Как найти массу фотона формула - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

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

Источник

Фотон
– элементарная частица, квант
электромагнитного излучения.

Энергия
фотона:
ε
= hv,
где h
= 6,626 · 10^-34
Дж·с – постоянная Планка.

Масса
фотона: m = h·v/c².
Эта формула получается из формул

ε
= hv
и ε
= m·c².
Масса,
определяемая формулой
m = h·v/c²,
является массой движущегося фотона.
Фотон не имеет массы покоя (m₀ = 0),
так как он не может существовать в
состоянии покоя.

Импульс
фотона: Все фотоны движутся со скоростью
с = 3·10⁸
м/с.
Очевидно импульс фотона P = m·c,
откуда следует, что

P = h·v/c = h/λ.

4. Внешний фотоэффект. Вольтамперная характеристика фотоэффекта. Законы Столетова. Уравнение Эйнштейна

Внешним
фотоэффектом называется явление
испускания электронов веществом под
действием света.

Зависимость
тока от напряжения в цепи называется
вольтамперной характеристикой
фотоэлемента.

1)
Количество фотоэлектронов N’_e,
вырываемых из катода за единицу времени,
пропорционально интенсивности света,
падающего на катод (закон Столетова).
Или иначе: ток насыщения пропорционален
мощности падающего на катод излучения:
Ń_ф
= P/ε_ф
.

2)
Максимальная
скорость V_max,
которую имеет электрон на выходе из
катода, зависит только от частоты света
ν и не зависит от его интенсивности.

3)
Для каждого вещества существует граничная
частота света ν₀,
ниже которой фотоэффект не наблюдается:
v₀
= A_вых/h.
Уравнение Эйнштейна: ε = A_вых+
mv²_max/2,
где ε = hv
– энергия поглощенного фотона, A_вых
– работа выхода электрона из вещества,
mv²_max/2
– максимальная кинетическая энергия
вылетевшего электрона.

Уравнение
Эйнштейна, по сути, представляет собой
одну из форм записи закона сохранения
энергии. Ток в фотоэлементе прекратится,
если все вылетающие фотоэлектроны
затормозятся, не долетев до анода. Для
этого к фотоэлементу необходимо приложить
обратное (задерживающее) напряжение u,
величина которого также находится из
закона сохранения энергии:

|e|u_з
= mv²_max/2.

5. Давление света

Давление
света
— давление,
которое оказывает свет,
падающий на поверхность
тела.

Если
рассматривать свет как поток фотонов,
то, согласно принципам классической
механики,
частицы при ударе о тело должны передавать
импульс,
другими словами — оказывать давление.
Такое давление иногда называют
радиационным
давлением.
Для вычисления давления света можно
воспользоваться следующей формулой:

p
=
W/c
(1+p),
где
W
— количество
лучистой
энергии,
падающей нормально на 1 м²
поверхности за 1 с;
c—
скорость
света,
p
— коэффициент
отражения.

Если
свет падает под углом к нормали, то
давление можно выразить формулой:

6. Комптон – эффект и его объяснение

Эффект
Комптона
(Комптон-эффект) — явление изменения
длины
волны
электромагнитного
излучения
вследствие рассеивания
его электронами.

Для
рассеяния на покоящемся электроне
частота
рассеянного фотона:

где

—
угол рассеяния (угол между направлениями
распространения фотона до и после
рассеяния).

Комптоновская
длина волны — параметр размерности
длины, характерный для релятивистских
квантовых процессов.

λ_С
= h/m₀_ec
= 2,4∙10^-12м
– комптоновская длина волны электрона.

Объяснение
эффекта Комптона невозможно в рамках
классической электродинамики. С точки
зрения классической физики электромагнитная
волна является непрерывным объектом и
в результате рассеяния на свободных
электронах изменять свою длину волны
не должна. Эффект Комптона является
прямым доказательством квантования
электромагнитной волны, другими словами
подтверждает существование фотона.
Эффект Комптона является ещё одним
доказательством справедливости
корпускулярно-волнового
дуализма
микрочастиц.

