Частицы света называются

У этого термина существуют и другие значения, см. Фотон (значения).

Введение понятия фотона способствовало созданию новых теорий и физических приборов, а также стимулировало развитие экспериментальной и теоретической базы квантовой механики. Например, были изобретены мазер, лазер, открыто явление конденсации Бозе — Эйнштейна, сформулирована квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. В современной Стандартной модели физики элементарных частиц существование фотонов является следствием того, что физические законы инвариантны относительно локальной калибровочной симметрии в любой точке пространства-времени (см. более подробное описание ниже в разделе Фотон как калибровочный бозон). Этой же симметрией определяются внутренние свойства фотона, такие как электрический заряд, масса и спин.

Содержание

История названия и обозначения
История развития концепции фотона
Попытки сохранить теорию Максвелла
Физические свойства фотона
Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости
Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна
Фотон как калибровочный бозон
Смотреть что такое «Фотон» в других словарях:
Поделиться ссылкой на выделенное
История названия и обозначения
История развития концепции фотона
Ранние попытки опровержения
Физические свойства фотона
Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределенности
Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна
Фотон как калибровочный бозон
Вклад фотонов в массу системы
Фотоны в веществе
Корпускулярно-волновой дуализм
Интерференция и дифракция
Энергия и импульс фотона
Давление света

История названия и обозначения

В физике фотон обычно обозначается символом $~\gamma$ (греческая буква гамма). Это обозначение восходит к гамма-излучению, открытому в 1900 году, и состоящему из достаточно высокоэнергетических фотонов. Открытие гамма-излучения, одного из трёх видов (α-, β- и γ-лучи) ионизирующей радиации, излучаемых известными на тот момент радиоактивными веществами, принадлежит Паулю Вилларду, электромагнитную природу гамма-лучей доказали в 1914 году Эрнест Резерфорд и Эдвард Андрейд. В химии и оптической инженерии для фотонов часто используют обозначение $~h \nu,$ где — постоянная Планка и $~\nu$ (греческая буква ню) — частота фотонов. Произведение этих двух величин есть энергия фотона.

История развития концепции фотона

Основная статья: Свет

Опыт Томаса Юнга по интерференции света на двух щелях (1805 год) показал, что свет может рассматриваться как волна. Таким образом были опровергнуты ранние теории света как потока частиц.

В соответствии с квантовой электродинамикой электромагнитное поле в объёме куба с длиной ребра d можно представить в виде плоских стоячих волн, сферических волн или плоских бегущих волн $e^{ik{\cdot}x}$ . Объём при этом считается заполненным фотонами с распределением энергии $n\hbar\omega$ , где n — целое число. Взаимодействие фотонов с веществом приводит к изменению числа фотонов n на $\pm1$ (излучение или поглощение).

Попытки сохранить теорию Максвелла

До 1923 года большинство физиков отказывались принимать идею о том, что электромагнитное излучение обладает квантовыми свойствами. Вместо этого они были склонны объяснять поведение фотонов квантованием материи, как, например, в теории Бора для атома водорода. Хотя все эти полуклассические модели были лишь первыми приближениями и выполнялись только для простых систем, они привели к созданию квантовой механики.

Энергия и импульс сохраняются лишь статистически (в среднем) во взаимодействиях между материей и излучением. В отдельных элементарных процессах, таких как излучение и поглощение, законы сохранения энергии и импульса не выполняются.
Это предположение позволило согласовать ступенчатость изменения энергии атома (переходы между энергетическими уровнями) с непрерывностью изменения энергии самого излучения.
Механизм излучения носит специфический характер. В частности, спонтанное излучение рассматривалось как излучение, стимулированное «виртуальным» электромагнитным полем.

Физические свойства фотона

В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты $~\nu$ (или, что эквивалентно, от длины волны $~\lambda=c/\nu$ ):

$E=\hbar\omega=h\nu$ ,

$\vec{p}=\hbar\vec{k}$ ,

и, следовательно, величина импульса есть:

$p=\hbar k=\frac{h}{\lambda}=\frac{h\nu}{c}$ ,

где $~\hbar$ — постоянная Планка, равная $~h/2\pi$ ; $\vec{k}$ — волновой вектор и $~k=2\pi/\lambda$ — его величина (волновое число); $~\omega=2\pi\nu$ — угловая частота. Волновой вектор $\vec{k}$ указывает направление движения фотона. Спин фотона не зависит от частоты.

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости

Мысленный эксперимент Гейзенберга по определению местонахождения электрона (закрашен синим) с помощью гамма-лучевого микроскопа высокого разрешения. Падающие гамма-лучи (показаны зелёным) рассеиваются на электроне и попадают в апертурный угол микроскопа θ. Рассеянные гамма-лучи показаны на рисунке красным цветом. Классическая оптика показывает, что положение электрона может быть определено только с точностью до определённого значения Δx, которое зависит от угла θ и от длины волны λ падающих лучей.

