Длина волны фотонов говорит нам об их энергии. Итак, в этой статье мы рассмотрим, что такое длина волны фотонов и как ее найти. Начнем.
Фотоны путешествуют через электромагнитные волны. Поскольку фотон в конечном счете является частью электромагнитной волны, его длина волны будет такой же, как у электромагнитной волны. Если известны энергия и частота фотона, то по ним можно легко найти длину волны фотона.
Прежде чем мы перейдем к длине волны фотона, давайте посмотрим, что такое фотон.
Фотон:
Поскольку энергия, содержащаяся в фотонах, неделима, их часто называют энергетическими пакетами. Максвелл описал фотоны как электрические поля, перемещающиеся в пространстве. Или, другими словами, энергия фотона хранится в виде колеблющегося электрического поля, которое может колебаться на любой частоте. Таким образом квант электромагнитного излучения или энергии называется фотоном.
Фотоны — это частицы, не имеющие ни заряда, ни массы. В результате они могут путешествовать со скоростью света. Скорость электрического поля может определять скорость фотонов в свободном пространстве. Испускание фотонов возможно с помощью действия заряженных частиц и некоторых других способов, таких как радиоактивный распад.
Какова длина волны фотона?
Свойства фотонов такие же, как у электромагнитных волн. В результате каждый фотон связан со своим уникальным частота и длина волны.
Фотоны движутся волнами, как будто каждый из них едет на американских горках, которые многократно повторяют одну и ту же дорожку. Длина волны фотонной волны — это длина волны, точнее, расстояние между двумя последовательными точками одной и той же фазы волны.
На диаграмме ниже показаны три различных длины волны. Хотя фотоны не имеют цвета, они будут соответствовать свету этого конкретного цвета.
Как найти длину волны фотона?
Длина волны электрического поля или фотонной волны равна длине волны фотона.
Для определения длины волны фотона используется либо его энергия, либо частота. В результате, если какой-либо из них известен, можно легко найти длину волны фотона.
Давайте посмотрим, как найти длину волны фотона, используя частоту и энергию.
Как найти длину волны фотона с частотой?
Частота и длина волны фотона связаны друг с другом.
Длина фотонной волны дает длину волны фотонной волны. В то время как количество длин волн фотонов, которые распространяются каждую секунду, дает нам частоту фотонных волн. В результате, если длина волны фотона короткая, его частота будет высокой, и его частота будет низкой, если длина волны большая.
Поскольку одно увеличивается, а другое уменьшается, мы можем сказать, что они имеют обратную зависимость. Выведем математическое уравнение, отражающее связь между частотой фотона и длиной волны.
Для описания волны можно использовать несколько величин, таких как длина волны, период, частота и т. д. Как мы знаем, частота фотонной волны определяет количество фотонных волн, которые распространяются каждую секунду. В результате частоту фотонной волны можно рассчитать следующим образом:
………. (1)
Где f — частота фотонной волны, а T — период фотонной волны, т. е. время, за которое фотонная волна совершает один цикл.
После одного периода каждая точка волны возвращается к одному и тому же значению. Это происходит потому, что в волне за один период происходит одно колебание, и каждое колебание проходит за это время расстояние в одну длину волны.
Расстояние, пройденное любой волной в единицу времени, определяет ее скорость. Но так как волна распространяется со скоростью света, то мы обозначаем ее буквой с, и это можно определить как:
………. (2)
Из уравнений (1) и (2) можно написать:
с = 𝜆f ……….(3)
Таким образом, длина волны фотона определяется выражением:
………. (4)
Поскольку скорость света c постоянна и имеет значение 3 · 108 м/с, из приведенного выше уравнения можно сделать вывод, что длина волны фотона обратно пропорциональна его частоте.
Как рассчитать длину волны фотона с заданной энергией?
Компания частота фотона связана как с его энергией, и длина волны. В результате длина волны фотона также связана с его энергией.
Длина волны фотонной волны содержит информацию о ее энергии. Фотонная волна с более короткой длиной волны будет иметь более высокую частоту и, следовательно, более высокую энергию. Точно так же фотонная волна с большей длиной волны будет иметь более низкую частоту и, следовательно, меньшую энергию.
Кроме того, в этом случае более длинная длина волны соответствует более низкой энергии волны, тогда как более короткая длина волны соответствует более высокой энергии волны. Как результат, можно утверждать, что длина волны фотонной волны и ее энергия обратно пропорциональны. С точки зрения уравнения, давайте посмотрим на связь между энергией и длиной волны фотонной волны.