Источник

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»:

$h^{mkern -14mu -} = frac{displaystyle h}{displaystyle 2 pi vphantom{1^a}} = 1,05 cdot 10^{-34}$ Дж · с.

Выражение (1) для энергии фотона примет вид:

$E = h^{mkern -14mu -} omega.$

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 :

$E = frac{displaystyle mc^2}{displaystyle sqrt{1 - frac{displaystyle v^2}{displaystyle c^2vphantom{1^a}}} vphantom{1^a}}.$ (2)

Если предположить, что m neq 0 , 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:

E = pc.

Отсюда для импульса фотона получаем:

$p = frac{displaystyle E}{displaystyle cvphantom{1^a}} = frac{displaystyle h nu}{displaystyle cvphantom{1^a}}.$ (4)

Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча.

Учитывая, что отношение c/ nu есть длина волны lambda , формулу (4) можно переписать так:

$p =frac{displaystyle h}{displaystyle lambda vphantom{1^a}}.$ (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 r < 1 показывает, какая часть световой энергии отражается от поверхности. Соответственно, величина 1 - r — 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:

$N_{o} = rN, N_{n} = (1 - r)N.$

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:

$F = frac{displaystyle P}{displaystyle t vphantom{1^a}} = (1 + r)p frac{displaystyle N}{displaystyle tvphantom{1^a}} = (1 + r) frac{displaystyle h nu}{displaystyle cvphantom{1^a}} frac{displaystyle nSct}{displaystyle tvphantom{1^a}} = (1 + r)h nu nS.$

Давление света есть отношение этой силы к площади освещаемой поверхности:

$p_{CB} = frac{displaystyle F}{displaystyle Svphantom{1^a}} = (1 + r)h nu n.$ (6)

Выражение h nu n 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:

$p_{CB} = (1 + r)w.$

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

Источник

Масса фотона

Масса фотона выводится из формулы E=mc².

Если

m	масса фотона,	кг
h	постоянная Планка, 6,626176 × 10^-34	Дж × с
ν	частота излучения,	Гц
λ	длина волны излучения,	м
c	скорость света в вакууме,	м/с

то

используя одновременно формулы Энергия кванта и Уравнение Эйнштейна, получаем hν = mc².
Отсюда

[ m = frac{hν}{c^2} ]

Поскольку с = λν, имеем

[ m = frac{h}{cλ}]

Фотоны всегда движутся со скоростью света.
Они не существуют в состоянии покоя,
Масса покоя фотонов равна нулю.

Масса фотона	стр. 730

Источник

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.

Фотон — это частица света, квант электромагнитной или световой энергии в виде поперечных электромагнитных волн и переносчик электромагнитного взаимодействия.

Термин и слово «фотон» введен химиком Гилбертом Льюисом в 1926 году. В 1905–1917 годах физиком Альбертом Эйнштейном опубликованы работы, посвященные противоречиям между классической волновой концепцией света и результатами экспериментов, в частности относительно способности вещества и фотоэффекта находиться в тепловом равновесии с электромагнитным излучением.

Примечание

До 18 века полагали, что свет — это поток частиц. Ибн аль-Хайсам в 1021 году один из первых изложил теорию о частицах. В ней изображался световой луч в виде потока мельчайших частиц, у которых есть нехватка всех заметных качеств, кроме энергии.

Так как подобные модели не смогли дать объяснение таких явлений как дифракция, рефракция и двойное лучепреломление, была предложена теория волн света, основателями которой стали физики Роберт Гук (1665), Рене Декарт (1637) и Христиан Гюйгенс (1678). Однако модели, основанные на идее дискретного строения света, оставались преимущественными из-за влияния авторитета Исаака Ньютона, придерживающегося этих теорий.

В начале 19 века Огюстен Френель и Томас Юнг наглядно представили в своих опытах явления дифракции и интерференции света, к 1850 году волновые модели стали общепринятыми. Джеймс Максвелл предположил в своей теории в 1865 году, что свет — это электромагнитная волна. В 1888 году Генрихом Герцем, обнаружившим радиоволны, такая гипотеза была подтверждена экспериментально.

