Фотон

Фото́н (от др.-греч. φώς — свет) — 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

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 (1905−1917) обнаружена = 1923 (окончательное подтверждение) масса = 0 (<6×10−17 эВ) время_жизни = стабилен каналы_распада = — электрический_заряд = 0 (<10−32 e) 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 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

Фотон изначально был назван «световым квантом» (das Lichtquant) его первооткрывателем, Альбертом Эйнштейном. Современное название, которое «фотон» получил от греческого слова φῶς, «phōs» (означает свет), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом, который опубликовал теорию 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

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. не имеет электрического заряда 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 электрон—позитрон. При обратных процессах (возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар) происходит поглощение фотонов.

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

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

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. тем не менее, до знаменитого эксперимента Комптона большинство физиков неохотно соглашались с идеей корпускулярной природы электромагнитного излучения. (См., например, Нобелевскую лекцию Вильгельма Вина, Макса Планка и Роберта Милликена.) 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

Основные статьи: Корпускулярно-волновой дуализм, Связанные когерентные состояния

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.. 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).

Смотри также

• Свет
• Утомлённый свет — концепция старения света, потери энергии фотонами
• Электромагнитное излучение
• Квантовая оптика
• Поляризация фотонов

Дополнительная информация

• 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.^{о книге} Интересная история о становлении теории фотона.
• "Нобелевская лекция Рея Глаубера ([[:en:Ray Glauber's]]) "100 лет кванту света"".  8 December 2005. Ещё одно изложение истории фотона, ключевые фигуры, создавшие теорию когерентных состояний фотона.

Ссылки

• The Nature of Light: What Is A Photon? OPN Trends, Oct 2003
• MISN-0‒212 Characteristics of Photons (PDF file) by Peter Signell and Ken Gilbert for Project PHYSNET.
• How to entangle photons experimentally
• Экспериментальные свойства фотона на сайте Particle Data Group
• РЕВИЗИЯ КОНЦЕПЦИИ ФОТОНА авторы статьи Ашок Матукришнан, Марлен Скалли и Сухайл Зубайры
• Электродинамический расчет фотона без использования постоянной Планка

Частицы в физике