Foton je elementarna čestica koja je kvant. Fizičari su prvi vidjeli sudar fotona i fotona

Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetnog zračenja, energija kvanta (odnosno diskretno), gdje je Plankova konstanta. impuls.Ako foton pripišete prisustvu tzv. Ne postoji “relativistička masa” zasnovana na omjeru, onda će biti Nema mase fotona mirovanja.Fotoelektrični efekat je emisija elektrona supstance pod djelovanjem svjetlosti (i, općenito govoreći, bilo kojeg elektromagnetnog zračenja).

hν = A Izlaz + E k

gdje A van- takozvani. radna funkcija (minimalna energija potrebna za uklanjanje elektrona iz supstance), E k je kinetička energija emitovanog elektrona (u zavisnosti od brzine, može se izračunati ili kinetička energija relativističke čestice ili ne), ν je frekvencija upadnog fotona sa energijom hν, h je Plankova konstanta.

Eksterni fotoelektrični efekat (fotoelektronska emisija) je emisija elektrona od strane supstance pod dejstvom elektromagnetnog zračenja. 1) Maksimalna početna brzina fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je određena samo njenom frekvencijom. 2) Postoji minimalna frekvencija na kojoj je fotoelektrični efekat moguć (crvena ivica) 3) Struja zasićenja zavisi od intenziteta svjetlosti koja pada na uzorak 4) Fotoelektrični efekat je neinercijalni fenomen. Da bi se zaustavila fotostruja, negativni napon (prekidni napon) se mora primijeniti na anodu. Unutrašnji fotoelektrični efekat - promena elektronske provodljivosti supstance pod dejstvom svetlosti. Fotoprovodljivost je svojstvena poluvodičima. Električna provodljivost poluprovodnika je ograničena nedostatkom nosioca naboja. Kada se foton apsorbira, elektron prelazi iz valentnog pojasa u pojas provodljivosti. Kao rezultat, formira se par nosilaca naboja: elektron u vodljivom pojasu i rupa u valentnom pojasu. Oba nosioca naboja, kada se napon dovede na poluvodič, stvaraju električnu struju.

Kada je fotokonduktivnost pobuđena u intrinzičnom poluprovodniku, energija fotona mora premašiti pojas. U poluprovodniku s nečistoćama, apsorpcija fotona može biti popraćena prijelazom sa nivoa koji se nalazi u pojasu, što omogućava povećanje talasne dužine svjetlosti koja uzrokuje fotokonduktivnost. Ova okolnost je važna za detekciju infracrvenog zračenja. Uslov za visoku fotoprovodljivost je i veliki koeficijent apsorpcije svetlosti, koji se ostvaruje u poluprovodnicima sa direktnim razmakom.

16. Lagani pritisak.

lagani pritisak je pritisak koji stvaraju elektromagnetni svjetlosni valovi koji padaju na površinu tijela. Kvantna teorija svjetlosti objašnjava svjetlosni pritisak kao rezultat prijenosa impulsa fotona na atome ili molekule materije. Neka N fotona padne na površinu apsolutno crnog tijela čija je površina S okomita na njega svake sekunde: . Svaki foton ima impuls. Ukupni impuls koji primi površina tijela jednak je. Lagani pritisak: .- koeficijent refleksije, - zapreminska gustina energije zračenja. klasična teorija

17. Bremsstrahlung i karakteristični rendgenski zraci.

Rentgensko zračenje - elektromagnetski talasi čija energija fotona leži na skali elektromagnetnog talasa između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja, što odgovara talasnim dužinama od 10 −2 do 10 3 Å (od 10 −12 do 10 −7 m). Šematski prikaz rendgenske cijevi. X - X-zrake, K - katoda, A - anoda (ponekad se naziva i antikatoda), C - hladnjak, U h- napon katodne niti, U a- napon ubrzanja, W ulaz - ulaz vodenog hlađenja, W out - izlaz vodenog hlađenja. Kada energija elektrona koji bombardiraju anodu postane dovoljna da izbaci elektrone iz unutrašnjih omotača atoma, na pozadini kočnog zračenja pojavljuju se oštre linije. karakteristika radijacije. Frekvencije ovih linija ovise o prirodi anodne tvari, pa se stoga nazivaju karakterističnim.

Bremsstrahlung - elektromagnetno zračenje koje emituje naelektrisana čestica prilikom njenog raspršivanja (kočenja) u električnom polju. dp/dλ hv ne može biti veća od energije eU. iz zakona održanja energije Najčešći izvor rendgenskog zračenja je rendgenska cijev, u kojoj elektroni snažno ubrzani električnim poljem bombardiraju anodu (metalnu metu napravljenu od teških metala, kao što su W ili Pt) , naglo koči. U ovom slučaju nastaje rendgensko zračenje, a to su elektromagnetni talasi sa talasnom dužinom od približno 10 -12 -10 -8 m. Talasna priroda rendgenskog zračenja je dokazana eksperimentima na njegovoj difrakciji, o kojima se govori u § 182.

Proučavanje spektralnog sastava rendgenskih zraka pokazuje da njegov spektar ima složenu strukturu (slika 306) i zavisi kako od energije elektrona tako i od materijala anode. Spektar je superpozicija kontinuiranog spektra, ograničenog sa strane kratkih valnih dužina nekom granicom  min, koja se naziva granicom kontinuiranog spektra, i linijskog spektra - skupa pojedinačnih linija koje se pojavljuju na pozadini kontinuiranog spektra .

Istraživanja su pokazala da priroda kontinuiranog spektra uopće ne ovisi o materijalu anode, već je određena samo energijom elektrona koji bombardiraju anodu. Detaljno proučavanje svojstava ovog zračenja pokazalo je da ga emituju elektroni koji bombarduju anodu kao rezultat njihovog usporavanja tokom interakcije sa ciljnim atomima. Kontinuirani rendgenski spektar se stoga naziva spektrom kočnog zračenja. Ovaj zaključak je u skladu s klasičnom teorijom zračenja, budući da bi usporavanje pokretnih naboja zapravo trebalo proizvesti zračenje s kontinuiranim spektrom.

