Фотон (γ). Что такое фотон, его импульс, масса, энергия и другие свойства

Немного истории

Средневековье ознаменовалось таким громким и неоднозначным научным диспутом,

Ярым сторонником волновой гипотезы был Христиан Гюйгенс

как корпускулярно-волновой дуализм света. Ученые того времени никак не могли сойтись – свет представляет собой поток частиц или же волны? И у сторонников первой, и второй идеи были свои аргументы. Ярым сторонником волновой гипотезы был Гюйгенс, а корпускулярной – колосс Ньютон.

После долгих споров и поломанных копий, первенство взяла корпускулярная гипотеза. Хоть доводов было примерно поровну (возможно, у “волновиков” их было даже больше), к ней склонились из-за огромного авторитета Исаака Ньютона, отца современной физики и вообще – научного метода познания мира.

Триумф корпускулярной гипотезы длился порядка 200 лет, пока досконально не исследовали дифракцию и интерференцию света. А эти явления, как известно, присущи только волнам. В итоге к концу 19-го века первенство опять захватили “волновики” и сомнений уже почти не было.

В начале двадцатого века Альберт Эйнштейн начал изучать фотоэффект

Пока в начале двадцатого века Альберт Эйнштейн не начал изучать фотоэффект, а Макс Планк – энергию абсолютно черного тела. Ведь если бы свет был волнами – формулы говорили, то энергия абсолютно черного тела равна бесконечности! В результате изучения этих парадоксов и изучения дуализма – родились главные теории современной физики – квантовая механика и теория относительности.

Сегодня мы знаем, что фотон, как и другие квантовые системы – строго говоря, не является ни частицей, ни волной в нашем узком понимании. Вернее, он проявляет и те и другие свойства, и вопрос – свет волна или частицы, не имеет смысла. Квантовые системы проявляет свойства частиц или волн в зависимости от обстоятельств, это фундаментальное свойство нашей Вселенной.

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.

Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:

Подставляем вместо формулу энергии фотона:

А вместо частоты формулу :

Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.

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.