Важно отметить, что квантование света и зависимость энергии и импульса от частоты необходима для выполнения принципа неопределённости, применённого к заряженной массивной частице. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью $~\Delta x$ , равной разрешающей способности микроскопа. Исходя из представлений классической оптики:

$\Delta x \sim \frac{\lambda}{\sin \theta},$

где $~\theta$ — апертурный угол микроскопа. Таким образом, неопределённость координаты $~\Delta x$ можно сделать сколь угодно малой, уменьшая длину волны $~\lambda$ падающих лучей. Однако после рассеяния электрон приобретает некоторый дополнительный импульс, неопределённость которого равна $~\Delta p$ . Если бы падающее излучение не было квантованным, эту неопределённость можно было бы сделать сколь угодно малой, уменьшая интенсивность излучения. Длину волны и интенсивность падающего света можно менять независимо друг от друга. В результате при отсутствии квантования света стало бы возможным одновременно определить с высокой точностью положение электрона в пространстве и его импульс, что противоречит принципу неопределённости.

Напротив, формула Эйнштейна для импульса фотона полностью удовлетворяет требованиям принципа неопределённости. С учётом того, что фотон может быть рассеян в любом направлении в пределах угла $~\theta$ , неопределённость переданного электрону импульса равняется:

$\Delta p \sim p_{\mathrm{\phi}} \sin\theta = \frac{h}{\lambda} \sin\theta.$

Аналогично, принцип неопределённости для фотонов запрещает одновременное точное измерение числа фотонов (см. фоковское состояние и раздел вторичное квантование ниже) в электромагнитной волне и фазы $~\varphi$ этой волны (см. когерентное состояние и сжатое когерентное состояние):

1.
«>

Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна

$d n (\varepsilon) = \frac{V \varepsilon d \varepsilon^2}{\pi^2 \hbar^3 c^3 (e^{\varepsilon/kT} - 1)},$

где — объём полости, $~\hbar$ — постоянная Дирака, — температура равновесного фотонного газа (совпадает с температурой стенок).

$P = \frac{1}{3} \sigma T^4,$

где $~\sigma$ — постоянная Стефана — Больцмана.

Вынужденное излучение (в котором фотоны как бы «клонируют» себя) было предсказано Эйнштейном и привело к изобретению лазера. Выводы Эйнштейна стимулировали дальнейшее развитие квантовых представлений о природе света, которые привели к статистической интерпретации квантовой механики.

В 1916 году Эйнштейн показал, что закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела может быть выведен исходя из следующих статистических полуклассических представлений:

Электроны в атомах находятся на дискретных энергетических уровнях;
При переходе электронов между этими уровнями, атомом поглощаются или излучаются фотоны.

Эйнштейн начал с постулирования простых соотношений между скоростями реакций поглощения и испускания. В его модели скорость $~R_{ji}$ поглощения фотонов частоты $~\nu$ и перехода атомов с энергетического уровня $~E_{j}$ на вышележащий уровень с энергией $~E_{i}$ пропорциональна числу $~N_{j}$ атомов с энергией $~E_{j}$ и спектральной плотности излучения $~\rho(\nu)$ для окружающих фотонов той же частоты:

$~R_{ji} = N_{j} B_{ji} \rho(\nu)$ .

Здесь $~B_{ji}$ — константа скорости реакции поглощения (коэффициент поглощения). Для осуществления обратного процесса есть две возможности: спонтанное излучение фотонов и возврат электрона на нижележащий уровень посредством взаимодействия со случайным фотоном. Согласно описанному выше подходу, соответствующая скорость реакции $~R_{ij}$ , характеризующая излучение системой фотонов частоты $~\nu$ и переход атомов с вышележащего уровня энергии $~E_{i}$ на нижележащий с энергией $~E_{j}$ , равняется:

$~R_{ij} = N_{i} A_{ij} + N_{i} B_{ij} \rho(\nu)$ .

Здесь $~A_{ij}$ — коэффициент спонтанного излучения, $~B_{ij}$ — коэффициент, ответственный за вынужденное излучение под действием случайных фотонов. При термодинамическом равновесии число атомов в энергетическом состоянии и в среднем должно быть постоянным во времени, следовательно, величины $~R_{ji}$ и $~R_{ij}$ должны быть равны. Кроме того, по аналогии с выводами статистики Больцмана, имеет место отношение:

$\frac{N_i}{N_j} = \frac{g_i}{g_j}\exp{\frac{E_j-E_i}{kT}}$ ,

где $~g_{i,j}$ — кратность вырождения энергетических уровней и , $~E_{i,j}$ — энергия этих уровней, — постоянная Больцмана, — температура системы. Из сказанного следует вывод, что $~g_iB_{ij} = g_jB_{ji}$ и:

$A_{ij} = \frac{8 \pi h \nu^{3}}{c^{3}} B_{ij}$ .