По словам великого ученого Макса Планка, свет состоит из дискретных пакетов энергии, известных как кванты света, которые также известны как фотоны. Энергия света может иметь только дискретные значения. Далее Планк сказал, что энергия определяется произведением частоты фотонов на постоянную, известную как постоянная Планка. Мы можем выразить это математически следующим образом:
Е = hf ……….(5)
Где h = постоянная Планка (6.626 X 10-34 Дж с)
Когда мы сравниваем уравнения (4) и (5), мы получаем следующее выражение для энергии:
………. (6)
Преобразовывая уравнение Планка, длина волны фотона с точки зрения энергии определяется выражением:
………. (7)
Таким образом, если энергия фотона или световой волны известна, длину волны фотона можно определить с помощью уравнения Планка.
Некоторые проблемы нахождения длины волны фотона по частоте и энергии:
Задача: Какова длина световой волны с частотой 7 х 1014 Гц?
Данные параметры:
Частота фотона f =7 X 1014 Hz
Скорость света с = 3 х 108 м/с
Найти:
Длина волны фотона 𝜆 = ?
Решение:
𝜆 = с / ж
𝜆 = 3 х 108 / 7 х 1014
∴ 𝜆 = 0.428 х 10-6 m
∴ 𝜆 = 428 нм
В результате фотон с частотой 7 X 1014 Гц имеет длину волны 428 нм.
Задача: Какую длину волны будет иметь фотон, если его энергия равна 4 х 10-15 J?
Данные параметры:
Энергия фотона E = 4 X 10-15 J
Постоянная Планка h = 6.626 x 10-34 Js
Скорость света с = 3 х 108 м/с
Найти:
Длина волны фотона 𝜆 = ?
Решение:
𝜆 = hc / E
𝜆 = 6.626 х 10-34 Х 3 Х 108 / 4 х 10-15
∴ 𝜆 = 5 х 10-11 m
∴ 𝜆 = 500 нм
AВ результате фотон с энергией 4×10-15 J имеет длину волны 500 нм.
Задача: если энергия фотона равна 2.19 × 1011 ev, определите длину волны этого фотона.
Данные параметры:
Энергия фотона E = 2.19 × 1011 ev
∴ Е = 2.19 × 1011 Х 1.6 Х 10-19
∴ Е = 3.05 × 10-8 Дж = 350 х 10-10 J
Постоянная Планка h = 6.626 x 10-34 Js
Скорость света с = 3 х 108 м/с
Найти:
Длина волны фотона 𝜆 = ?
Решение:
𝜆 = hc / E
𝜆 = 6.626 х 10-34 Х 3 Х 108 / 350 х 10-10
∴ 𝜆 = 0.056 х 10-16 m
В результате фотон с энергией 2.19×1011 ev имеет длину волны 0.056 X 10-16 m.
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
График волны функции (например, физической величины) y, распространяющейся вдоль оси Оx, построенный в фиксированный момент времени (t = const). Длина волны λ может быть измерена как расстояние между парой соседних максимумов y (x) либо минимумов, либо как удвоенное расстояние между соседними точками, в которых y = 0
Длина́ волны́ — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе[1][2].
Длина́ волны́ (в линии передачи) — расстояние в линии передачи, на котором фаза электромагнитной волны вдоль направления распространения меняется на 2π[3].
Длину волны можно также определить:
- как расстояние, измеренное в направлении распространения волны, между двумя точками в пространстве, в которых фаза колебательного процесса отличается на
; - как путь, который проходит фронт волны за интервал времени, равный периоду колебательного процесса;
- как пространственный период волнового процесса.
Представим себе волны, возникающие в воде от равномерно колеблющегося поплавка, и мысленно остановим время. Тогда длина волны — это расстояние между двумя соседними гребнями волны, измеренное в радиальном направлении. Длина волны — одна из основных характеристик волны наряду с частотой, амплитудой, начальной фазой, направлением распространения и поляризацией. Для обозначения длины волны принято использовать греческую букву 
, размерность длины волны — метр ([м]).