Međutim, postojanje kratkovalne granice kontinuiranog spektra ne slijedi iz klasične teorije. Iz eksperimenata proizlazi da što je veća kinetička energija elektrona koji izazivaju kočno zračenje rendgenskih zraka, to je manji  min . Ovu okolnost, kao i prisustvo same granice, objašnjava kvantna teorija. Očigledno, granična energija kvanta odgovara takvom slučaju usporavanja, u kojem se cjelokupna kinetička energija elektrona pretvara u energiju kvanta, tj.

gdje U- razlika potencijala, zbog koje se energija prenosi na elektron E max ,  max - frekvencija koja odgovara granici kontinuiranog spektra. Otuda i granična talasna dužina

U modernoj interpretaciji, kvantna hipoteza kaže da je energija E vibracije atoma ili molekula mogu biti jednake h v, 2 h v, 3 hν, itd., ali nema oscilacija s energijom između dva uzastopna cjelobrojna višekratnika . To znači da energija nije kontinuirana, kako se vjerovalo vekovima, već kvantizovano , tj. postoji samo u strogo definisanim diskretnim delovima. Najmanji dio se zove kvant energije . Kvantna hipoteza se takođe može formulisati kao tvrdnja da se vibracije na atomsko-molekularnom nivou ne dešavaju ni sa kakvim amplitudama. Dozvoljene vrijednosti amplitude vezane su za frekvenciju oscilovanja ν .

Godine 1905. Einstein je iznio hrabru ideju koja je generalizirala kvantnu hipotezu i stavila je u osnovu nove teorije svjetlosti (kvantne teorije fotoelektričnog efekta). Prema Ajnštajnovoj teoriji , svjetlo sa frekvencijomν Ne samo emituje, kao što je Planck predložio, ali i širi se i apsorbira se u materiji u odvojenim dijelovima (kvantima), čija energija. Dakle, širenje svjetlosti ne treba posmatrati kao kontinuirani talasni proces, već kao tok diskretnih svjetlosnih kvanta lokaliziranih u prostoru, koji se kreće brzinom prostiranja svjetlosti u vakuumu ( With). Kvant elektromagnetnog zračenja se naziva foton .

Kao što smo već rekli, emisija elektrona sa površine metala pod dejstvom zračenja koje pada na nju odgovara konceptu svetlosti kao elektromagnetnog talasa, jer električno polje elektromagnetnog vala djeluje na elektrone u metalu i izvlači neke od njih. Ali Ajnštajn je skrenuo pažnju na činjenicu da se detalji fotoelektričnog efekta koji predviđaju talasna teorija i fotonska (kvantno korpuskularna) teorija svetlosti značajno razlikuju.

Dakle, možemo izmeriti energiju emitovanog elektrona, na osnovu teorije talasa i fotona. Da bismo odgovorili na pitanje koja teorija je poželjnija, pogledajmo neke detalje fotoelektričnog efekta.

Počnimo s teorijom valova, i pretpostavimo da je to ploča je osvijetljena monohromatskim svjetlom. Svjetlosni val karakteriziraju parametri: intenzitet i frekvencija(ili talasne dužine). Talasna teorija predviđa da kada se ove karakteristike promijene, nastaju sljedeći fenomeni:

· sa povećanjem intenziteta svetlosti treba da raste broj izbačenih elektrona i njihova maksimalna energija, jer veći intenzitet svjetlosti znači veću amplitudu električnog polja, a jače električno polje izbacuje elektrone sa više energije;

izbačeni elektroni; kinetička energija zavisi samo od intenziteta upadne svjetlosti.

Sasvim drugačije predviđa fotonska (korpuskularna) teorija. Prije svega, napominjemo da u monokromatskom snopu svi fotoni imaju istu energiju (jednaku h v). Povećanje intenziteta svetlosnog snopa znači povećanje broja fotona u snopu, ali ne utiče na njihovu energiju ako frekvencija ostane nepromenjena. Prema Ajnštajnovoj teoriji, elektron se izbacuje sa površine metala kada se jedan foton sudari sa njim. U ovom slučaju, sva energija fotona se prenosi na elektron, a foton prestaje da postoji. Jer elektroni se drže u metalu privlačnim silama, potrebna je minimalna energija da bi se elektron izbacio s površine metala A(što se zove radna funkcija i za većinu metala je vrijednost reda nekoliko elektron-volti). Ako je frekvencija ν upadne svjetlosti mala, tada energija i energija fotona nisu dovoljne da izbiju elektron s površine metala. Ako je , tada elektroni izlete s površine metala, i energije u ovom procesu je očuvana, tj. energija fotona ( hν) jednaka je kinetičkoj energiji izbačenog elektrona plus rad izbijanja elektrona iz metala:

(2.3.1)

Jednačina (2.3.1) se zove Einsteinova jednadžba za vanjski fotoelektrični efekat.

Na osnovu ovih razmatranja, fotonska (korpuskularna) teorija svjetlosti predviđa sljedeće.

1. Povećanje intenziteta svjetlosti znači povećanje broja upadnih fotona, koji izbijaju više elektrona sa površine metala. Ali pošto je energija fotona ista, maksimalna kinetička energija elektrona se neće promeniti ( potvrđeno I fotoelektrični zakon).

2. Sa povećanjem frekvencije upadne svjetlosti, maksimalna kinetička energija elektrona raste linearno u skladu sa Einstein formulom (2.3.1). ( Potvrda II zakon fotoelektričnog efekta). Grafikon ove zavisnosti je prikazan na Sl. 2.3.

,

Rice. 2.3

3. Ako je frekvencija ν manja od kritične frekvencije , tada nema izbacivanja elektrona sa površine (III zakon).

Dakle, vidimo da se predviđanja korpuskularne (fotonske) teorije veoma razlikuju od predviđanja teorije talasa, ali se vrlo dobro slažu sa tri eksperimentalno utvrđena zakona fotoelektričnog efekta.

Ajnštajnova jednačina potvrđena je Milikanovim eksperimentima sprovedenim 1913–1914. Glavna razlika u odnosu na Stoletovljev eksperiment je u tome što je metalna površina očišćena u vakuumu. Proučavana je ovisnost maksimalne kinetičke energije o frekvenciji i određena Plankova konstanta h.

