Поясните смысл понятия "фотон". Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?

Материалы » Концепция современного естествознания » Поясните смысл понятия "фотон". Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?

В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц, которая обладает следующими свойствами :

Фотон является электрически нейтральной частицей, т.е. его заряд равен нулю (q = 0).

Во всех системах отсчета скорость фотона равна скорости света в вакууме (м = с).

Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является (Е = hv).

Импульс фотона равен отношению его энергии к скорости и обратно пропорционален длине волны

Рассмотрение электромагнитного поля даже в рамках классической теории позволяет приписать ему "традиционные" для частиц характеристики: энергию и импульс. Квантованный характер обмена энергией между веществом и полем и открытые законы фотоэффекта делали весьма соблазнительной идею рассмотрения поля как совокупности частиц фотонов, рождающихся и гибнущих при излучении и поглощении света соответственно. Поскольку скорость распространения электромагнитного поля в вакууме совпадает с предельным значением с, фотон является ультрарелятивистской частицей с равной нулю массой покоя: в противном случае импульс фотона был бы бесконечно большим, и процедура загорания на пляже не доставляла бы нам ни малейшего удовольствия:

Наличие импульса у фотона позволило изящно и количественно правильно описать явление светового давления как простое следствие закона сохранения импульса при поглощении света веществом.

Концепция фотонов привела к большим трудностям при интерпретации экспериментов по интерференции и дифракции, доказывающих волновую природу света.

В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу о квантованности излучаемой энергии. Порция излучаемой энергии равна

? = h·?, где h - постоянная Планка, ?? - частота электромагнитного излучения.

Идея квантования является одной из величайших физических идей. Оказалось, что многие величины считавшиеся непрерывными, имеют дискретный ряд значений. На базе этой идеи возникла квантовая механика, описывающая законы поведения микрочастиц.

Гипотеза Планка получила дальнейшее развитие в работах Эйнштейна. Электромагнитная волна не только излучается, но и поглощается и распространяется в виде потока квантов. Итак, электромагнитное излучение (в том числе и свет) представляет собой поток фотонов.

Фотон - мельчайшая частица электромагнитного излучения, имеющая энергию в один квант.

Световые частицы (фотоны) одновременно обладают и волновыми и корпускулярными свойствами. Фотоны, как любые частицы, имеют массу. Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что энергию фотона можно выразить как ??m·c2. Из формул 1 и 2 получим, что масса фотона равна m = h·??c2.

Масса определяемая соотношением 3, является массой движущегося фотона. Фотон не имеет массы покоя (m0 = 0), так как он не может существовать в состоянии покоя. Все фотоны движутся со скоростью с = 3·108 м/с. Очевидно импульс фотона P = m·c, откуда следует, что P = h·??c = h/?.

Наличие импульса у фотона экспериментально подтверждается открытием давления света. В таблице приведены волновые и корпускулярные характеристики фотона, и их взаимосвязь.

Величины, описывающие волновые свойства Величины, описывающие квантовые свойства Формулы, объединяющие два класса величин

Частота - ? Масса фотона - m m = h·??c2

Период - T Скорость фотона - c

Длина волны - ? Импульс фотона - p = m·c p = h·??c =h/?

V = ?·? Энергия E = m·c2 E = h·?


Это интересно:

Биохимические циклы в биосфере (круговороты биогенных элементов)
Земля - конечное физическое тело, и количество любых химических элементов на Земле конечно. Но уже миллионы лет, с тех пор, как появилась жизнь на планете, идет процесс фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов - и ...

Современные научные взгляды на эволюцию жизни (концепция неодарвинизма)
Из теории Дарвина следует что, наследственность связана с «неопределенной изменчивостью», которая может передаваться потомкам. Как уже было сказано, ключевой принцип дарвинизма – постепенная изменчивость. В противоположность этому в случ ...

Прогнозирование катастрофических событий
Из примера с кучей песка, стало очевидным, что катастрофическое событие не происходит внезапно, ему предшествуют менее значительные события. Прогнозирование катастрофических событий ведётся практически во всех областях современной науки. ...