Волновая теория Максвелла не смогла объяснить всех свойств света. Согласно определению этой теории, энергия световой волны зависит не от частоты, а от интенсивности. Результаты других экспериментов показали противоположный результат: переданная от света атомам энергия зависит только от частоты света, а не от интенсивности, как в волновой теории Максвелла.

Многие ученые изначально предполагали, что квантование энергии есть результат неизвестного свойства материи, излучающей и поглощающей электромагнитные волны. В 1905 году Эйнштейн считал, что квантование энергии — это свойство самого электромагнитного излучения.

Эйнштейн показал, признавая справедливость теории Максвелла, что множество анормальных результатов экспериментов могут быть объяснены, если энергичность световой волны поместить в подобные частицам кванты. При этом, даже если волна непрерывно распространяется в пространстве, они движутся независимо друг от друга.

Исходя из положения о законе излучения абсолютно черного тела, в 1909 и 1916 годах Эйнштейн показал, что квант энергии также обладает импульсом. Импульс фотона был обнаружен экспериментально Артуром Комптоном, за это он получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году.

Со временем фотоны начали иметь техническое применение. Так, например, важным техническим устройством, где используются фотоны, является лазер. Лазеры, с большой мощностью, нашли применение в резке, в сварке и в плавлении металлов. В металлургии с их помощью можно делать сверхчистые металлы.

Физические свойства фотона

Фотон в физике имеет обозначение символом γ (греческая буква гамма). Такое обозначение восходит к гамма-излучению, состоящему из достаточно высокоэнергетических фотонов.

Свойства фотона:

не имеет массу, это безмассовая нейтральная частица;
движется со скоростью света, в вакууме его скорость равна 299 792 458 мс;
существует только в движении. Частица может либо двигаться со скоростью света, либо она не существует. Следствие этого: масса покоя частицы равна нулю;
переносит энергию и импульс;
может поглощаться и генерироваться;
взаимодействует с другими частицами — фотоны могут из атома выбивать электроны, сообщая им энергию для выхода при столкновении;
владеет собственным моментом импульса, называемым спином;
вес фотона не может превышать 10-18 электрон-вольт;
фотон имеет радиус rф~10-18м.

Энергия и импульс фотона

Каждый фотон переносит некоторое количество энергии. Именно это количество называется энергией фотона.

Энергия фотона (соотношение Планка-Эйнштейна)

— энергия фотона [Дж]

— постоянная Планка

= 6,6 · 10−34 Дж · c

— частота фотона [Гц]

Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:

Соотношение импульса и энергии фотона

— импульс фотона [(кг · м)/с]

— энергия фотона [Дж]

— скорость света [м/с]

= 3 · 108 м/с

Подставляем вместо формулу энергии фотона:

А вместо частоты формулу :

Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.

Импульс фотона

— импульс фотона [(кг · м)/с]

— постоянная Планка

= 6,6 · 10−34 Дж · c

— длина волны [м]

Масса и скорость фотонов

Согласно современному уровню знаний, фотон должен быть безмассовым. Если бы у него была масса, фотоны не двигались бы со скоростью света (c). Это означало бы, что скорость света перестала бы быть скоростью света, а стала бы теоретическим пределом скорости, которую объект может достичь в пространстве-времени. Кроме того, скорость фотона будет зависеть от его частоты, и многие законы природы, такие как закон Кулона, получат дополнительные факторы. Тогда многие современные устройства будут работать по-другому или вообще не будут работать.

Вывод: экспериментально доказано, что фотон не имеет массы.

Скорость света в вакууме является универсальной константой, равной точно = 299 792 458 м/с. Не странно ли, что, в отличие от других констант, здесь нет многочисленных десятичных цифр, которые мы обычно округляем в зависимости от приближения, которого хотим добиться? Точное значение скорости света просто выводится из определения метра, принятого в 1983 году. Согласно этому определению, 1 метр — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 с.

В астрономии используется другая единица длины, не входящая в систему СИ, связанная со скоростью света. Это световой год, определяемый как расстояние, проходимое светом за один год. При определении светового года используется юлианский год, продолжительность которого составляет 365,25 дня. Аналогично можно использовать такие единицы измерения длины, как световая секунда, световая минута и т.д.