Godine 1926. ruski fizičari P.I. Lukirsky i S.S. Priležajev je koristio metodu vakuumskog sfernog kondenzatora za proučavanje fotoelektričnog efekta. Anoda su bile posrebrene stijenke staklene sferne posude, a katoda lopta ( R≈ 1,5 cm) od ispitivanog metala postavljenog u centar sfere. Ovaj oblik elektroda omogućio je povećanje nagiba CVC-a i time preciznije određivanje napona usporavanja (i, posljedično, h). Vrijednost Planckove konstante h dobiveno iz ovih eksperimenata slaže se s vrijednostima pronađenim drugim metodama (zračenjem crnog tijela i kratkovalnom granicom kontinuiranog rendgenskog spektra). Sve ovo je dokaz ispravnosti Einsteinove jednadžbe, a ujedno i njegove kvantne teorije fotoelektričnog efekta.

Da bi objasnio toplotno zračenje, Planck je pretpostavio da se svjetlost emituje u kvantima. Ajnštajn je, objašnjavajući fotoelektrični efekat, sugerisao da kvanti apsorbuju svetlost. Ajnštajn je takođe sugerisao da se svetlost širi u kvantima, tj. porcije. Kvant svetlosne energije se naziva foton . One. ponovo došao do koncepta korpuskule (čestice).

Najdirektnija potvrda Einsteinove hipoteze došla je iz Botheovog eksperimenta, koji je koristio metodu slučajnosti (slika 2.4).

Rice. 2.4

Tanka metalna folija F postavljen između dva brojača za gasno pražnjenje mid. Folija je bila osvijetljena slabim snopom rendgenskih zraka, pod čijim je utjecajem i sama postala izvor rendgenskih zraka (ovaj fenomen se naziva rendgenska fluorescencija). Zbog niskog intenziteta primarnog snopa, broj kvanta koje emituje folija bio je mali. Kada su kvanti udarili na brojač, mehanizam je proradio i na pokretnoj papirnoj traci je napravljena oznaka. Da je energija zračenja bila ravnomjerno raspoređena u svim smjerovima, kao što slijedi iz prikaza valova, oba brojača bi trebala raditi istovremeno i oznake na traci bi pale jedna na drugu. U stvari, postojao je potpuno nasumičan raspored oznaka. Ovo se može objasniti samo činjenicom da u odvojenim aktima emisije nastaju svjetlosne čestice koje lete prvo u jednom smjeru, a zatim u drugom. Tako je eksperimentalno dokazano postojanje posebnih svjetlosnih čestica - fotona.

Foton ima energiju . Za vidljivu svjetlost, talasna dužina λ = 0,5 µm i energija E= 2,2 eV, za x-zrake λ = μm i E= 0,5 eV.

Foton ima inercijsku masu , što se može naći iz relacije:

;

(2.3.2)

Foton se kreće brzinom svjetlosti c\u003d 3 10 8 m / s. Zamijenimo ovu vrijednost brzine u izraz za relativističku masu:

.

Foton je čestica koja nema masu mirovanja. Može postojati samo ako se kreće brzinom svjetlosti c .

Nađimo odnos između energije i impulsa fotona.

Znamo relativistički izraz za impuls:

.

(2.3.3)

A za energiju:

.

(2.3.4)

Foton je čestica bez mase i može postojati samo u vakuumu. Takođe nema električna svojstva, odnosno njegovo punjenje je nula. U zavisnosti od konteksta razmatranja, postoje različite interpretacije opisa fotona. Klasična (elektrodinamika) ga predstavlja kao elektromagnetski talas sa kružnom polarizacijom. Foton takođe pokazuje svojstva čestice. Takva dvojna ideja naziva se korpuskularno-valni dualizam. S druge strane, kvantna elektrodinamika opisuje fotonsku česticu kao mjerni bozon koji omogućava formiranje elektromagnetne interakcije.

Među svim česticama Univerzuma, foton ima najveći broj. Spin (unutarnji mehanički moment) fotona jednak je jedan. Takođe, foton može biti samo u dva kvantna stanja, od kojih jedno ima projekciju spina u određenom pravcu jednaku -1, a drugo jednako +1. Ovo kvantno svojstvo fotona odražava se u njegovoj klasičnoj reprezentaciji kao transverzalnosti elektromagnetnog talasa. Masa mirovanja fotona je nula, što implicira njegovu brzinu širenja, koja je jednaka brzini svjetlosti.

Čestica fotona nema električna svojstva (naboj) i prilično je stabilna, odnosno foton nije u stanju da se spontano raspadne u vakuumu. Ova čestica se emituje u mnogim fizičkim procesima, na primjer, kada se električni naboj kreće ubrzano, kao i energetski skokovi u jezgri atoma ili samom atomu iz jednog stanja u drugo. Foton se takođe može apsorbovati u obrnutim procesima.

Dualnost talasa i čestica fotona

Korpuskularno-valni dualizam svojstven fotonu se manifestuje u brojnim fizičkim eksperimentima. Fotonske čestice učestvuju u takvim valnim procesima kao što su difrakcija i interferencija, kada su dimenzije prepreka (prorezi, dijafragme) uporedive sa veličinom same čestice. Ovo je posebno uočljivo u eksperimentima s difrakcijom pojedinačnih fotona na jednom prorezu. Takođe, tačkasta i korpuskularna priroda fotona se manifestuje u procesima apsorpcije i emisije objekata čije su dimenzije mnogo manje od talasne dužine fotona. Ali s druge strane, reprezentacija fotona kao čestice također nije potpuna, jer je opovrgnuta korelacijskim eksperimentima zasnovanim na isprepletenim stanjima elementarnih čestica. Stoga je uobičajeno posmatrati fotonsku česticu, uključujući i talas.

Povezani video zapisi

Izvori:

• Photon 1099: sve o automobilu

Glavna stvar kvantna broj je cjelina broj, što je definicija stanja elektrona na energetskom nivou. Energetski nivo je skup stacionarnih stanja elektrona u atomu sa bliskim energetskim vrednostima. Glavna stvar kvantna broj određuje udaljenost elektrona od jezgra i karakterizira energiju elektrona koji zauzimaju ovaj nivo.

