies.
- Try signing in again.
If you still get the error message, here are some possible solutions. Try each one, then try signing in.
- Open a new browser window.
- Clear your browser’s cache and cookies. Learn how to clear cache and cookies.
- Browse in private. Learn how to browse privately in Chrome.
- Change your browser’s privacy settings. Learn how to change privacy settings.
Was this helpful?
How can we improve it?
Фотоны
-
Темы кодификатора ЕГЭ: фотоны, энергия фотона, импульс фотона.
-
Энергия фотона
-
Импульс фотона
-
Давление света
-
Двойственная природа света
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: фотоны, энергия фотона, импульс фотона.
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.
к оглавлению ▴
Энергия фотона
Выражение для энергии фотона с частотой 
мы уже знаем:
(1)
Часто бывает удобно работать не с обычной частотой , а с циклической частотой 
.
Тогда вводят другую постоянную Планка «аш с чертой»:
Дж · с.
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 
:
(2)
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.
к оглавлению ▴
Импульс фотона
Обладая энергией, фотон должен обладать и импульсом. Действительно, важнейшая формула теории относительности даёт связь энергии и импульса частицы:
(3)
Для фотона, имеющего нулевую массу, эта формула сводится к простому соотношению:
Отсюда для импульса фотона получаем:
(4)
Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча.
Учитывая, что отношение 
есть длина волны 
, формулу (4) можно переписать так:
(5)
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.
к оглавлению ▴
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 
.
Их число равно:
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:
(6)
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.
к оглавлению ▴
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.
Спасибо за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «Фотоны» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в высшее учебное заведение или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из данного раздела.
Публикация обновлена:
07.05.2023
В этой статье мы собираемся обдумать взаимосвязь энергии и длины волны вместе с примерами и решить некоторые задачи, чтобы проиллюстрировать то же самое.
Энергия находится в прямой зависимости от частоты электромагнитных излучений. Если длина волны увеличивается, это означает, что повторяемость волны будет уменьшаться, что непосредственно влияет на энергию частицы в волне.
Формула соотношения энергии и длины волны
Энергия частицы может быть связана с ее скоростью во время распространения. Скорость частицы дает представление о частоте и длине волны. Если длина волны мала, то частота и, следовательно, энергия частицы будут увеличиваться.
Если колебания частицы больше в траектории пути, то возвратность частицы в волну больше и длина волны мала, это означает, что энергия, которой обладает частица, больше.
Энергия любого тела связана с его длиной волны уравнением
E=hc/λ
Где «h» — постоянная Планка h = 6.626 * 10-34Js
C — скорость света c=3 *108 м/с и
λ — длина волны света
Энергия обратно пропорциональна длине волны света. Чем меньше длина волны, тем больше энергия частицы в волне.
Задача 1: Рассчитать энергию фотонов, испускающих красный свет. Считайте длину волны луча красного света равной 698 нм. Какова будет энергия, если длина волны уменьшится до 500 нм, то есть если источник излучает зеленый свет?
Данный:λ1=698нм
λ2=500 нм
ч = 6.626 * 10-34 Js
с=3 * 108 м/с
У нас есть,
E=hc/λ1
E = 6.626 * 10-34 Дж* 3 * 108 м/с/698* 10-9m
=0.028* 10-17=28* 10-20Дж
Энергия красной длины волны 28* 10-20Джоули.
Если длина волны λ2=500 нм
Тогда энергия, связанная с зеленым светом, равна
E=hc/λ2
E = 6.626 * 10-34 Дж* 3 * 108 м/с / 500* 10-9m
= 0.03910-17=39* 10-20Дж
Мы видим, что энергия увеличилась до 39*10-20 Джоулей при уменьшении длины волны.
Подробнее о Влияние преломления на длину волны: как, почему, подробные факты.
График взаимосвязи энергии и длины волны
По мере увеличения длины волны частота волны падает, тем самым уменьшая энергию, которой обладает волна. Если мы построим график зависимости энергии от длины волны появляющейся частицы, то график будет выглядеть так, как показано ниже.