Различные электромагнитные моды (например, изображённые на рисунке) могут быть рассмотрены как независимые квантовые гармонические осцилляторы. Каждый фотон соответствует единичной энергии E=hν в своей электромагнитной моде.

В современных физических обозначениях квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние, тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:

$|n_{k_0}\rangle\otimes|n_{k_1}\rangle\otimes\dots\otimes|n_{k_n}\rangle\dots,$

где $~|n_{k_i}\rangle$ представляет собой состояние с числом фотонов $~n_{k_i},$ находящихся в моде Создание нового фотона (например, излучённого в атомном переходе) в моде записывается так:

$|n_{k_i}\rangle \rightarrow |n_{k_i}+1\rangle.$

Фотон как калибровочный бозон

Основная статья: Калибровочная теория

Существует множество технических устройств, которые так или иначе используют в своей работе фотоны. Ниже для иллюстрации приведены лишь некоторые из них.

Излучение и поглощение фотонов веществом используется в спектральном анализе. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что спектры излучения и поглощения атомов и состоящих из них молекул индивидуальны, подобно отпечаткам пальцев у людей.

Эмиссионный, использующий спектры излучения атомов, реже — молекул. Этот вид анализа предполагает сжигание некоторого количества пробы в пламени газовой горелки, электрической дуге постоянного или переменного тока, электрической высоковольтной искре. Частным случаем эмиссионного анализа является люминесцентный анализ.
Абсорбционный, использующий спектр поглощения, главным образом молекул, но может быть применён и для атомов. Здесь пробу целиком переводят в газообразное состояние и пропускают через неё свет от источника сплошного излучения. На выходе на фоне сплошного спектра наблюдается спектр поглощения испарённого вещества.
Рентгеновский, использующий рентгеновские спектры атомов, а также дифракцию рентгеновских лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения его структуры. Главное достоинство метода в том, что рентгеновские спектры содержат немного линий, что значительно облегчает изучение состава пробы. Среди недостатков можно выделить невысокую чувствительность и сложность аппаратуры.

Kimble, H. J.; Dagenais M.; and Mandel L. (1977). «Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence». Phys. Rev. Lett. 39: 691.
Grangier, P.; Roger G.; 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, J. J.; Neel M. S.; Donato V. W.; Bergreen G. S.; Davies R. E.; Beck M. (2004). «Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory». American Journal of Physics 72: 1210—1219.
Pais A. Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. — Oxford University Press, 1982. — P. 364—388, 402—415. Интересная история о становлении теории фотона.
Нобелевская лекция Рея Глаубера «100 лет кванту света». Архивировано из первоисточника 21 августа 2011. 8 декабря 2005 года. Ещё одно изложение истории фотона, ключевые фигуры, создавшие теорию когерентных состояний фотона.

Все экспериментально измеренные свойства фотона на сайте Particle Data Group
Characteristics of Photons (PDF file) by Peter Signell and Ken Gilbert for Project PHYSNET.
How to entangle photons experimentally

Частицы в физике

Квантовая электродинамика
Элементарные частицы
Бозоны
Электромагнетизм
Оптика
Безмассовые частицы
Электрослабое взаимодействие

.
.

Игры ⚽ Нужно решить контрольную?

Синонимы

Смотреть что такое «Фотон» в других словарях:

Обратная связь:
Техподдержка,
Реклама на сайте

Экспорт словарей на сайты, сделанные на PHP,

Пометить текст и поделиться

Искать во всех словарях
Искать в переводах
Искать в Интернете

Поделиться ссылкой на выделенное

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. В физике фотоны обозначаются буквой γ.

Классическая электродинамика описывает фотон как электромагнитную волну с круговой правой или левой поляризацией. С точки зрения классической квантовой механики, фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны.

Квантовая электродинамика, основанная на квантовой теории поля и Стандартной модели, описывает фотон как калибровочный бозон, обеспечивающий электромагнитное взаимодействие: виртуальные фотоны являются квантами-переносчиками электромагнитного поля и обеспечивают взаимодействие между двумя электрическими или магнитными зарядами.

Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.

Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон-позитрон. При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.

и, следовательно, величина импульса есть:

Классические формулы для энергии и импульса электромагнитного излучения могут быть получены исходя из представлений о фотонах. К примеру, давление излучения осуществляется за счёт передачи импульса фотонов телу при их поглощении. Действительно, давление — это сила, действующая на единицу площади поверхности, а сила равна изменению импульса, отнесённому ко времени этого изменения.