Skup brojeva koji karakteriziraju stanje nazivaju se kvantni brojevi. Valna funkcija elektrona u atomu, njegovo jedinstveno stanje određuju četiri kvantna broja - glavni, magnetni, orbitalni i slezeni - moment pokreta elementa, izražen kvantitativnim terminima. Glavna stvar kvantna broj ima n. Ako je glavni kvant broj raste, tada se i orbita i energija elektrona povećavaju u skladu s tim. Što je manja vrijednost n, to je veća vrijednost energetske interakcije elektrona. Ako je ukupna energija elektrona minimalna, tada se stanje atoma naziva nepobuđenim ili prizemnim. Stanje atoma visoke energetske vrijednosti naziva se pobuđeno. Na najvišem nivou broj elektroni se mogu odrediti formulom N = 2n2. Kada elektron prelazi s jednog energetskog nivoa na drugi, glavni kvantni broj.U kvantnoj teoriji, izjava da je energija elektrona kvantizovana, odnosno da može imati samo diskretne, određene vrijednosti. Da bi se znalo stanje elektrona u atomu, potrebno je uzeti u obzir energiju elektrona, oblik elektrona i druge parametre. Iz područja prirodnih brojeva, gdje n može biti jednako 1 i 2, i 3 i tako dalje, glavni kvantni broj može poprimiti bilo koju vrijednost. U kvantnoj teoriji nivoi energije se označavaju slovima, a vrijednost n brojevima. Broj perioda u kojem se element nalazi jednak je broju energetskih nivoa u atomu koji je u osnovnom stanju. Svi energetski nivoi su sastavljeni od podnivoa. Podnivo se sastoji od atomskih orbitala, koje su određene, karakterizirane glavnim kvantom broj m n, orbitala broj m l i kvantna broj m ml. Broj podnivoa svakog nivoa ne prelazi vrijednost n. Schrödingerova talasna jednačina je najpogodnija elektronska struktura atoma.

Kvantna fizika je postala veliki podsticaj za razvoj nauke u 20. veku. Pokušaj da se interakcija najmanjih čestica opiše na potpuno drugačiji način, koristeći kvantnu mehaniku, kada su se neki problemi klasične mehanike već činili nerješivima, napravio je pravu revoluciju.

Razlozi za nastanak kvantne fizike

Fizika - opisuje zakone po kojima svijet funkcionira. Newtonov, ili klasičan, nastao je u srednjem vijeku, a njegovi preduslovi mogli su se uočiti u antici. Savršeno objašnjava sve što se događa na skali koju osoba percipira bez dodatnih mjernih instrumenata. Ali ljudi su se suočili sa mnogim kontradiktornostima kada su počeli da proučavaju mikro- i makrokosmos, da istražuju i najmanje čestice koje sačinjavaju materiju i divovske galaksije koje okružuju Mlečni put, poreklom od čoveka. Pokazalo se da klasična fizika nije prikladna za sve. Tako se pojavila kvantna fizika – nauka, kvantnomehanički i kvantni sistemi polja. Tehnike za proučavanje kvantne fizike su kvantna mehanika i kvantna teorija polja. Koriste se i u drugim srodnim granama fizike.

Glavne odredbe kvantne fizike, u poređenju sa klasičnom

Za one koji se tek upoznaju s kvantnom fizikom, njene odredbe često izgledaju nelogično ili čak apsurdne. Međutim, dublje je ući u njih, već je mnogo lakše ući u trag logiki. Najlakši način da naučite osnovne principe kvantne fizike jeste da je uporedite sa klasičnom fizikom.

Ako se u klasičnoj smatra da je priroda nepromjenjiva, ma kako je naučnici opisali, onda će u kvantnoj fizici rezultat promatranja uvelike ovisiti o tome koji se metod mjerenja koristi.

Prema zakonima Njutnove mehanike, koji su osnova klasične fizike, čestica (ili materijalna tačka) u svakom trenutku vremena ima određenu poziciju i brzinu. To nije slučaj u kvantnoj mehanici. Zasnovan je na principu superpozicije udaljenosti. Odnosno, ako kvantna čestica može biti u jednom i drugom stanju, onda može biti i u trećem stanju - zbir dva prethodna (ovo se zove linearna kombinacija). Stoga je nemoguće tačno odrediti gdje će se čestica nalaziti u određenom trenutku. Može se samo izračunati vjerovatnoća da će ona biti bilo gdje.

Ako je u klasičnoj fizici moguće konstruisati putanju kretanja fizičkog tijela, onda je u kvantnoj fizici to samo distribucija vjerovatnoće koja će se mijenjati u vremenu. U ovom slučaju, maksimum distribucije se uvijek nalazi tamo gdje je određen klasičnom mehanikom! Ovo je vrlo važno, jer omogućava, prvo, da se prati veza između klasične i kvantne mehanike, a drugo, pokazuje da one nisu u suprotnosti jedna s drugom. Možemo reći da je klasična fizika poseban slučaj kvanta.

Vjerovatnoća u klasičnoj fizici se javlja kada su neka svojstva objekta nepoznata istraživaču. U kvantnoj fizici vjerovatnoća je fundamentalna i uvijek prisutna, bez obzira na stepen neznanja.

U klasičnoj mehanici su dozvoljene bilo koje vrijednosti energije i brzine za česticu, dok su u kvantnoj mehanici dozvoljene samo određene vrijednosti, "kvantizirane". One se nazivaju sopstvenim vrednostima, od kojih svaka ima svoje stanje. Kvant je "dio" neke količine koji se ne može podijeliti na komponente.

Jedan od osnovnih principa kvantne fizike je Hajzenbergov princip nesigurnosti. Radi se o tome da neće biti moguće istovremeno saznati i brzinu i položaj čestice. Samo jedna stvar se može izmjeriti. Štaviše, što uređaj bolje mjeri brzinu čestice, manje će znati o njenom položaju, i obrnuto.

Činjenica je da da biste izmjerili česticu, morate je "pogledati", odnosno poslati česticu svjetlosti u njenom smjeru - foton. Ovaj foton, o kojem istraživač sve zna, sudarit će se s mjerenom česticom i promijeniti svoja i svoja svojstva. Ovo je otprilike isto kao da izmjerite brzinu automobila u pokretu, pošaljete drugi automobil prema njemu poznatom brzinom, a zatim, koristeći promijenjenu brzinu i putanju drugog automobila, ispitate prvi. U kvantnoj fizici, objekti se proučavaju tako mali da čak i fotoni - čestice svjetlosti - mijenjaju svoja svojstva.