Скорость фотонов в вакууме не зависит от частоты электромагнитного излучения. Она одинакова для всех диапазонов излучения — от гамма-излучения до радиоволн. Одним из доказательств является наблюдение за вспышками звезд. Радиоволны и свет, излучаемые во время вспышки звезды, достигают Земли одновременно. Их скорость равна в пределах 10-7.

Фотон в вакууме всегда движется с постоянной скоростью для каждого наблюдателя. Если объект, движущийся со скоростью v = 0,9c, испускает фотон в направлении, совпадающем с направлением его скорости (см. рисунок 2), то фотон будет удаляться от него со скоростью света c. Но для неподвижного наблюдателя скорость фотона также будет равна скорости света с.

Этот факт, не согласующийся с нашим повседневным опытом, является фундаментальным предположением специальной теории относительности Альберта Эйнштейна. Почему это кажется нам странным и противоречит нашему опыту? Просто в повседневной жизни мы не сталкиваемся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Такие скорости достижимы для тел с очень малой массой. Эксперименты с частицами, такими как электроны, протоны или атомные ядра, ускоренные в ускорителях до скоростей, близких к скорости света, подтверждают постоянство скорости света в любой системе отсчета.

Рис. 2. Фотон, испущенный ракетой, летящей со скоростью v = 0,9c, движется со скоростью c, как относительно ракеты, так и относительно неподвижного наблюдателя

Фотоны в веществе

Свет, в зависимости от среды, распространяется с разной скоростью. Так, например, в прозрачной среде, свет распространяется со скоростью меньше, чем скорость света в вакууме. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

Замедление фотона может быть обусловлено тем, что под действием напряженности электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны с определенным временем начинают запаздывать, излучая вторичные волны той же частоты, что и у падающего света.

Примечание

Фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света, даже в веществе, но при этом испытывающие смещение фазы, т.е. запаздывание или опережение из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их импульс и длину волны, но не скорость. С этой точки зрения фотоны могут считаться «голыми», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза меняется. С такой точки зрения, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществами и перемещаются без рассеяния и смещения фазы.

Также, в зависимости от часты, свет распространяется в веществе с разной скоростью. В оптике это явление имеет название дисперсия.

Фотоны также могут быть поглощены ядрами, молекулами или атомами, спровоцировав переход между их энергетическими состояниями.

Давление света

Сила Лоренца — это сила, действующая на частицу, движущуюся в магнитном поле.

Если рассматривать свет как совокупность фотонов, то можно предположить, что свет может оказывать давление. Именно такое предположение сделал Джеймс Максвелл в 1873 году и не прогадал.

Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью перпендикулярно к ней ежесекундно падает фотонов. Каждый фотон обладает импульсом .

Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен .

Из механики известно, что давление — это отношение силы к площади, на которую эта сила воздействует: .

Не перепутайте: импульс и давление обозначаются одинаковой буквой, но величины разные!

Второй закон Ньютона в импульсной форме имеет вид , где — это импульс, а — промежуток времени, за которое импульс меняется на значение p.

Тогда световое давление определяется так: .

При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (в этом случае удар неупругий, так как черный цвет поглощает фотон).

Предсказанное Максвеллом существование светового давления было экспериментально подтверждено физиком П. Н. Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали. Значение давления света составило ≈ 4.10-6 Па.

Применение фотонов

Фотоны используются во многих областях. Одним из самых распространенных и наиболее важных применений является лазер.

Одиночные фотоны могут быть обнаружены различными методами. Одним из старейших методов является использование фотоумножителя. При этом используется фотоэлектрический эффект. Фотон с достаточной энергией попадает на металлическую пластину. Там он выбивает электрон из связи, что запускает каскадный эффект.

Рис. 4. Внешний фотоэффект. В фотоэлектрическом явлении свет проявляет корпускулярную природу — фотон выбивает одиночный электрон из металла.

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.

Конденсат Бозе-Эйнштейна

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.

ТеорияОтражение света

Источник