Фотон

Фото́н (от др.-греч. φώς, род. пад. φωτός, «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 синонимичны.

Фотон
Символ γ0
Масса 0
Античастица γ0
Классы бозон
Квантовые числа
Электрический заряд 0
Спин 1
Изотопический спин 0
Барионное число 0
Странность 0
Очарование 0
Другие свойства
Время жизни Стабилен
Схема распада
Кварковый состав


Содержание

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
Обозначение: γ или hν
Масса покоя: 0
Электрический заряд: 0
Спин: 1

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[1][2][3][4] 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.[1] Современное название, которое «фотон» получил от греческого слова φῶς, «phōs» (означает свет), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом, который опубликовал теорию [5] в которой фотоны считались «несоздоваемыми» 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 γ (греческая буква гамма). В химии и оптической инжинерии, фотоны известно обозначение hν, где hпостоянная Планка и ν (греческая буква ню) — частота фотонов (произведение этих двух величин есть энергия фотона).

Физические свойства фотона

Основная статья: Теория относительности

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.

Фотон имеет нулевую массу покоя,[6] не имеет электрического заряда[7] 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.[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 \hbarпостоянная 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

Основная статья: Свет

Попытки опровержения гипотезы фотона

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

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. [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

Основные статьи: Статистика Бозе-Эйнштейна , Теорема о спинах

Спонтанное и вынужденное излучение

Основные статьи: Вынужденное излучение , Лазер

Фотон как калибровочный бозон

Основная статья: Калибровочная теория

Вклад фотонов в гравитационную массу системы

Основная статья: Масса в специальной теории относительности

Смотри также

В Википедии есть портал
«Физика»

Примечания

  1. а б {{{author}}} [{{{url}}} 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. — 1905. — Т. 17. — № {{{issue}}}. — С. 132—148. (нем.). An English translation is available from Wikisource.
  2. {{{author}}} [{{{url}}} 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. — 1909. — Т. 10. — № {{{issue}}}. — С. 817—825. (нем.). An English translation is available from Wikisource.
  3. {{{author}}} [{{{url}}} Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie] // Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. — 1916a. — Т. 18. — № {{{issue}}}. — С. 318. (нем.)
  4. {{{author}}} [{{{url}}} Zur Quantentheorie der Strahlung] // Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich. — 1916b. — Т. 16. — № {{{issue}}}. — С. 47. Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121—128 (1917). (нем.)
  5. {{{author}}} [{{{url}}} The conservation of photons] // Nature. — 1926. — Т. 118. — № {{{issue}}}. — С. 874—875.
  6. Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях, как было описано выше. См. масса в теории относительности для обсуждения связи между массой покоя и релятивистcкой массой.
  7. {{{author}}} [{{{url}}} Upper Limits on the Electric Charge of the Photon] // American Journal of Physics. — 1992. — Т. 60. — № {{{issue}}}. — С. 750—751.
  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. {{{author}}} [{{{url}}} Interference fringes with feeble light] // Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. — 1909. — Т. 15. — № {{{issue}}}. — С. 114—115.

Дополнительная информация

  • {{{author}}} [{{{url}}} Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect] // Phys. Rev. D. — 1974. — Т. 9. — № {{{issue}}}. — С. 853—860.
  • {{{author}}} [{{{url}}} Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence] // Phys. Rev. Lett.. — 1977. — Т. 39. — № {{{issue}}}. — С. 691.
  • {{{author}}} [{{{url}}} Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences] // Europhysics Letters. — 1986. — Т. 1. — № {{{issue}}}. — С. 501—504.
  • {{{author}}} [{{{url}}} Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory] // American Journal of Physics. — 2004. — Т. 72. — № {{{issue}}}. — С. 1210—1219.
  • {{{заглавие}}}. Интересная история о становлении теории фотона.

8 December 2005. Еще одно изложение истории фотона, ключевые фигуры, создавшие теорию когерентных состояний фотона.

Ссылки


Частицы в физикеэлементарные частицы

Фермионы: Кварки: (Верхний · Нижний · Странный · Очарованный · Прелестный · Истинный) | Лептоны: (Электрон · Мюон · Тау · Нейтрино)
Калибровочные бозоны: Фотоны | W и Z бозоны | Глюоны
До сих пор не обнаружены: Хиггсовский бозон | Гравитон | Другие гипотетические частицы

 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home