Svetlost i toplota, ukus i miris, boja i informacija - sve je to neraskidivo povezano sa fotonima. Štaviše, život biljaka, životinja i ljudi je nemoguć bez ove nevjerovatne čestice.

Vjeruje se da postoji oko 20 milijardi fotona u svemiru za svaki proton ili neutron. Ovo je fantastično ogroman broj.

Ali šta znamo o ovoj najčešći čestici u svijetu oko nas?

Neki naučnici smatraju da je brzina fotona jednaka brzini svjetlosti u vakuumu, tj. otprilike 300.000 km/sec i to je najveća moguća brzina u svemiru.

Drugi naučnici vjeruju da u svemiru ima dovoljno primjera u kojima su brzine čestica veće od brzine svjetlosti.

Neki naučnici vjeruju da je foton električno neutralan.

Drugi - vjeruju da foton ima električni naboj (prema nekim izvorima, manji od 10 -22 eV / sec 2).

Neki naučnici vjeruju da je foton čestica bez mase i po njihovom mišljenju masa fotona u mirovanju je nula.

Drugi vjeruju da foton ima masu. Zaista, veoma je, veoma mali. Brojni istraživači se pridržavaju ovog gledišta, definišući masu fotona na različite načine: manje od 6 x 10 -16 eV, 7 x 10 -17 eV, 1 x 10 -22 eV pa čak 3 x 10 -27 eV, što je milijarde puta manje od mase elektrona.

Neki naučnici smatraju da je, u skladu sa zakonima refleksije i prelamanja svjetlosti, foton čestica, tj. korpuskula. (Euklid, Lukrecije, Ptolomej, I. Njutn, P. Gasendi)

Drugi (R. Descartes, R. Hooke, H. Huygens, T. Jung i O. Fresnel), oslanjajući se na fenomene difrakcije i interferencije svjetlosti, smatraju da foton ima talasnu prirodu.

Kada ga emituju ili apsorbuju atomska jezgra i elektroni, kao i tokom fotoelektričnog efekta, foton se ponaša kao čestica.

A kada prođe kroz staklenu prizmu ili malu rupu u barijeri, foton pokazuje svoja svijetla valna svojstva.

Kompromisno rješenje francuskog naučnika Louisa de Brogliea, koje se zasniva na dualnosti talas-čestica, da fotoni imaju i svojstva čestice i svojstva talasa, nije odgovor na ovo pitanje. Dualnost talas-čestica je samo privremena sporazum na osnovu apsolutne nemoći naučnika da odgovore na ovo izuzetno važno pitanje.

Naravno, ovaj sporazum je donekle smirio situaciju, ali nije riješio problem.

Na osnovu toga možemo formulisati prvo pitanje povezan sa fotonom

Prvo pitanje.

Da li su fotoni talasi ili čestice? Ili možda oboje, ili ne oboje?

Dalje. U modernoj fizici, foton je elementarna čestica, koja je kvant (dio) elektromagnetnog zračenja. Light je takođe elektromagnetno zračenje i foton se smatra nosiocem svetlosti. U našim umovima to je čvrsto uspostavljeno i foton je, prije svega, povezan sa svjetlom.

Međutim, osim svjetlosti, postoje i druge vrste elektromagnetnog zračenja: gama zračenje, rendgensko zračenje, ultraljubičasto, vidljivo, infracrveno, mikrovalno i radio zračenje. Oni se međusobno razlikuju po talasnoj dužini, frekvenciji, energiji i imaju svoje karakteristike.

Vrste zračenja i njihove kratke karakteristike

Nositelj svih vrsta elektromagnetnog zračenja je foton. On je, prema naučnicima, isti za sve. Istovremeno, svaki tip zračenja karakteriše različita talasna dužina, frekvencija oscilovanja i različite energije fotona. Dakle, različiti fotoni? Čini se da bi broj različitih vrsta elektromagnetnih talasa trebao odgovarati jednakom broju različitih tipova fotona. Ali u modernoj fizici do sada postoji samo jedan foton.

Ispada naučni paradoks - zračenja su različita, njihova svojstva su takođe različita, a foton koji nosi ta zračenja je jedan.

Na primjer, gama zračenje i rendgenski zraci prevazilaze barijere, dok ultraljubičasto i infracrveno zračenje i vidljiva svjetlost, koji imaju veću valnu dužinu, ali manje energije, ne. Istovremeno, mikrotalasno i radiotalasno zračenje imaju još veću talasnu dužinu i još manju energiju, ali savladavaju vodeni stub i betonske zidove. Zašto?

Prodorne sposobnosti fotona pri različitim zračenjima

Ovdje se odmah nameću dva pitanja.

Drugo pitanje.

Da li su svi fotoni isti u svim vrstama zračenja?

Pitanje tri.

Zašto fotoni nekih vrsta zračenja savladavaju prepreke, a druge ne? Šta je u pitanju - u zračenju ili u fotonima?

Postoji mišljenje da je foton najmanja čestica bez strukture u svemiru. Nauka još nije mogla odrediti ništa što je manje od fotona. Ali je li? Uostalom, nekada se atom smatrao nedjeljivim i najmanjim u svijetu oko nas. Stoga je četvrto pitanje logično:

Četvrto pitanje.

Da li je foton najmanja čestica bez strukture ili se sastoji od još manjih formacija?

Osim toga, vjeruje se da je masa mirovanja fotona jednaka nuli, a i masa i energija se manifestiraju u njegovom kretanju. Ali onda postoji

pitanje pet:

foton - da li je to materijalna čestica ili ne? Ako je foton materijal, gdje onda nestaje njegova masa u mirovanju? Ako nije materijalno, zašto se onda bilježe njegove potpuno materijalne interakcije sa svijetom oko nas?

Dakle, imamo pet zagonetnih pitanja vezanih za foton. A oni do danas nemaju svoje jasne odgovore. Svaki od njih ima svoje probleme. Problemi koje ćemo danas pokušati razmotriti.

