Фотон

Фотон

Фотон - это элементарная частица, квант электромагнитного поля. Он не существует в состоянии покоя. Его жизнь коротка. Он рождается при излучении, двигается со световой скоростью и перестаёт существовать, когда его поглощают.

До XVIII века большинство теорий считали свет потоком частиц. Но ни одна из них не могла объяснить такие явления, как рефракция и дифракция. В середине XVII века появилась волновая теория света, авторами которой стали независимо друг от друга Рене Декарт, Роберт Гук и Христиан Гюйгенс. И всё-таки теория дискретного строения света считалась основной вплоть до начала XIX века, когда Томас Юнг и Огюстен Френель доказали своими опытами, что свет обладает свойствами волны. В 1965 г. Джеймс Максвелл предположил, что свет - это электромагнитная волна. Экспериментально это подтвердил Генрих Герц в 1888 г.

Согласно волновой теории энергия света зависит от интенсивности волны. На самом же деле оказалось, что основную роль играет частота излучения.

Гипотеза Планка

Фотон

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк

14 декабря 1900 г. можно считать днём рождения квантовой механики. В этот день немецкий физик-теоретик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк выдвинул гипотезу, смысл которой заключался в том, что при электромагнитном излучении, возникающем за счёт внутренней энергии тела, энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями. Каждая такая порция называется квантом.

Планк исследовал излучения нагретого тела. Согласно теории Максвелла такое тело, непрерывно излучая электромагнитные волны, теряет свою энергию. В конце концов оно должно охладиться до температуры абсолютного нуля. Но в действительности не вся энергия тратится на излучение электромагнитных волн. Поэтому Планк и предположил, что атомы испускают энергию квантами.

Энергия кванта пропорциональна частоте электромагнитного излучения и вычисляется по формуле:

Е = h·ν,

где ν - частота излучения; h - постоянная Планка, называемая основной константой квантовой теории. Она связывает квантовую и традиционную системы единиц: величину энергии кванта электромагнитного излучения и его частоту.

h = 6,626 069 57(29) х 10-34Дж/с.

Иногда вместо h применяется величина ħ = h/2π. Её получают путём деления постоянной Планка на и называют редуцированной (приведенной) постоянной Планка или постоянной Дирака.

ħ =1,054 571 726(47) х 10-34Дж/с.

Е = ħω, где ω = 2πν - угловая частота кванта.

Альберт Эйнштейн сделал предположение, что свет не только излучается, но и распространяется и поглощается также порциями - квантами. Позднее тезис Эйнштейна был подтверждён экспериментально.

В 1926 г. американский учёный Гилберт Льюис предложил называть квант света фотоном.

Корпускулярно-волновой дуализм фотона

Фотон

Планк предполагал, что квант - это вспомогательное понятие. Эйнштейн же считал, что квант - реально существующая частица электромагнитного поля, которая переносит электромагнитное взаимодействие.

Квантовая физика считает фотон частицей, относящейся к классу бозонов - частиц с целым спином. Спин - это собственный момент импульса элементарной частицы. Он не связан с движением частицы в пространстве. Это чисто квантовая характеристика. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения +1. Его электрический заряд равен нулю, поэтому он не имеет никаких электрических свойств. Но он обладает энергией.

Фотон не имеет массы покоя. Он может существовать только в движении. При рождении фотон сразу получает скорость, равную скорости света c. А поскольку он движется, то обладает импульсом.

Согласно теории относительности энергия фотона E = p·c, где p - импульс частицы, c - скорость света. «Релятивистская» масса фотона (масса при движении) m = E/c2 = p/c. Импульс фотона направлен по световому лучу.

Классическая физика считает фотон электромагнитной волной. Если размеры препятствий на пути фотона соизмеримы с длиной волны, то свет ведёт себя как волна. Это можно наблюдать в явлениях интерференции и дифракции.

Свет обладает определённым дуализмом - двойственностью свойств. При распространении он проявляет волновые свойства. А при излучении или поглощении - корпускускулярные свойства.

Такой принцип, с помощью которого физический объект может быть описан волновыми уравнениями, с одной стороны, а с другой рассматривается как частица, называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Позднее было установлено, что копускулярно-волновой дуализм присущ не только фотону, но и другим элементарным частицам.