Фотон

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск

Фото́н (от др.-греч. φώςсвет) — элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного поля. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически идентичны.

История[править]

Квантовый характер излучения и поглощения энергии электромагнитного поля был постулирован М. Планком в 1900 для объяснения свойств теплового излучения. Термин «фотон» введён химиком Г. Льюисом в 1926.

Фотон
Классификация
Элементарная частица
Бозон
Калибровочный бозон
Переносчик электромагнитного взаимодействия
Свойства
символ = \(\gamma,\,\)<br\> иногда \(\gamma^0,\, h\nu\)
Количество типов = 1
Поколение = —
взаимодействие = электромагнитное,
гравитационное
Античастица = \(\gamma\,\)
теоретически_обоснована = М. Планк (1900);
Альберт Эйнштейн (19051917)
обнаружена = 1923 (окончательное подтверждение)
масса = 0 (<6×10−17 эВ)
время_жизни = стабилен
каналы_распада = —
электрический_заряд = 0 (<10−32 e[1])
цветовой_заряд = —
спин = 1
Кол-во спиновых состояний = 2

В современной физике фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия (часто называется элементарной частицей), фундаментальная составляющая света и всех других форм электромагнитного излучения.

Современная теория была разработана в 1905—1917 гг. Альбертом Эйнштейном[2][3][4][5] для объяснения наблюдаемых в экспериментах противоречий с классической волновой теорией света, например при изучении фотоэффекта.

Предпринимались попытки объяснить аномальное поведение света полуклассическими моделями, в которых свет по-прежнему описывается уравнениями Максвелла, а объекты, излучающие и поглощающие свет, квантуются. Несмотря на то, что полуклассические модели оказали влияние на развитие квантовой механики, эксперименты полностью подтвердили правоту Эйнштейна о корпускулярной природе света.

Концепция фотона привела ко многим новым теориям и открытиям, например, лазер, конденсация Бозе — Эйнштейна, квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. В соответствии со Стандартной Моделью физики элементарных частиц, фотоны ответственны за наличие всех электрических и магнитных полей, а само их существование следует из симметрии физических законов относительно пространства и времени. Внутренние свойства фотона (электрический заряд, масса и спин) определяются калибровочной симметрией.

Концепция фотонов имеет множество приложений, таких фотохимия, видеотехника, компьютерная томография, микроскопия высокого разрешения и измерение межмолекулярных расстояний. С недавнего времени фотоны также изучаются как элементы квантовых компьютеров и сложных приложений в передаче данных (квантовая криптография).

История названия и обозначения[править]

Фотон изначально был назван «световым квантом» (das Lichtquant) его первооткрывателем, Альбертом Эйнштейном.[2] Современное название, которое «фотон» получил от греческого слова φῶς, «phōs» (означает свет), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом, который опубликовал теорию [6] в которой фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми». Хотя теория Льюиса никогда не использовалась, так как находилась в противоречии с экспериментами, термин фотон начал использоваться большинством физиков.

В физике, фотон обычно означается символом \(\gamma\) (греческая буква гамма). В химии и оптической инженерии, для фотонов известно обозначение \(h \nu\), где \(h\) — постоянная Планка и \(\nu\) (греческая буква ню) — частота фотонов (произведение этих двух величин есть энергия фотона).

Физические свойства фотона[править]

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он не имеет массы покоя и электрического заряда, стабилен. Спин фотона равен 1, но из-за нулевой массы более правильное число — спиральность; по этой же причине внутренняя чётность фотона не определена. Является истинно нейтральной частицей (или, иными словами, является античастицей для самого себя). Зарядовая чётность отрицательная. Фотон участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях, как было описано выше.[7] не имеет электрического заряда[1] и не распадается спонтанно в вакууме. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны \(\lambda \!\) и его направление распространения. Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, когда атом или ядро переходят из возбужденного состояния в состяние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электронпозитрон.[8] При обратных процессах (возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар) происходит поглощение фотонов[9].

Поскольку фотон — безмассовая частица, он движется в вакууме со скоростью \(c \!\) (скорость света в вакууме). Если его энергия равна \(E \!\), то импульс \(\mathbf{p}\) связан с энергией соотношением \(E = c \, p \!\). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой \(E^{2} = c^{2} p^{2} + m^{2} c^{4} \!\), как показано в специальной теории относительности.

Энергия и импульс фотона зависят только от его частоты \(\nu \!\) (или, что то же самое, длины волны \(\lambda \!\)) $$ E = \hbar\omega = h\nu \! $$ $$\mathbf{p} = \hbar\mathbf{k}$$

и, следовательно, величина импульса есть $$ p = \hbar k = \frac{h}{\lambda} = \frac{h\nu}{c} $$

где \(\hbar\) — постоянная Планка, \(h/2\pi \!\); \(\mathbf{k}\) — волновой вектор и \(k = 2\pi/\lambda \!\) — его величина (волновое число), и \(\omega = 2\pi\nu\!\) — угловая частота. \(\mathbf{k}\) указывает направление движения фотона. Фотон также имеет спин, который не зависит от частоты.


История развития концепции фотона[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Свет
Эксперимент Томаса Юнга по дифракции света на двух щелях (1805) показал, что свет может рассматриваться как волна. Таким образом были опровергнуты ранние теории света как потока элементарных частиц.