Gamma-ray-microscope — Мысленный эксперимент Гейзенберга по определению местонахождения электрона (закрашен синим) с помощью гамма-лучевого микроскопа высокого разрешения. Падающие гамма-лучи (показаны зелёным) рассеиваются на электроне и попадают в апертурный угол микроскопа . Рассеянные гамма-лучи показаны на рисунке красным цветом. Классическая оптика показывает, что положение электрона может быть определено только с точностью до определённого значения , которое зависит от угла и от длины волны падающих лучей.

Ключевым элементом квантовой механики является принцип неопределённости Гейзенберга, который запрещает одновременное точное определение пространственной координаты частицы и её импульса по этой координате.

В состоянии равновесия электромагнитное излучение в абсолютно чёрной полости (так называемое тепловое равновесное излучение, или чернотельное излучение) описывается теми же термодинамическими параметрами, что и обычный газ: объёмом, температурой, энергией, энтропией и др. Излучение оказывает давление ~P на стенки, так как фотоны обладают импульсом. Связь этого давления с температурой отражена в уравнении состояния фотонного газа:

Эйнштейн показал, что эта модификация эквивалентна признанию того, что фотоны строго тождественны друг другу, а между ними подразумевается наличие «таинственного нелокального взаимодействия», сейчас понимаемого как требование симметричности квантовомеханических состояний относительно перестановки частиц. Эта работа в конечном счёте привела к созданию концепции когерентных состояний и способствовала изобретению лазера. В этих же статьях Эйнштейн расширил представления Бозе на элементарные частицы с целым спином (бозоны) и предсказал явление массового перехода частиц вырожденного бозонного газа в состояние с минимальной энергией при понижении температуры до некоторого критического значения (конденсация Бозе — Эйнштейна). Этот эффект в 1995 году наблюдался экспериментально, а в 2001 году авторам эксперимента была присуждена Нобелевская премия. В современном понимании бозоны, коими в том числе являются и фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, а фермионы, например, электроны, — статистике Ферми — Дирака.

Stimulated Emission ru — Вынужденное излучение (в котором фотоны как бы «клонируют» себя) было предсказано Эйнштейном и привело к изобретению лазера. Выводы Эйнштейна стимулировали дальнейшее развитие квантовых представлений о природе света, которые привели к статистической интерпретации квантовой механики.

Электроны в атомах находятся на дискретных энергетических уровнях;
При переходе электронов между этими уровнями, атомом поглощаются или излучаются фотоны.

Эйнштейн был обеспокоен тем, что его теория казалась неполной, в силу того, что она не описывала направление спонтанного излучения фотона. Вероятностная природа движения световых частиц была впервые рассмотрена Исааком Ньютоном в его объяснении явления двойного лучепреломления (эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие) и, вообще говоря, явления расщепления пучков света границей двух сред на отражённый и преломлённый пучки. Ньютон предположил, что «скрытые переменные», характеризующие световые частицы, определяют, в какой из двух расщеплённых лучей пойдёт данная частица.Аналогично и Эйнштейн, начиная дистанцироваться от квантовой механики, надеялся на возникновение более общей теории микромира, в которой не будет места случайности. Примечательно, что введение Максом Борном вероятностной интерпретации волновой функции
было стимулировано поздней работой Эйнштейна, который искал более общую теорию.

Visible EM modes — Различные электромагнитные моды (например, изображённые на рисунке) могут быть рассмотрены как независимые квантовые гармонические осцилляторы. Каждый фотон соответствует единичной энергии в своей электромагнитной моде.

Vertex correction — В квантовой теории поля вероятность наступления события вычисляется как квадрат модуля суммы амплитуд вероятностей (комплексных чисел) всех возможных способов, которыми это событие может реализоваться, как на диаграмме Фейнмана, изображённой здесь.

Математически метод вторичного квантования заключается в том, что квантовая система, состоящая из большого числа тождественных частиц, описывается с помощью волновых функций, в которых роль независимых переменных играют числа заполнения. Вторичное квантование осуществляется введением операторов, увеличивающих и уменьшающих число частиц в данном состоянии (чисел заполнения) на единицу. Эти операторы называют иногда операторами рождения и уничтожения. Математически свойства операторов заполнения и уничтожения задаются перестановочными соотношениями, вид которых определяется спином частиц. При таком описании волновая функция сама становится оператором.

Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования калибровочной инвариантности электрона относительно преобразования пространственно-временных координат. Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную, как в случае с энергией или лагранжианом.