Как правило, длина волны используется применительно к гармоническому или квазигармоническому (например, затухающему или узкополосному модулированному) волновому процессу в однородной, квазиоднородной или локально однородной среде. Однако формально длину волны можно определить по аналогии и для волнового процесса с негармонической, но периодической пространственно-временной зависимостью, содержащей в спектре набор гармоник. Тогда длина волны будет совпадать с длиной волны основной (наиболее низкочастотной, фундаментальной) гармоники спектра.
Длина волны — пространственный период волнового процесса[править | править код]
Волна — колебательный процесс, развивающийся (распространяющийся) в пространстве и во времени, в связи с этим изменяющаяся в волновом процессе физическая величина является функцией пространственных координат и времени (то есть особого вида пространственно-временной функцией). Волновой процесс в частности может быть периодическим (например, гармоническим). По аналогии с периодом колебаний 
[с] (интервалом времени, за который периодический колебательный процесс повторяется и размерность которого — секунда), длину волны [м] можно рассматривать как пространственный период волнового процесса. Следует заметить, что круговой частоте колебания 
[радиан/с], показывающей, на сколько радиан изменится фаза колебания за 1 с в фиксированной точке (в множестве точек если твердое тело), соответствует «пространственная круговая частота» 
[радиан/м], называемая волновым числом и показывающая, на сколько радиан отличаются фазы колебательного процесса в двух точках пространства, расположенных вдоль направления распространения волны на расстоянии 1 м друг от друга. При этом очевидно, что фазы колебательного процесса в двух таких точках, расположенных друг от друга на расстоянии в [м], отличаются ровно на 
.
Связь с частотой[править | править код]
Получить соотношение, связывающее длину волны с фазовой скоростью 
и частотой 
можно из определения. Длина волны соответствует пространственному периоду волны, то есть расстоянию, которое точка с постоянной фазой «проходит» за интервал времени, равный периоду колебаний, поэтому
Для электромагнитных волн в вакууме скорость в этой формуле равна скорости света (299 792 458 м/с), и длина волны
. Если значение подставить в герцах, то будет выражена в метрах.
Радиоволны делят на диапазоны по значениям длин волн, например, 10…100 м — декаметровые (короткие) волны, 1…10 м — метровые, 0.1…1,0 м — дециметровые и т. п. Механизмы и условия распространения радиоволн, степень проявления эффекта дифракции, отражающие свойства объектов, предельная дальность радиосвязи и радиолокации сильно зависят от длины волны. Как правило, габаритные размеры антенн сравнимы либо (справедливо всегда для антенн направленного действия) превышают рабочую длину волны радиоэлектронного средства. Магнитная антенна средневолнового радиоприёмника имеет габарит на порядки меньше длины волны, и при этом, тем не менее, обладает пространственной селективностью.
Длина волны в среде[править | править код]
В оптически более плотной среде (слой выделен тёмным цветом) длина электромагнитной волны сокращается. Синяя линия — распределение мгновенного (t = const) значения напряжённости поля волны вдоль направления распространения. Изменение амплитуды напряжённости поля, обусловленное отражением от границ раздела и интерференцией падающей и отражённых волн, на рисунке условно не показано.
Длина электромагнитной волны в среде короче, чем в вакууме:
- где — показатель преломления среды;
- — относительная диэлектрическая проницаемость среды;
- — относительная магнитная проницаемость среды.
Величины 
, 
и 
могут существенно зависеть от частоты 
(явление дисперсии). Поскольку для большинства сред в радиочастотном диапазоне 
(для диэлектриков 
, для ферромагнетиков с ростом частоты 
), то в инженерной практике используют величину 
, которую называют коэффициентом укорочения. Она равна отношению длины волны в среде к длине волны в вакууме. Например, для полиэтилена (используется в радиочастотном диапазоне как изоляционный материал с малыми потерями) = 2,56, и коэффициент укорочения 
= 1/1,6 = 0,625.
Напротив, длина электромагнитной волны (поперечномагнитной, поперечноэлектрической) в волноводах может быть не только больше, чем в среде с тем же значением , но и больше, чем вакууме, поскольку фазовая скорость электромагнитной волны в волноводе превышает скорость электромагнитной волны в среде с тем же .
Волны де Бройля[править | править код]
Волнам де Бройля также соответствует определённая длина волны. Частице с энергией 
и импульсом 
, соответствуют:
- частота:
- длина волны:
- где — постоянная Планка.