Попытки опровержения гипотезы фотона[править]

До 1923 года большинство физиков отказывались верить в то, что электромагнитное излучение обладает квантовыми свойствами. Вместо этого они склонны были объяснять поведение фотонов квантованием материи, как, например, в модели атома водорода, предложенной Бором. Хотя все полуклассические модели были опровергнуты экспериментами, они привели к созданию квантовой механики.

Как упомянуто в нобелевской лекции Роберта Милликена, предсказания, сделанные в 1905 г. Эйнштейном, были проверены экспериментально несколькими независимыми путями в первые два десятилетия 20-го века.[10] тем не менее, до знаменитого эксперимента Комптона [11] большинство физиков неохотно соглашались с идеей корпускулярной природы электромагнитного излучения. (См., например, Нобелевскую лекцию Вильгельма Вина,[12] Макса Планка[13] и Роберта Милликена.[10]) Это неприятие объяснялось успехами волновой теории света Максвелла.

Многие физики считали, что квантование энергии в процессах излучения и поглощения света являлось следствием неких свойств вещества, излучающего или поглощающего свет. Нильс Бор, Арнольд Зоммерфельд и другие создали модели атома с дискретными уровнями энергии, которые объясняли наличие спектров излучения и поглощения у атомов и, более того, находились в прекрасном согласии с наблюдаемым спектром водорода (правда, получить спектры других атомов в этих моделях не удавалось). Только рассеяние фотона свободным электроном (который не имеет внутренней структуры и, соответственно, не может иметь энергетических уровней) заставило многих поверить в квантовую природу света.

Корпускулярно-волновой дуализм[править]

Корпускулярно-волновой дуализм, свойственный фотону, труден для понимания. С одной стороны, фотон демонстрирует свойства волны в явлениях диффракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной волны фотона. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. [14]. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделен на несколько пучков оптическими делителями лучей. Скорее, фотон ведет себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или, вообще, могут считаться точечными (например, электрон).


Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна[править]

Спонтанное и вынужденное излучение[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основные статьи: Вынужденное излучение, Лазер

Фотон как калибровочный бозон[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Калибровочная теория

Вклад фотонов в гравитационную массу системы[править]

Смотри также[править]

Примечания[править]

  1. а б Cocconi, G (1992). "Upper Limits on the Electric Charge of the Photon". American Journal of Physics 60: 750—751.
    Kobychev, V V; Popov, S B (2005). "Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources". Astronomy Letters 31: 147—151. DOI:10.1134/1.1883345.
    Altschul, B (2007). "Bound on the Photon Charge from the Phase Coherence of Extragalactic Radiation". Physical Review Letters 98: 261801. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>: название «chargeless» определено несколько раз для различного содержимого
  2. а б Einstein, A (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trans. A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light)". Annalen der Physik 17: 132—148. (German). An English translation is available from Wikisource.
  3. Einstein, A (1909). "Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trans. The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation)". Physikalische Zeitschrift 10: 817—825. (German). An English translation is available from Wikisource.
  4. Einstein, A (1916a). "Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18: 318. (German)
  5. Einstein, A (1916b). "Zur Quantentheorie der Strahlung". Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich 16: 47. Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121—128 (1917). (German)
  6. Lewis, GN (1926). "The conservation of photons". Nature 118: 874—875.
  7. См. масса в теории относительности для обсуждения связи между массой покоя и релятивистcкой массой.
  8. Заметим, что при аннигиляции образуется два фотона (а не один), поскольку в системе центра масс сталкивающихся частиц их суммарный импульс равен нулю, а один рожденный фотон всегда будет иметь ненулевой импульс. Закон сохранения импульса требует рождения, как минимум, двух фотонов с нулевым общим импульсом. Энергия фотонов (и, следовательно, их частота) определяется законом сохранения энергии
  9. Этот процесс является преобладающим при распространении гамма-лучей высоких энергий через вещество.
  10. а б "Robert A. Millikan's Nobel Lecture".  Delivered 23 May 1924.
  11. Compton, A (1923). "A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements". Physical Review 21: 483—502.
  12. "Wilhelm Wien Nobel Lecture".  Delivered 11 December 1911.
  13. "Max Planck's Nobel Lecture".  Delivered 2 June 1920.
  14. Taylor, GI (1909). "Interference fringes with feeble light". Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 15: 114—115.

Дополнительная информация[править]

  • Clauser, JF. (1974). "Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect". Phys. Rev. D 9: 853—860.
  • Kimble, HJ; Dagenais M, and Mandel L. (1977). "Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence". Phys. Rev. Lett. 39: 691.
  • Grangier, P; Roger G, and Aspect A. (1986). "Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences". Europhysics Letters 1: 501—504.
  • Thorn, JJ; Neel MS, Donato VW, Bergreen GS, Davies RE and Beck M. (2004). "Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory". American Journal of Physics 72: 1210—1219.
  • A. Pais Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. — Oxford University Press, 1982. — С. 364—388, 402—415.> Интересная история о становлении теории фотона.
  • "Нобелевская лекция Рея Глаубера ([[:en:Ray Glauber's]) "100 лет кванту света""].  Wikilink embedded in URL title (help) 8 December 2005. Еще одно изложение истории фотона, ключевые фигуры, создавшие теорию когерентных состояний фотона.

Ссылки[править]