В Стандартной модели фотон является одним из четырёх калибровочных бозонов, осуществляющих электрослабое взаимодействие. Остальные три (W+, W− и Z0) называются векторными бозонами и отвечают только за слабое взаимодействие. В отличие от фотона у векторных бозонов есть масса, они обязаны быть массивными вследствие того, что слабое взаимодействие проявляется лишь на очень малых расстояниях, <10−15 см. Однако кванты калибровочных полей должны быть безмассовыми, появление у них массы нарушает калибровочную инвариантность уравнений движения. Выход из этого затруднения был предложен Питером Хиггсом, теоретически описавшим явление спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Оно позволяет сделать векторные бозоны тяжёлыми без нарушения калибровочной симметрии в самих уравнениях движения. Объединение фотона с W и Z калибровочными бозонами в электрослабом взаимодействии осуществили Шелдон Ли Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг, за что были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году. Важной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия (так называемое «великое объединение»). Однако ключевые следствия посвящённых этому теорий, такие как распад протона, до сих пор не были обнаружены экспериментально.

В квантовой электродинамике при взаимодействии электронов с виртуальными фотонами вакуума возникают расходимости, которые устраняются при помощи процедуры перенормировки. В результате масса электрона, стоящая в лагранжиане электромагнитного взаимодействия, отличается от экспериментально наблюдаемой массы. Несмотря на определённые математические проблемы, связанные с подобной процедурой, квантовая электродинамика позволяет с очень высокой точностью дать объяснение таких фактов как аномальный дипольный момент лептонов и сверхтонкая структура лептонных дуплетов (например, у мюония и позитрония).

Тензор энергии-импульса электромагнитного поля отличен от нуля, поэтому фотоны гравитационно воздействуют на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности. И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. В отсутствие гравитации траектории фотонов прямолинейны. В гравитационном поле они отклоняются от прямых в связи с искривлением пространства-времени (см., например, гравитационная линза). Кроме этого, в гравитационном поле наблюдается так называемое гравитационное красное смещение (см. эксперимент Паунда и Ребки). Это свойственно не только отдельным фотонам, в точности такой же эффект был предсказан для классических электромагнитных волн в целом.

С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами, подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона. Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу, из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью ~c. Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама — Бриллюэна.

Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света ~c, даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость. Волновые пакеты, состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей ~c. С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.

В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью — возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм/с).

Фотоны также могут быть поглощены ядрами, атомами или молекулами, спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином, в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека, как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками. Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса. Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора; такие процессы являются объектом изучения фотохимии.

Введение понятия фотона способствовало созданию новых теорий и физических приборов, а также стимулировало развитие экспериментальной и теоретической базы квантовой механики. Например, были изобретены мазер, лазер, открыто явление конденсации Бозе — Эйнштейна, сформулирована квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. В соответствии со Стандартной моделью физики элементарных частиц, электрические и магнитные поля состоят из фотонов, а само существование последних следует из симметрии физических законов относительно пространства и времени. Внутренние свойства фотона (электрический заряд, масса и спин) определяются калибровочной симметрией.

История названия и обозначения

В физике фотон обычно обозначается символом $~\gamma$ (греческая буква гамма). Это обозначение восходит к гамма-излучению, открытому в 1900 году и состоящему из достаточно высокоэнергетических фотонов. Открытие гамма-излучения, одного из трех видов (α-, β- и γ-лучи) ионизирующей радиации, излучаемых известными на тот момент радиоактивными веществами, принадлежит Паулю Вилларду, электромагнитную природу гамма-лучей доказали в 1914 году Эрнест Резерфорд и Эдвард Андрейд. В химии и оптической инженерии для фотонов часто используют обозначение $~h \nu,$ где — постоянная Планка и $~\nu$ (греческая буква ню) — частота фотонов. Произведение этих двух величин есть энергия фотона.

История развития концепции фотона

Основная статья: Свет

Ранние попытки опровержения

Энергия и импульс сохраняются лишь статистически (в среднем) во взаимодействиях между материей и излучением. В отдельных элементарных процессах, таких как излучение и поглощение, законы сохранения энергии и импульса не выполняются. Это предположение позволило согласовать ступенчатость изменения энергии атома (переходы между энергетическими уровнями) с непрерывностью изменения энергии самого излучения.
Механизм излучения носит специфический характер. В частности, спонтанное излучение рассматривалось как излучение, стимулированное «виртуальным» электромагнитным полем.

Физические свойства фотона

$E=\hbar\omega=h\nu$ ,

$\vec{p}=\hbar\vec{k}$ ,

и, следовательно, величина импульса есть:

$p=\hbar k=\frac{h}{\lambda}=\frac{h\nu}{c}$ ,

где $~\hbar$ — постоянная Дирака, равная $~h/2\pi$ ; $\vec{k}$ — волновой вектор и $~k=2\pi/\lambda$ — его величина (волновое число); $~\omega=2\pi\nu$ — угловая частота. Волновой вектор $\vec{k}$ указывает направление движения фотона. Спин фотона не зависит от частоты.