Приведенный выше график ясно показывает, что по мере увеличения длины волны энергия, связанная с частицей, уменьшается экспоненциально.
Связь кинетической энергии и длины волны
Если скорость частицы больше, то очевидно, что кинетическая энергия частицы велика. Кинетическая энергия определяется уравнением
КЭ=1/2мВ2
Где m — масса объекта или частицы
V — скорость массы
Мы можем записать приведенное выше уравнение как
2E=мв2
Умножение «m» в обеих частях уравнения
2mE=(мВ)2
Импульс объекта определяется как произведение массы объекта на скорость, с которой он движется.
p = mv
Следовательно, приведенное выше уравнение становится
P2=2 мВ
P=√2mE
Согласно де Бройлю,
λ =h/p
Подставляя приведенное выше уравнение, мы имеем
λ =h/ √2mE
Приведенное выше уравнение дает связь между энергией и длиной волны частицы.
Подробнее о Что такое кинетическая энергия света: подробные факты.
Задача 2. Вычислить кинетическую энергию частицы массой 9.1 × 10-31 кг с длиной волны 293 нм. Кроме того, найдите скорость частицы.
Данный: λ = 293 нм
м = 9.1 × 10-31 kg
ч = 6.626 * 10-34Js
с=3 *108 м/с
У нас есть,
λ =h/ √2mE
λ2=h2/ 2мЕ
Е = ч2/ 2мλ2
=(6.626 * 10-34 Дж)2/2* 9.1* 10-31* (293*10-9) 2
= 0.28 * 10-23
Кинетическая энергия, связанная с частицей, равна 0.28*10-23 Джоули.
Теперь, чтобы вычислить скорость частицы, выведем формулу скорости из кинетической энергии:
КЕ=1/2 мВ2
2E= мв2
v=√(2Е/м)
= √(2(0.28*10-23)/(9.8*10-31))
= 0.24 * 104= 2400 м / с
Скорость частицы с длиной волны 298 нм составляет 2400 м/с.
Связь энергии электрона и длины волны
Энергия электрона определяется простым уравнением:
Е=чню
Где «h» — постоянная Планка, а
nu — частота появления электрона
Частота электрона определяется как
ню = v / λ
Где v — скорость электрона и
λ — длина волны электронной волны
Следовательно, энергия связана с длиной волны электрона как
E=hv/λ
Это соотношение позволяет найти энергию, связанную с распространением одиночного электрона с определенной длиной волны, скоростью и частотой. Энергия обратно пропорциональна длине волны. Если длина волны электрона уменьшается, энергия волны должна быть больше.
Изображение Фото: Pixabay
Получив энергию в той или иной форме, электрон переходит из более низкого энергетического состояния в более высокое энергетическое состояние. Для перехода электронов из одного состояния в другое энергия электрона определяется уравнением
Э=РE(1/нf– 1/нi)
Где RE=-2.18* 10-18m-1 является константой Ридберга
nf это конечное состояние электрона
ni это начальное состояние электрона
Мы можем далее переписать приведенное выше уравнение как
ч ню = RE(1/нf– 1/нi)
hc/λ =RE(1/нf– 1/нi)
1/λ =REhc(1/nf– 1/нi)
1/λ =R(1/nf– 1/нi)
Где,
Р=РEчс=1.097* 107
По мере того, как электрон получает энергию, электрон переходит и перескакивает в более высокое состояние энергетического уровня и высвобождает энергию электронам, присутствующим в этом состоянии, и либо становится стабильным, либо высвобождает количество энергии и возвращается в более низкие энергетические состояния.
Подробнее о 16+ Пример амплитуды волны: подробные пояснения.
Задача 3: Если электрон переходит из состояния ni=1, чтобы указать nf=2, затем рассчитайте длину волны электрона.