Примеры[править | править код]
Приближённо, с погрешностью около 0,07 % рассчитать длину радиоволны в свободном пространстве можно так: 300 000 делим на частоту в килогерцах, получаем длину волны в метрах. Другой способ — запомнить какую-нибудь удобную пару ↔ , например, частоте 100 МГц соответствует длина волны 3 м; тогда оценив, во сколько раз требуемая частота выше или ниже 100 МГц, можно определить длину волны. Например, 1 МГц ниже 100 МГц в 100 раз, значит 1 МГц ↔ 3 м × 100 = 300 м
Примеры характерных частот и длин волн: частоте 50 Гц (частота тока в электросети) соответствует длина радиоволны 6000 км; частоте 100 МГц (радиовещательный FM-диапазон) — 3 м; 900 (1800) МГц (мобильные телефоны) —
33,3 (16,7) см; 2,4 ГГц (Wi-Fi) — 12,5 см; 10 ГГц (бортовые радиолокационные станции системы управления вооружением современных самолётов-истребителей) — 3 см. Видимый свет представляет собой электромагнитное излучение c длинами волн от 380 до 780 нм[4].
Примечания[править | править код]
- ↑ Колебания и волны // Физика : Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. — 12-е изд. — М. : Просвещение, 2004. — С. 121. — 336 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-09-013165-1.
- ↑ Определение не вполне корректно, поскольку (1) в одинаковой фазе колебания происходят и на фронте волны, и расстояние между точками на фронте может быть произвольным, в том числе и нулевым; (2) чтобы расстояние между двумя точками равнялось длине волны, колебание должно происходить не в одинаковой фазе, а со сдвигом фаз в , и расположены точки должны быть вдоль линии распространения
- ↑ ГОСТ 18238-72. Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения.
- ↑ ГОСТ 7601-78. Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин Архивная копия от 23 марта 2013 на Wayback Machine
Литература[править | править код]
- Волны де Бройля / В. И. Григорьев // Вешин — Газли. — М. : Советская энциклопедия, 1971. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 5).
- Длина волны // Дебитор — Евкалипт. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 8).
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
Роль школьного образования невозможно переоценить. Практически все базовые понятия и представления о природе и окружающем мире закладываются в школе. Высшие учебные заведения только углубляют знания, делают их более обоснованными и систематизированными. Но если в школе я представлял себе неделю, как разворот дневника, то и сейчас ничего не изменилось, несмотря на обилие разнообразных гаджетов. Ещё в школе мне доходчиво объяснили, что свет – это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве со скоростью света. Чтобы было понятно, перед этим рассказали о механических волнах на поверхности воды и в твердых средах. На примере электрических цепей объяснили явления, происходящие в колебательном контуре. Поэтому картинка с двумя синусоидами электрического и магнитного полей прочно закрепилась в голове. И всякий раз, когда нужно представить фотон, неизменно из памяти всплывает эта картинка с синусоидами.
Затем уже в университете рассказали о теории Максвелла и его уравнениях, из которых следует, что свет – это поперечная электромагнитная волна. А опыты по фотоэффекту показали, что свет излучается и поглощается порциями, которые назвали фотонами или квантами. При этом энергия квантов определяется только частотой колебания электромагнитного поля. Поэтому, говоря о кванте света, имеют в виду электромагнитную волну с одним периодом колебаний. Кроме того, фотоны – это истинно нейтральные частицы, не имеющие заряда. Помимо этого, они не имеют массы покоя, но участвуют в гравитационном взаимодействии, что объясняется эквивалентностью энергии и массы в соответствии с ОТО. Следует отметить, что всё сказанное относится не только к свету, но и ко всем видам электромагнитного излучения. Такое представление о фотонах формирует современная физика.
Но то, что я смог это представить, не означает, что я смог это понять. Оставалось много вопросов, на которые я не находил ответов. Рассмотрим некоторые из них.
Вопрос о том, какова длина фотона, кажется самым простым. Поскольку известна скорость света, то зная частоту излучения легко можно рассчитать длину волны фотона. Видимый свет имеет длину волны порядка половины микрона, рентгеновское излучение намного короче, а радиоволны могут быть от сантиметров до многих метров.