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределенности

Мысленный эксперимент Гейзенберга по определению местонахождения электрона (закрашен синим) с помощью гамма-лучевого микроскопа высокого разрешения. Падающие гамма-лучи (показаны зеленым) рассеиваются на электроне и попадают в апертурный угол микроскопа θ. Рассеянные гамма-лучи показаны на рисунке красным цветом. Классическая оптика показывает, что положение электрона может быть определено только с точностью до определённого значения Δx, которое зависит от угла θ и от длины волны λ падающих лучей.

Важно отметить, что из принципа неопределённости, применённого к заряженной массивной частице, с необходимостью вытекает, что свет квантуется (то есть существуют фотоны), и даже выводится зависимость энергии и импульса фотона от частоты. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью $~\Delta x$ , равной разрешающей способности микроскопа. Исходя из представлений классической оптики:

$\Delta x \sim \frac{\lambda}{\sin \theta},$

Напротив, формула Эйнштейна для импульса фотона полностью удовлетворяет требованиям принципа неопределённости. С учетом того, что фотон может быть рассеян в любом направлении в пределах угла $~\theta$ , неопределённость переданного электрону импульса равняется:

$\Delta p \sim p_{\mathrm{\phi}} \sin\theta = \frac{h}{\lambda} \sin\theta.$

Аналогично, принцип неопределённости для фотонов запрещает одновременное точное измерение числа фотонов (см. фоковское состояние и раздел вторичное квантование ниже) в электромагнитной волне и фазу $~\varphi$ этой волны (см. когерентное состояние и сжатое когерентное состояние):

$~\Delta n \Delta \varphi &gt; 1.$

Модель фотонного газа Бозе — Эйнштейна

$d n (\varepsilon) = \frac{V \varepsilon d \varepsilon^2}{\pi^2 \hbar^3 c^3 (e^{\varepsilon/kT} - 1)},$

$P = \frac{1}{3} \sigma T^4,$

где $~\sigma$ — постоянная Стефана — Больцмана.

Электроны в атомах находятся на дискретных энергетических уровнях;
При переходе электронов между этими уровнями, атомом поглощаются или излучаются фотоны.

$~R_{ji} = N_{j} B_{ji} \rho(\nu)$ .

$~R_{ij} = N_{i} A_{ij} + N_{i} B_{ij} \rho(\nu)$ .

Здесь $~A_{ij}$ — коэффициент спонтанного излучения (англ.), $~B_{ij}$ — коэффициент, ответственный за вынужденное излучение под действием случайных фотонов. При термодинамическом равновесии число атомов в энергетическом состоянии и в среднем должно быть постоянным во времени, следовательно, величины $~R_{ji}$ и $~R_{ij}$ должны быть равны. Кроме того, по аналогии с выводами статистики Больцмана, имеет место отношение:

$\frac{N_i}{N_j} = \frac{g_i}{g_j}\exp{\frac{E_j-E_i}{kT}}$ ,

$A_{ij} = \frac{8 \pi h \nu^{3}}{c^{3}} B_{ij}$ .

В современных физических обозначениях, квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние, тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:

$|n_{k_0}\rangle\otimes|n_{k_1}\rangle\otimes\dots\otimes|n_{k_n}\rangle\dots,$

где $~|n_{k_i}\rangle$ представляет собой состояние с числом фотонов $~n_{k_i},$ находящихся в моде Создание нового фотона (например, излученного в атомном переходе) в моде записывается так:

$|n_{k_i}\rangle \rightarrow |n_{k_i}+1\rangle.$

Фотон как калибровочный бозон

Основная статья: Калибровочная теория

Вклад фотонов в массу системы

Основная статья: Масса в специальной теории относительности

Фотоны в веществе

Излучение и поглощение фотонов веществом используется в спектральном анализе. Атомы каждого химического элемента имеют строго определенные резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что спектры излучения и поглощения атомов и состоящих из них молекул индивидуальны, подобно отпечаткам пальцев у людей.

Эмиссионный, использующий спектры излучения атомов, реже − молекул. Этот вид анализа предполагает сжигание некоторого количества пробы в пламени газовой горелки, электрической дуге постоянного или переменного тока, электрической высоковольтной искре. Частным случаем эмиссионного анализа является люминисцентный анализ.
Абсорбционный, использующий спектр поглощения, главным образом молекул, но может быть применен и для атомов. Здесь пробу целиком переводят в газообразное состояние и пропускают через нее свет от источника сплошного излучения. На выходе на фоне сплошного спектра наблюдается спектр поглощения испаренного вещества.
Рентгеновский, использующий рентгеновские спектры атомов, а также дифракцию рентгеновских лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения его структуры. Главное достоинство метода в том, что рентгеновские спектры содержат немного линий, что значительно облегчает изучение состава пробы. Среди недостатков можно выделить невысокую чувствительность и сложность аппаратуры.