Данный:
ni=1
nf=2
1/λ =RE(1/нf– 1/нi)
1/λ=-1.097*107 * ( 1/2-1/1 )
1/λ=0.5485* 107
Следовательно,
λ = 1/0.5485* 107
λ =1.823*10-7
λ =182.3*10-9=182.3нм
Длина волны света, излучаемого при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой, равна 182.3 нм.
Связь лучистой энергии и длины волны
Каждый объект поглощает световые лучи в дневное время в зависимости от его формы, размера и состава. Если температура поверхности объекта достигает температуры выше абсолютного нуля, объект будет излучать излучения в виде волн.
Это испускаемое излучение пропорционально четвертой степени абсолютной температуры объекта и определяется уравнением
U=ɛΣ Т4A
Где U — излучаемая энергия
ɛ — коэффициент излучения излучения от объекта
Σ — постоянная Стефана-Больцмана, равная Σ=5.67*10-8Вт / м2K4
T — абсолютная температура
А — площадь объекта
Объект с высокой температурой излучает излучение с короткими длинами волн, а более холодные поверхности излучают волны с большей длиной волны. В зависимости от испускаемого излучения и длины волны испускаемого излучения волны классифицируются в соответствии с приведенной ниже таблицей.
| Имя и фамилия | Радиоволны | Микроволны | Инфракрасный порт | Видимый | Ультрафиолетовое | рентген | Гамма излучение |
| Длина волны | > 1м | 1mm-1m | 700нм-1мм | 400nm-700nm | 10nm-380nm | 0.01nm-10nm | <0.01 нм |
| частота | <300 МГц | 300MHz-300GHz | 300ГГц-430ТГц | 430ТГц-750ТГц | 750ТГц-30ФГц | 30PHz-30EHz | >30 Гц |
По мере уменьшения длины волны излучения частота волны возрастает. Длина волны напрямую связана с температурой, поэтому, если частота испускаемого излучения больше, это означает, что энергия объекта высока.
Гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовые лучи имеют очень короткую длину волны, поэтому энергия этих волн очень высока по сравнению с видимым, инфракрасным, микроволнами или радиоволнами. Кроме того, чем выше излучение, полученное объектом, тем больше он будет излучать в зависимости от коэффициента излучения объекта.
Ниже приведен график зависимости энергии от длины волны в секунду для разных температур. График показывает, что по мере повышения температуры системы энергия испускаемого излучения также увеличивается с температурой.
Для длины волны в видимой области эмиссия излучения максимальна. Это связано с тем, что Солнце излучает УФ-лучи вместе с инфракрасными лучами и видимыми лучами, а эти лучи представляют собой электромагнитные волны дальнего действия. Озоновый слой Земли защищает земную атмосферу от этого вредного излучения и либо отражается обратно, либо задерживается в облаках.
В видимом диапазоне в дневное время излучается больше излучений, поскольку в дневное время от Солнца поступает все больше и больше излучений, а испускается меньше ИК-лучей по сравнению с видимым спектром. Ночью температура снижается, длина волны излучения увеличивается, и объект излучает больше ИК-лучей.
Подробнее о Свойства преломления: волна, физические свойства, исчерпывающие факты.
Задача 4: Коробка длиной 11 см, шириной 2 см и воздухом 7 см нагревается до температуры 1200 Кельвинов. Если коэффициент излучения ящика равен 0.5, то рассчитайте скорость излучения энергии из ящика.
Данный:л=11см
ч=2см
б = 7cm
е =0.5
Σ=5.67* 10-8Вт / м2K4
Т=1200 К
Общая площадь ящика составляет
A=2(фунт+чб+гл)
=2(11*7+7*s 2+2*11)
=2 (77+14+22)
=0.0226 кв.м
Энергия, излучаемая коробкой, равна
U=ɛ Σ T4A
=0.5* 5.67* 10-8* 12004* 0.0226
=1328.6 Вт
Связь частоты энергии и длины волны
Чем больше частота волны, тем больше энергия, связанная с частицей. Энергия связана с частотой волны как
E=ч/ню
Где «h» — постоянная Планка.
nu — частота волны
Частота волны определяется как скорость волны в среде и длина волны.
ню = v / λ
Где v — скорость волны
λ — длина волны
Следовательно,
λ=v/ну
Это дает связь между частотой и длиной волны волны. Это говорит о том, что длина волны и частота обратно пропорциональны друг другу. Если длина волны увеличивается, частота волны уменьшится.
Подробнее о Влияние преломления на частоту: как, почему нет, подробные факты.
Задача 5. Скорость луча света, испускаемого источником, равна 1.9 × 108 РС. Частота возникновения излучаемой волны составляет 450ТГц. Найдите длину волны испускаемого излучения.
Данный: v=1.9*108 м/с
F=450ТГц=450*1012Hz
Длина волны луча света равна
λ = v/f
=1.9* 108/ 450* 1012
= 0.004222 * 10-4
=422.2* 10-9=422.2нм
Луч света имеет длину волны 422.2 нм.
Связь энергии фотона и длины волны
Энергия, которой обладает фотон, называется энергией фотона и обратно пропорциональна электромагнитной волне фотона по соотношению
E=hc/λ
Где «h» — постоянная Планка.
С — скорость света
λ — длина волны фотона
Частота фотона определяется уравнением
f=с/λ
Где f — частота
Следовательно, фотон с большей длиной волны обладает небольшой единицей энергии, тогда как фотон с меньшей длиной волны дает большое количество энергии.
Подробнее о Какова длина волны фотона: как найти, несколько идей и фактов.
Задача 6: Рассчитать энергию фотона, распространяющегося в электромагнитной волне с длиной волны 620 нм.
Данный: Длина волныλ =620 нм
ч = 6.626 * 10-34 js
с=3 *108 м/с
У нас есть,
E=hc/λ
Е=6.626 * 10-34 Дж*3 * 108 м/с/620* 10-9m
= 0.032 * 10-17= 32 * 10-20 Дж
Энергия, связанная с фотоном, равна 32* 10-20Джоули.
Часто задаваемые вопросы
Q1. Вычислите длину волны электрона, движущегося со скоростью 6.35 × 106 м/с
Данный: v=6.35*106м/с
м=9.1*10-31kg
ч=6.62* 10-34 Js
Кинетическая энергия электрона равна
КЕ=1/2 мВ2
=1/2 * 9.1*10-31* (6.35* 106)2
=1.83* 10-17Дж
Импульс электрона равен
P=√2mE
=√2* 9.1* 10-31* 1.83 * 10-17
= 5.7 * 10-24кг.м / с
Теперь длина волны электрона
λ =h/√2mE
= 6.62 * 10-34/ 5.7 * 10-24
= 4.8 * 10-10m
=48нм
Длина волны электрона, движущегося со скоростью 6.35*106м/с составляет 48 нм.
Q2. Черный объект площадью 180 кв.м находится при температуре 550К. Какова скорость излучения энергии от объекта?
Данный: А=180 кв.м
Т=550К
Поскольку объект имеет черный цвет, коэффициент излучения равен 1.
е =1
У нас есть,
U=ɛΣT4A
=1*с 5.67* 10-8* 5504* 180
= 0.93 * 106МОЩНОСТЬ
Мощность излучения от выброса излучения от объекта составляет 0.93*106Вт.
Какова абсолютная температура системы?
Это неизменное и совершенное значение температуры системы.
Абсолютная температура системы измеряется по шкале градусов Цельсия, Фаренгейта или Кельвина, которые измеряют ноль как абсолютный ноль градусов.
Как длина волны фотона зависит от температуры?
Температура системы определяет подвижность частиц системы.
Чем больше излучений получает система при более высоких температурах, тем больше излучения будет излучаться системой. При более высоких температурах излучаются более короткие волны, а при более низких температурах излучаются более длинные волны.