Но так ли всё просто? Меня всегда интересовало, а можно ли взять и разделить эту волну? Дело в том, что чисто технически это возможно реализовать. Например, при генерации радиоволны после того, как волна начала излучаться с антенны, генератор отключился. Что будет с этой частичкой волны, если квант является неделимой порцией энергии? Она продолжит распространяться или исчезнет? Как она узнает о том, что генератор отключился? Аналогично можно поступить со световой волной, имеющей определённую поляризацию. В момент времени, когда часть фотона пройдёт через поляризационный фильтр, изменяем положение фильтра на 90 градусов. Оставшаяся часть фотона не сможет через него пройти. Что случится с уже прошедшей частичкой фотона?
Эти рассуждения привели меня к убеждению, что такого просто не может и не должно быть. Поэтому фотон нельзя рассматривать, как протяженную субстанцию. Фотон может быть только точечной частицей. Он не имеет длины. Кроме того, если материальный объект имеет какую-либо длину и двигается со световой скоростью, то в соответствии с СТО его длина должна уменьшиться до нуля. Поэтому я рассматриваю фотон как точечную частицу, не имеющую длины.
Чем же характеризуется эта частица? Напряженностью электрического и магнитного полей. Но к изображению на первом рисунке осталось ещё несколько вопросов. Вектор напряженности электрического поля как-то очень странно зависает в пространстве. Из электродинамики известно, что источником электрического поля является заряд. При этом силовые линии обязательно должны выходить из заряда или входить в заряд. А вот силовые линии магнитного поля наоборот, должны быть только замкнутыми. Поэтому на схематичном изображении они не могут изображаться в виде векторов. В соответствии с этими требованиями я привожу своё схематичное изображение движения фотона в пространстве.
Читателей не должно смущать, что я изобразил точечную частицу в виде шарика. На рисунке приведен участок движения фотона, на котором происходит полный цикл колебания. В первой половине цикла силовые линии электрического поля выходят из фотона, постепенно увеличиваясь, а затем уменьшаясь. Во второй половине цикла силовые линии электрического поля приходят в фотон. Это означает, что фотон имеет заряд, который в первой половине цикла является положительным, а во второй половине цикла – отрицательным. Величина заряда в течение периода колебаний меняется по гармоническому закону. Силовые линии магнитного поля представляют собой окружности, плоскость которых расположена перпендикулярно направлению движения фотона. В первой половине цикла вектор магнитной индукции направлен по часовой стрелке, а во второй – против. В соответствии с теорией Максвелла это поперечная электромагнитная волна.
Таким образом, фотон является точечной частицей, двигающейся со скоростью света, при этом его заряд изменяется по гармоническому закону с определённой частотой. Это позволяет рассматривать свет как особый вид переменного тока. При этом переменность тока определяется не изменением направления движения заряженных частиц, а изменением величины и знака заряда самого фотона.
У фотона нет никакой длины волны. У него есть только частота, которая является его внутренней характеристикой. О длине волны можно говорить только условно, понимая под этим расстояние, проходимое частицей «фотон» за время одного периода колебаний.
Вывод о наличии тока не должен смущать читателей. Из электродинамики известно, что изменяющееся магнитное поле вызывает электрический ток. Так что здесь нет никаких противоречий. Необычным является только то, что изменяется величина заряда фотона с течением времени. И что? Всё остальное в микромире кажется привычным? В целом фотон сохраняет свою нейтральность. А описанное свойство фотона позволяет экспериментально подтвердить или опровергнуть высказанную гипотезу.
В следующей публикации я приведу рассмотрение того, как высказанная гипотеза о свете позволяет объяснить некоторые физические явления. А также всё-таки отвечу на вопрос о поперечном размере и массе фотона.
В завершении публикации я хочу вернуться к теме образования, которое готовит не только образованных людей, но ещё и умных людей. Умные люди любят задавать вопросы. Образованные люди знают ответы на эти вопросы. Обычно у умного человека вопросов больше, чем ответов у образованного человека. Но в диалоге между ними, как правило, последнее слово остаётся за образованным. Когда ответы заканчиваются, тактичный образованный человек говорит, что вопрос очень сложный. И, чтобы понять ответ, умному надо сначала изучить определённый раздел науки и прочитать много книг. Менее тактичный образованный человек говорит, что сколько можно задавать вопросы? Пора уже и самому начинать думать. Совсем нетактичный образованный человек просто называет умного дураком, а его вопросы дурацкими. На этом диалог заканчивается. Ничего не меняется даже в том случае, когда образованный и умный – это один и тот же человек. В какой-то момент времени ответы заканчиваются, а вопросы остаются…