Clauser, J. F. (1974). «Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect». Phys. Rev. D 9: 853—860.
Kimble, H. J.; Dagenais M.; and Mandel L. (1977). «Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence». Phys. Rev. Lett. 39: 691.
Grangier, P.; Roger G.; 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, J. J.; Neel M. S.; Donato V. W.; Bergreen G. S.; Davies R. E.; 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 «100 лет кванту света». 8 декабря 2005 года. Еще одно изложение истории фотона, ключевые фигуры, создавшие теорию когерентных состояний фотона.

Все экспериментально измеренные свойства фотона на сайте Particle Data Group{
Characteristics of Photons (PDF file) by Peter Signell and Ken Gilbert for Project PHYSNET.
How to entangle photons experimentally

.
.

элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света). Масса покоя m₀ Ф. равна нулю (из опытных данных следует, что во всяком случае m₀ (4․10^-21 m_е, где m_е – масса электрона), и поэтому его скорость равна скорости света с ≈ 3․10¹⁰ см/сек. Спин (собственный момент количества движения) Ф. равен 1 (в единицах ħ = h/2π, где h = 6,624․10^-27 эрг․сек – постоянная Планка), и, следовательно, Ф. относится к Бозонам. Частица со спином J и ненулевой массой покоя имеет 2J + 1 спиновых состояний, различающихся проекцией спина, но в связи с тем, что уФ. m₀ = 0, он может находиться только в двух спиновых состояниях с проекциями спина на направление движения ± 1; этому свойству Ф. в классической электродинамике соответствует поперечность электромагнитной волны.

Т. к. не существует системы отсчёта, в которой Ф. покоится, ему нельзя приписать определённой внутренней чётности (См. Чётность). По электрической и магнитной мультипольностям системы зарядов (2l-поля; см. Мультиполь), излучившей данный Ф., различают состояния Ф. электрического и магнитного типа; чётность электрического мультипольного Ф. равна (– 1) ^l, магнитного (– 1) ^l^{+ 1}. Ф. – абсолютно (истинно) нейтральная частица и поэтому обладает определённым значением зарядовой чётности (см. Зарядовое сопряжение), равным -1. Кроме электромагнитного взаимодействия, Ф. участвует в гравитационном взаимодействии.

Представление о Ф. возникло в ходе развития квантовой теории и теории относительности. (Сам термин «фотон» появился лишь в 1929.) В 1900 М. Планк получил формулу для спектра теплового излучения абсолютно чёрного тела (см. Планка закон излучения), исходя из предположения, что излучение электромагнитных волн происходит определёнными порциями – «квантами», энергия которых может принимать лишь дискретный ряд значений, кратных неделимой порции – кванту hν, где ν – частота электромагнитной волны. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн ввёл гипотезу световых квантов, согласно которой эта дискретность обусловлена не механизмом поглощения и испускания, а тем, что само излучение состоит из «неделимых квантов энергии, поглощаемых или испускаемых только целиком» (А. Эйнштейн, Собрание научных трудов, т. 3, с. 93, М., 1966). Это позволило Эйнштейну объяснить ряд закономерностей Фотоэффекта, люминесценции (См. Люминесценция), фотохимических реакций. В то же время созданная Эйнштейном специальная теория относительности (1905) привела к отказу от объяснения электромагнитных волн колебаниями особой среды – эфира, и тем самым создала предпосылки для того, чтобы считать излучение одной из форм материи, а световые кванты – реальными элементарными частицами. В опытах А. Комптона по рассеянию рентгеновских лучей было установлено, что кванты излучения подчиняются тем же кинематическим законам, что и частицы вещества, в частности кванту излучения с частотой ν необходимо приписать также и импульс hν/c (см. Комптона эффект).

К середине 30-х гг. в результате развития квантовой механики (См. Квантовая механика) стало ясно, что ни наличие волновых свойств, проявляющихся в волновых свойствах света, ни способность исчезать или появляться в актах поглощения и излучения не выделяют Ф. среди других элементарных частиц. Оказалось, что частицы вещества, например электроны, обладают волновыми свойствами (см. Волны де Бройля, Дифракция частиц), и была установлена возможность взаимопревращения пар электронов и позитронов в Ф.: например в электростатическом поле атомного ядра Ф. с энергией выше 1 Мэв (фотоны с энергией выше 100 кэв часто называют γ—квантами) может превратиться в электрон и позитрон (процесс рождения пары) и, наоборот, столкновение электрона и позитрона приводит к превращению их в два (или три) γ-кванта (аннигиляция пары; см. Аннигиляция и рождение пар).