U našim putovanjima “Dah svemira”, “Dubine svemira” i “Snage svemira” sva ova pitanja razmatrali smo kroz prizmu strukture i funkcioniranja Univerzuma. Pratili smo čitav put formiranja fotona od pojave fundamentalnih čestica - eteričnih vrtložnih ugrušaka do galaksija i njihovih klastera. Usuđujem se da se nadam da imamo prilično logičnu i sistematski uređenu sliku sveta. Stoga je pretpostavka o strukturi fotona postala logičan korak u sistemu znanja o našem Univerzumu.

Struktura fotona

Foton se pred nama pojavio ne kao čestica i ne kao val, već kao rotirajuća opruga u obliku stošca, sa početkom u širenju i krajem koji se sužava..

Dizajn opruge fotona omogućava odgovore na gotovo sva pitanja koja se javljaju u proučavanju prirodnih fenomena i eksperimentalnih rezultata.

Već smo spomenuli da su fotoni nosioci različitih vrsta elektromagnetnog zračenja. Istovremeno, uprkos činjenici da su nauci poznate različite vrste elektromagnetnog zračenja: gama zračenje, rendgensko, ultraljubičasto, vidljivo, infracrveno, mikrotalasno zračenje i radio emisija, fotoni nosioci koji su uključeni u ove procese nemaju svoje sopstvene sorte. Odnosno, prema nekim znanstvenicima, bilo koju vrstu zračenja nosi određena univerzalna vrsta fotona, koja se podjednako uspješno manifestira i u procesima gama zračenja, iu procesima radio-emisije, iu svim drugim vrstama zračenja.

Ne mogu se složiti sa ovim stavom, jer prirodne pojave ukazuju da se sva poznata elektromagnetna zračenja značajno razlikuju jedno od drugog ne samo po parametrima (valna dužina, frekvencija, energetske mogućnosti), već i po svojim svojstvima. Na primjer, gama zračenje lako prodire kroz sve barijere, a vidljivo zračenje se jednako lako zaustavlja pomoću ovih barijera.

Stoga, u jednom slučaju, fotoni mogu nositi zračenje kroz barijere, au drugom, isti fotoni već nemoćan da bilo šta savlada. Ova činjenica nas tjera da se zapitamo da li su fotoni zaista toliko univerzalni ili imaju svoje varijante, u skladu sa svojstvima različitih elektromagnetnih zračenja u svemiru.

pretpostavljam ispravno, odredite svaku vrstu zračenja svoje vrste fotoni. Nažalost, takve gradacije u savremenoj nauci nema. Ali to nije samo lako, već i hitno treba popraviti. I to je sasvim razumljivo, budući da se zračenje i njihovi parametri mijenjaju, a fotoni u modernoj interpretaciji predstavljaju samo jedan opći koncept - "foton". Mada, mora se priznati da se promjenom parametara zračenja u referentnoj literaturi mijenjaju i parametri fotona.

Situacija je slična primjeni općeg koncepta "automobila" na sve njegove marke. Ali ove marke su različite. Možemo kupiti Ladu, Mercedes, Volvo ili Toyotu. Svi se uklapaju u koncept "automobila", ali se svi razlikuju po izgledu, tehničkim karakteristikama i cijeni.

Stoga bi bilo logično da kao nosioce gama zračenja predložimo fotone gama zračenja, rendgenske zrake - fotone rendgenskih zraka, ultraljubičasto zračenje - fotone ultraljubičastog zračenja itd. Sve ove vrste fotona će se međusobno razlikovati po dužini zavoja (valnoj dužini), brzini rotacije (frekvenciji oscilacija) i energiji koju nose.

Fotoni gama zračenja i rendgenskog zračenja predstavljaju komprimovanu oprugu minimalnih dimenzija i sa koncentrisanom energijom u ovoj maloj zapremini. Stoga pokazuju svojstva čestice i lako savladavaju prepreke, krećući se između molekula i atoma materije.

Fotoni ultraljubičastog zračenja, vidljive svjetlosti i fotoni infracrvenog zračenja su ista opruga, samo rastegnuta. Energija u ovim fotonima ostala je ista, ali je raspoređena po izduženijem tijelu fotona. Povećanje dužine fotona omogućava mu da pokaže svojstva talasa. Međutim, povećanje prečnika fotona ne dozvoljava mu da prodre između molekula materije.

Fotoni mikrovalnih i radio emisija imaju još rastegnutiji dizajn. Dužina radio talasa može doseći nekoliko hiljada kilometara, ali oni imaju najmanju energiju. Lako prodiru kroz barijere, kao da se uvijaju u tvar barijere, zaobilazeći molekule i atome tvari.

U svemiru se sve vrste fotona postepeno pretvaraju iz fotona gama zraka. Fotoni gama zračenja su primarni. Pri kretanju u prostoru, brzina njihove rotacije se smanjuje i oni se sukcesivno pretvaraju u fotone rendgenskog zračenja, a oni, pak, u fotone ultraljubičastog zračenja, koji se pretvaraju u fotone vidljive svjetlosti itd.

Stoga se fotoni gama zraka pretvaraju u rendgenske fotone. Ovi fotoni će imati veću talasnu dužinu i nižu frekvenciju rotacije. Zatim, rendgenski fotoni se pretvaraju u ultraljubičaste fotone, a oni se pretvaraju u vidljivu svjetlost, itd.

Najupečatljiviji primjer ove transformacije u dinamici možemo uočiti tokom nuklearne eksplozije.

Nuklearna eksplozija i zone njenog štetnog dejstva

U procesu nuklearne eksplozije, u roku od nekoliko sekundi, tok fotona gama zraka prodire u okolinu na udaljenosti od oko 3 km. Nadalje, gama zračenje prestaje, ali rendgensko zračenje je fiksirano. Vjerujem da se u ovom slučaju fotoni gama zračenja pretvaraju u fotone rendgenskog zračenja, a oni, uzastopno, u fotone ultraljubičastog, vidljivog i infracrvenog zračenja. Protok fotona, odnosno, uzrokuje pojavu štetnih faktora nuklearne eksplozije - prodornog zračenja, svjetlosnog zračenja i požara.

U radu „Dubine svemira“ detaljno smo ispitali strukturu fotona i procese njihovog formiranja i funkcionisanja. Postalo nam je jasno da se fotoni sastoje od frakcija prstenaste energije različitog promjera međusobno povezanih.

Struktura fotona

Frakcije se formiraju od osnovnih čestica - najmanji eterični vrtložni ugrušci, koji su eterično gusti awn. Ovi eterični denziteti su prilično materijalni, kao što su eter i cijeli svijet oko nas materijalni. Gustine etra određuju indikatore mase eteričnih vrtložnih ugrušaka. Masa grozdova je masa frakcija, a oni su masa fotona. I da li je u pokretu ili miruje. Dakle, foton je potpuno materijal i ima svoje dobro definisane mase i u mirovanju i u kretanju.

Već smo dobili direktnu potvrdu naše ideje o strukturi fotona i njegovom sastavu u toku eksperimenata. Nadam se da ćemo u bliskoj budućnosti objaviti sve dobijene rezultate. Štaviše, slični rezultati su dobijeni u stranim laboratorijama. Dakle, ima razloga vjerovati da smo na dobrom putu.

Dakle, odgovorili smo na brojna pitanja o fotonu.

Foton, u našem shvatanju, nije čestica ili talas, već opruga, koja se pod različitim uslovima može komprimovati do veličine čestica, ili se takođe može rastegnuti, pokazujući svojstva talasa.

Fotoni imaju svoje varijante u zavisnosti od vrste zračenja i mogu biti fotoni gama zračenja, fotoni rendgenskog zračenja, fotoni ultraljubičastog, vidljivog, infracrvenog i mikrotalasnog zračenja, kao i fotoni radio emisije.

Foton je materijal i ima masu. To nije najmanja čestica u Univerzumu, već se sastoji od eteričnih vrtložnih ugrušaka i energetskih frakcija.

Razumijem da je ovo pomalo neočekivana i neobična interpretacija fotona. Međutim, ne polazim od općeprihvaćenih pravila i postulata usvojenih prije mnogo godina bez veze s procesima općeg razvoja svijeta. I iz logike koja dolazi iz zakona svijeta, koji su ključ vrata koja vode ka Istini.

Istovremeno, 2013. Nobelove nagrade za fiziku dobili su Peter Higgs i Francois Engler, koji su 1964. godine samostalno sugerirali postojanje još jedne čestice u prirodi - neutralnog bozona, koji je laganom rukom nobelovca L. Lederman, nazvan je „česticom Boga“, odnosno onim temeljnim principom, onom prvom ciglom od koje je izgrađen čitav naš okolni svijet. 2012. godine, dok su provodile eksperimente sudarajućih protonskih zraka pri velikim brzinama, dvije opet nezavisne naučne zajednice ponovo su gotovo istovremeno objavile otkriće čestice čiji su se parametri međusobno poklapali i odgovarali vrijednostima koje su predvidjeli P. Higgs i F. Engler .

Kao takva čestica služio je neutralni bozon registrovan tokom eksperimenata, čiji životni vijek nije bio veći od 1,56 x 10 -22 sekunde, a masa je bila više od 100 puta veća od mase protona. Ovoj čestici je pripisana sposobnost da prenese masu svemu materijalnom što postoji na ovom svijetu - od atoma do skupa galaksija. Štaviše, pretpostavljeno je da je ova čestica direktan dokaz prisustva nekog hipotetičkog polja, prolazeći kroz koje sve čestice dobijaju težinu. Ovo je tako magično otkriće.

Međutim, opća euforija od ovog otkrića nije dugo trajala. Jer bilo je pitanja koja se nisu mogla ne pojaviti. Zaista, ako je Higsov bozon zaista "čestica Boga", zašto je onda njegov "život" tako prolazan? Razumijevanje Boga oduvijek je bilo povezano sa vječnošću. Ali ako je Bog vječan, onda i bilo koji dio Njega mora biti vječan. Bilo bi logično i razumljivo. Ali "život" bozona od djelića sekunde sa dvadeset i dvije nule nakon decimalnog zareza ne odgovara vječnosti. Teško je to čak i nazvati trenutkom.

Štoviše, ako govorimo o „čestici Boga“, onda je potrebno jasno shvatiti da ona mora biti u svemu što nas okružuje i predstavlja samostalan, dugovječan i minimalno mogući volumetrijski entitet koji čini sve poznate čestice. našeg svijeta.

Od ovih božanskih čestica, korak po korak, naš svijet bi morao biti izgrađen. Čestice bi se trebale sastojati od njih, atomi bi se trebali sastojati od čestica, pa sve do zvijezda, galaksija i Univerzuma. Sva poznata i nepoznata polja takođe moraju biti povezana sa ovom magičnom česticom i prenositi ne samo masu, već i bilo koju drugu interakciju. Mislim da je to logično i da nije u suprotnosti sa zdravim razumom. Jer, pošto ovu česticu povezujemo sa božanskim principom, moramo imati i adekvatan odgovor na naša očekivanja.

Međutim, već smo vidjeli da masa Higsovog bozona daleko premašuje čak i masu protona. Ali kako se malo može izgraditi od velikog? Kako ubaciti slona u mišju rupu?! Nema šanse.

Cijela ova tema, da budem iskren, nije baš transparentna i opravdana. Iako možda nešto ne razumijem baš zbog svoje nesposobnosti, ipak se Higsov bozon, po mom dubokom uvjerenju, baš i ne uklapa pod „česticu Boga“.

Foton je druga stvar. Ova divna čestica potpuno je transformisala ljudski život na planeti.

Zahvaljujući fotonima raznih zračenja, vidimo svijet oko sebe, uživamo u sunčevoj svjetlosti i toplini, slušamo muziku i gledamo televizijske vijesti, dijagnosticiramo i liječimo, provjeravamo i defektiramo metale, gledamo u svemir i prodiremo u dubine materije, komuniciraju jedni s drugima na daljinu telefonom… Život bez fotona bi bio nezamisliv. One nisu samo dio našeg života. Oni su naš život.

Fotoni su, zapravo, glavni instrument komunikacije između čovjeka i svijeta oko njega. Samo nam one omogućavaju da uronimo u svijet oko sebe i da ga uz pomoć vida, mirisa, dodira i okusa razumijemo i divimo se njegovoj ljepoti i šarenilu. Sve to, zahvaljujući njima - fotonima.

I dalje. Ovo je vjerovatno glavna stvar. Samo fotoni nose svjetlost! I prema svim vjerskim kanonima, Bog je rodio ovu svjetlost. Štaviše, Bog - i postoji svetlost!

Pa, kako da preskočimo iskušenje ovde i da ne imenujemo foton prava "čestica Boga"! Foton i samo foton može dobiti ovu najvišu titulu! Foton je svetlost! Foton je topao! Foton je sav nered boja svijeta! Photon je mirisnih mirisa i suptilnog okusa! Nema života bez fotona! A ako jeste, kome je onda potreban takav život. Bez svetlosti i toplote, bez ukusa i mirisa. Niko.

Stoga, ako govorimo o čestica Boga, trebamo samo razgovarati o tome foton- o ovom neverovatnom poklonu koji su nam dale Više sile. Ali čak i tada, samo alegorijski. Jer Bog ne može imati čestice. Bog je jedan i cjelovit i ne može se podijeliti ni na jednu česticu.

Feynmanov dijagram za foton-fotonsko raspršenje. Sami fotoni ne mogu međusobno komunicirati, jer su neutralne čestice. Stoga se jedan od fotona pretvara u par čestica-antičestica, s kojim drugi foton stupa u interakciju.

Fizičari iz ATLAS kolaboracije prvi put su registrovali efekat raspršenja svetlosnih kvanta, fotona, na fotone. Ovaj efekat je jedno od najstarijih predviđanja kvantne elektrodinamike, teoretski je opisan prije više od 70 godina, ali još nije eksperimentalno uočen. Zanimljivo je da krši klasične Maxwellove jednačine, budući da je čisto kvantni fenomen. Studija je objavljena ove sedmice u časopisu fizika prirode, međutim, preprint članka izašao je već u februaru 2017. Detalje o tome objavio je portal Elements.ru.

Jedno od glavnih svojstava klasične Maksvelove elektrodinamike je princip superpozicije za elektromagnetna polja u vakuumu. Omogućava vam da direktno dodate polja iz različitih naknada. Budući da su fotoni pobuđivanja polja, oni ne mogu međusobno komunicirati u okviru klasične elektrodinamike. Umjesto toga, oni bi trebali slobodno prolaziti jedno kroz drugo.

ATLAS detektor magneti

Kvantna elektrodinamika proširuje djelovanje klasične teorije na kretanje nabijenih čestica s brzinama blizu svjetlosti, osim toga, uzima u obzir kvantizaciju energije polja. Zahvaljujući tome, neobične pojave povezane s procesima visoke energije mogu se objasniti u kvantnoj elektrodinamici - na primjer, stvaranje parova elektrona i pozitrona iz vakuuma u poljima visokog intenziteta.

U kvantnoj elektrodinamici, dva fotona se mogu sudarati jedan s drugim i raspršiti. Ali ovaj proces ne ide direktno - svjetlosni kvanti su nenabijeni i ne mogu međusobno komunicirati. Umjesto toga, dolazi do srednjeg formiranja virtualnog para čestica-antičestica (elektron-pozitron) iz jednog fotona, s kojim drugi foton stupa u interakciju. Takav proces je vrlo malo vjerojatan za kvante vidljive svjetlosti. To se može procijeniti iz činjenice da svjetlost iz kvazara udaljenih 10 milijardi svjetlosnih godina dopire do Zemlje. Ali sa povećanjem energije fotona, povećava se vjerovatnoća procesa sa rođenjem virtuelnih elektrona.

Do sada, intenzitet i energija čak i najmoćnijih lasera nisu bili dovoljni da se direktno vidi raspršivanje fotona. Međutim, istraživači su već pronašli način da vide ovaj proces indirektno, na primjer, u raspadu jednog fotona u par fotona niže energije u blizini teškog jezgra atoma.

Bilo je moguće direktno vidjeti raspršivanje fotona fotonom samo u Velikom hadronskom sudaraču. Proces je postao vidljiv u eksperimentima nakon povećanja energije čestica u akceleratoru 2015. godine - lansiranjem Run 2. Fizičari iz ATLAS kolaboracije istraživali su procese "ultraperifernih" sudara između teških olovnih jezgara ubrzanih sudaračem do energije od 5 teraelektronvolti. po nukleonu jezgra. U takvim sudarima, sama jezgra se ne sudaraju direktno jedno s drugim. Umjesto toga, njihova elektromagnetna polja djeluju u interakciji, u kojoj nastaju fotoni ogromnih energija (to je zbog blizine brzine jezgara brzini svjetlosti).

Događaj raspršenja fotona i fotona (žuti snopovi)

Ultraperiferne sudare odlikuju se velikom čistoćom. U njima, u slučaju uspješnog raspršenja, nastaje samo par fotona s poprečnim impulsima usmjerenim u različitim smjerovima. Nasuprot tome, obični sudari jezgara formiraju hiljade novih čestica fragmenata. Među četiri milijarde događaja koje je prikupio ATLAS 2015. godine, naučnici su bili u mogućnosti da odaberu 13 koji odgovaraju rasejanju koristeći statistiku sudara olovnih jezgara. Ovo je oko 4,5 puta više od pozadinskog signala koji su fizičari očekivali da vide.

Šema procesa raspršenja u sudaraču. Dva jezgra lete blizu - njihova elektromagnetna polja su u interakciji

Kolaboracija ATLAS

Saradnja će nastaviti da istražuje proces krajem 2018. godine, kada će sudarač ponovo biti domaćin sesije sudara teških jezgara. Zanimljivo, pokazalo se da je detektor ATLAS bio pogodan za traženje rijetkih događaja foton-fotonskog raspršivanja, iako je drugi eksperiment, ALICE, posebno razvijen za analizu sudara teških jezgara.

Sada na Velikom hadronskom sudaraču skup statistike sudara protona i protona. Nedavno su naučnici o otkriću prvog dvostruko šarmiranog bariona na akceleratoru, a još u proleće o saradnji fizike ATLAS-a o neobičnom višku proizvodnih događaja dva slaba interakcijska bozona u visokoenergetskom području (oko tri teraelektronvolta) . To može ukazivati ​​na novu supertešku česticu, ali statistička značajnost signala još ne prelazi tri sigma.

Vladimir Korolev