Современной теорией, последовательно описывающей взаимодействия Ф., электронов и позитронов с учётом их возможных взаимопревращений, является квантовая электродинамика (см. Квантовая теория поля). Она рассматривает электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами как процесс обмена виртуальными Ф. (см. Виртуальные частицы). Сами Ф. через образование виртуальных электрон-позитронных пар также могут взаимодействовать между собой, однако вероятность такого взаимодействия очень мала и экспериментально оно не наблюдалось. При рассеянии Ф. высоких энергий на адронах (См. Адроны) и атомных ядрах следует учитывать, что Ф. может превращаться виртуально в совокупность адронов, которые сильно взаимодействуют с адронами мишени. В то же время виртуальный Ф., возникающий, например, при аннигиляции электрона и позитрона высоких энергий, может превращаться в реальные адроны. (Такие процессы наблюдаются на встречных электрон-позитронных пучках.) Описание взаимодействия реальных и виртуальных Ф. с адронами осуществляется с помощью различных теоретических моделей, например векторной доминантности (см. Электромагнитные взаимодействия), модели партонов (См. Партоны) и др.

С конца 60-х гг. развивается единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий (См. Слабые взаимодействия), в которой Ф. выступает вместе с тремя гипотетическими «переносчиками» слабых взаимодействий – векторными бозонами (двумя заряженными W⁺, W^— и одним нейтральным Z⁰).

Общеизвестные источники Ф. – источники света. Источниками γ-квантов являются радиоактивные изотопы, а также мишени, облучаемые ускоренными электронами.

Лит: Эйнштейн А., О развитии наших взглядов на сущность и структуру излучения. Собр. науч. трудов, т. 3, М., 1966, с. 181; Бом Д., Квантовая теория, пер. с англ., 2 изд., М., 1965.

Э. А. Тагиров.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
.

Корпускулярно-волновой дуализм

Вопрос, на который вам однозначно не ответит никто: «Свет — это частица или волна?». Это очень сложный вопрос, на который ученые давно пытаются ответить.

В XVII веке Исаак Ньютон предложил модель, в которой свет — поток мельчайших корпускул (частиц). Это позволяло просто объяснить многие характерные свойства света. Например, прямолинейность световых лучей и закон отражения, согласно которому угол отражения света равен углу падения. Это соотносится с законом сохранения импульса, которому подчиняются частицы.

Но есть такие явления, как интерференция и дифракция. Они совсем не вписываются в корпускулярную теорию.

Осторожно: дальше много сложных терминов! Но на элективном курсе по физике за 10 класс можно разобраться даже в сложном материале вместе с опытным преподавателем.

Интерференция и дифракция

Интерференция — это явление, при котором происходит наложение двух волн и образуются так называемые «максимумы» и «минимумы» — самые светлые и самые темные участки. Выглядит это так:

В жизни вы это встречали, например, если видели разлитый бензин или пускали мыльные пузыри. Это все следствие интерференции света.

Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как случай интерференции ограниченных в пространстве волн.

Дифракция — это явление огибания препятствий, которые возникают перед волной. Благодаря дифракции свет может огибать препятствие и попадать туда, где с точки зрения геометрии должна быть тень.

В XIX веке появилась волновая теория света, которая объясняла дифракцию и интерференцию. Согласно этой теории, свет — частный случай электромагнитных волн, то есть процесса распространения электромагнитного поля в пространстве.

Волновая оптика вообще казалась в то время каким-то чудом, потому что она объясняла не только те явления, которые не объясняла корпускулярная теория, но и вообще все известные на то время световые эффекты. Даже законы геометрической оптики можно было доказать через волновую оптику.

Казалось бы, ну все тогда — у света волновая природа, никаких тебе частиц, расходимся. Но не тут-то было! Уже в начале XX века корпускулярная теория света снова набрала актуальность, так как ученые обнаружили явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Например, давление света и фотоэффект, о которых мы еще поговорим.

В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись, и корпускулы (частицы) света даже получили название — фотоны.

Сложилась интересная ситуация — параллельно существовали две серьезные научные теории, каждая из которых объясняла одни свойства света, но не могла объяснить другие. Вместе же эти две теории идеально дополняют друг друга. Так мы подошли к понятию корпускулярно-волновой природы света.

Корпускулярно-волновой дуализм — это физический принцип, утверждающий, что любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна.

Получай лайфхаки, статьи, видео и чек-листы по обучению на почту

Энергия и импульс фотона

Каждый фотон переносит некоторое количество энергии. Именно это количество называется энергией фотона.

Энергия фотона (соотношение Планка-Эйнштейна)

— постоянная Планка

= 6,6 · 10⁻³⁴ Дж · c

Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:

Соотношение импульса и энергии фотона

= 3 · 10⁸ м/с

Подставляем вместо

формулу энергии фотона:

А вместо частоты формулу

Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.

— постоянная Планка

= 6,6 · 10⁻³⁴ Дж · c

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.

Опыты Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом.