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

Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetskog zračenja Energija kvanta (odnosno diskretno), gdje je Planckova konstanta. impulsa.Ako foton pripišete prisutnosti tzv. Ne postoji “relativistička masa” na temelju omjera, tada će biti Ne postoji masa mirovanja fotona Fotoelektrični efekt je emisija elektrona tvari pod djelovanjem svjetlosti (i, općenito govoreći, bilo kojeg elektromagnetskog zračenja).

hν = A Izlaz + E k

gdje A van- tzv. rad rada (minimalna energija potrebna za uklanjanje elektrona iz tvari), E k je kinetička energija emitiranog elektrona (ovisno o brzini, može se ili ne izračunati kinetička energija relativističke čestice), ν je frekvencija upadnog fotona s energijom hν, h je Planckova konstanta.

Vanjski fotoelektrični efekt (emisija fotoelektrona) je emisija elektrona tvari pod djelovanjem elektromagnetskog zračenja. 1) Najveća početna brzina fotoelektrona ne ovisi o intenzitetu upadne svjetlosti, već je određena samo njezinom frekvencijom. 2) Postoji minimalna frekvencija na kojoj je moguć fotoelektrični efekt (crveni rub) 3) Struja zasićenja ovisi o intenzitetu svjetlosti koja pada na uzorak 4) Fotoelektrični efekt je neinercijalna pojava. Za zaustavljanje fotostruje potrebno je na anodu dovesti negativan napon (napon prekida). Unutarnji fotoelektrični efekt – promjena elektronske vodljivosti tvari pod djelovanjem svjetlosti. Fotokonduktivnost je svojstvena poluvodičima. Električna vodljivost poluvodiča ograničena je nedostatkom nositelja naboja. Kada se foton apsorbira, elektron prelazi iz valentnog pojasa u vodljivi pojas. Kao rezultat toga nastaje par nositelja naboja: elektron u vodljivom pojasu i šupljina u valentnom pojasu. Oba nositelja naboja, kada se napon dovede do poluvodiča, stvaraju električnu struju.

Kada se fotokonduktivnost pobudi u intrinzičnom poluvodiču, energija fotona mora premašiti zabranjeni pojas. U poluvodiču s nečistoćama, apsorpcija fotona može biti popraćena prijelazom s razine koja se nalazi u zabranjenom pojasu, što omogućuje povećanje valne duljine svjetlosti koja uzrokuje fotovodljivost. Ova je okolnost važna za detekciju infracrvenog zračenja. Uvjet za visoku fotovodljivost je i veliki koeficijent apsorpcije svjetlosti, koji se ostvaruje u poluvodičima s izravnim procjepom.

16. Lagani pritisak.

lagani pritisak je tlak koji stvaraju elektromagnetski svjetlosni valovi koji padaju na površinu tijela. Kvantna teorija svjetlosti objašnjava svjetlosni pritisak kao rezultat prijenosa količine gibanja fotonima na atome ili molekule materije. Neka N fotona pada na površinu apsolutno crnog tijela s površinom S okomitom na njega svake sekunde: . Svaki foton ima impuls. Ukupna količina gibanja koju primi površina tijela jednaka je. Lagani pritisak: .- koeficijent refleksije, - volumna gustoća energije zračenja. klasična teorija

17. Kočno zračenje i karakteristične rendgenske zrake.

X-zračenje - elektromagnetski valovi, čija energija fotona leži na ljestvici elektromagnetskih valova između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja, što odgovara valnim duljinama od 10 −2 do 10 3 Å (od 10 −12 do 10 −7 m). Shematski prikaz rendgenska cijev. X - X-zrake, K - katoda, A - anoda (ponekad se naziva antikatoda), C - hladnjak, U h- napon katodne niti, U a- napon ubrzanja, W in - ulaz vodenog hlađenja, W out - izlaz vodenog hlađenja. Kada energija elektrona koji bombardiraju anodu postane dovoljna da izbaci elektrone iz unutarnjih ljuski atoma, pojavljuju se oštre linije na pozadini kočnog zračenja karakteristika radijacija. Frekvencije ovih linija ovise o prirodi tvari anode, pa se stoga nazivaju karakterističnim.

Bremsstrahlung - elektromagnetsko zračenje koje emitira nabijena čestica tijekom svog raspršenja (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 (metalna meta izrađena od teških metala, poput W ili Pt) , doživljavajući naglo kočenje na njemu. U tom slučaju pojavljuje se rendgensko zračenje, a to su elektromagnetski valovi valne duljine približno 10 -12 -10 -8 m. valna priroda Rendgensko zračenje dokazuje se pokusima njegove difrakcije, o kojima se govori u § 182.

Proučavanje spektralnog sastava X-zraka pokazuje da njegov spektar ima složena struktura(Sl. 306) i ovisi i o energiji elektrona i o materijalu anode. Spektar je superpozicija kontinuiranog spektra, ograničenog sa strane kratkih valnih duljina nekom granicom  min, koja se naziva granica 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. Detaljna studija svojstava ovog zračenja pokazala je da ga emitiraju elektroni koji bombardiraju anodu kao rezultat njihovog usporavanja tijekom interakcije s ciljnim atomima. Stoga se kontinuirani spektar X-zraka naziva spektrom kočnog zračenja. Ovaj zaključak je u skladu s klasična teorija zračenje, budući da bi usporavanje pokretnih naboja zapravo trebalo proizvesti zračenje s kontinuiranim spektrom.

Međutim, postojanje kratkovalne granice kontinuiranog spektra ne proizlazi iz klasične teorije. Iz pokusa proizlazi da što je veća kinetička energija elektrona koji uzrokuju kočno zračenje X zraka, to je  min . Ovu okolnost, kao i postojanje same granice, objašnjava kvantna teorija. Očito, 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 predaje elektronu E maksimalno,  max - frekvencija koja odgovara granici kontinuiranog spektra. Otuda granična valna duljina

U modernoj interpretaciji, kvantna hipoteza tvrdi da energija E vibracije atoma ili molekule mogu biti jednake h v, 2 h v, 3 hν, itd., ali nema oscilacija s energijom između dva uzastopna cijela višekratnika . To znači da energija nije kontinuirana, kako se vjerovalo stoljećima, već kvantiziran , tj. postoji samo u strogo određenim diskretnim dijelovima. Najmanji dio se zove kvant energije . Kvantna hipoteza može se formulirati i kao tvrdnja da se vibracije na atomsko-molekularnoj razini ne javljaju s nikakvim amplitudama. Valjane vrijednosti amplitude su povezane s frekvencijom osciliranja ν .

Godine 1905. Einstein je iznio hrabru ideju koja je generalizirala hipotezu o kvantima i postavila je u temelj nova teorija svjetlost (kvantna teorija fotoelektričnog efekta). Prema Einsteinovoj teoriji , svjetlo s frekvencijomν Ne samo emitiran, kako je predložio Planck, ali također širi se i apsorbira tvar u odvojenim dijelovima (kvantima), čija energija. Dakle, širenje svjetlosti ne treba promatrati kao kontinuirani valni proces, već kao struju diskretnih svjetlosnih kvanta lokaliziranih u prostoru, koji se kreću brzinom širenja svjetlosti u vakuumu ( s). Kvant elektromagnetskog zračenja naziva se foton .

Kao što smo već rekli, emisija elektrona s površine metala pod djelovanjem zračenja koje pada na njega odgovara konceptu svjetlosti kao elektromagnetskog vala, jer električno polje elektromagnetskog vala djeluje na elektrone u metalu i izvlači neke od njih. No, Einstein je skrenuo pozornost na činjenicu da se detalji fotoelektričnog učinka predviđenog valnom teorijom i fotonskom (kvantno korpuskularnom) teorijom svjetlosti značajno razlikuju.

Dakle, možemo mjeriti energiju emitiranog elektrona, na temelju teorije valova i fotona. Kako bismo odgovorili na pitanje koja je teorija poželjnija, pogledajmo neke detalje fotoelektričnog učinka.

Počnimo s valna teorija, i pretpostavimo da ploča je osvijetljena monokromatskim svjetlom. svjetlosni val karakteriziraju sljedeći parametri: intenzitet i učestalost(odnosno valna duljina). Teorija valova predviđa da kada se te karakteristike promijene, dolazi do sljedećih pojava:

· s povećanjem intenziteta svjetlosti treba rasti broj izbačenih elektrona i njihova maksimalna energija jer veći intenzitet svjetlosti znači veću amplitudu električno polje, a jače električno polje izvlači elektrone s više energije;

izbačeni elektroni; kinetička energija ovisi samo o intenzitetu 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 svjetlosnog snopa znači povećanje broja fotona u snopu, ali ne utječe na njihovu energiju ako frekvencija ostane nepromijenjena. Prema Einsteinovoj teoriji, elektron je izbačen s površine metala kada se s njim sudari jedan foton. U tom slučaju sva energija fotona prelazi na elektron, a foton prestaje postojati. Jer elektrone drže u metalu privlačne sile, potrebna je minimalna energija da se elektron izbaci s površine metala A(koji se naziva izlazni rad i za većinu metala je vrijednost reda veličine nekoliko elektron volti). Ako je frekvencija ν upadne svjetlosti mala, tada energija i energija fotona nije dovoljna da izbije elektron s površine metala. Ako je , tada elektroni lete s površine metala, i energije u ovom procesu je sačuvan, tj. energija fotona ( hν) je kinetička energija izbačenog elektrona plus rad izbacivanja elektrona iz metala:

(2.3.1)

Jednadžba (2.3.1) naziva se Einsteinova jednadžba za vanjski fotoelektrični efekt.

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

1. Povećanje intenziteta svjetlosti znači povećanje broja upadnih fotona, koji izbacuju više elektrona s površine metala. Ali budući da je energija fotona ista, maksimalna kinetička energija elektrona se neće promijeniti ( potvrđeno ja fotoelektrični zakon).

2. S povećanjem frekvencije upadne svjetlosti maksimalna kinetička energija elektrona raste linearno u skladu s Einsteinovom formulom (2.3.1). ( Potvrda II zakon fotoelektričnog efekta). Grafikon ove ovisnosti prikazan je na sl. 2.3.

,

Riža. 2.3

3. Ako je frekvencija ν manja kritična frekvencija, tada elektroni nisu izbačeni s površine (III zakon).

Dakle, vidimo da se predviđanja korpuskularne (fotonske) teorije jako razlikuju od predviđanja valne teorije, ali se vrlo dobro slažu s tri eksperimentalna uspostavljeni zakoni fotoelektrični efekt.

Einsteinovu jednadžbu potvrdili su Millikanovi pokusi provedeni 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 Planckova konstanta h.

Godine 1926. ruski fizičari P.I. Lukirsky i S.S. Priležajev je koristio metodu vakuumskog sferičnog kondenzatora za proučavanje fotoelektričnog efekta. Anoda su bile posrebrene stijenke staklene kuglaste posude, a katoda je bila kugla ( R≈ 1,5 cm) od ispitivanog metala postavljenog u središte kugle. Ovaj oblik elektroda omogućio je povećanje nagiba CVC i time točnije određivanje napona usporavanja (i, posljedično, h). Vrijednost Planckove konstante h dobivena iz ovih eksperimenata slaže se s vrijednostima pronađenim drugim metodama (zračenjem crnog tijela i granicom kratke valne duljine kontinuiranog spektra x-zraka). Sve je to dokaz ispravnosti Einsteinove jednadžbe, a ujedno i njegove kvantne teorije fotoelektričnog efekta.

Za objašnjenje toplinsko zračenje Planck je sugerirao da se svjetlost emitira u kvantima. Einstein je, kada je objašnjavao fotoelektrični efekt, sugerirao da svjetlost apsorbiraju kvanti. Einstein je također sugerirao da se svjetlost širi u kvantima, tj. porcije. Kvant svjetlosne energije naziva se foton . Oni. ponovno došao do pojma korpuskule (čestice).

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

Riža. 2.4

Tanka metalna folija F postavljen između dva brojača s izbojem u plinu sredina. Folija je bila osvijetljena slabim snopom x-zrake, pod čijim je utjecajem i sama postala izvor x-zraka (ta se pojava naziva fluorescencija x-zraka). Zbog niskog intenziteta primarne zrake, broj kvanta koje je emitirala folija bio je mali. Kada su kvanti udarili u brojač, mehanizam je proradio i na pokretnoj papirnatoj traci ostao je trag. Kad bi se izračena energija raspodijelila ravnomjerno u svim smjerovima, kao što slijedi iz prikaza valova, oba brojača bi trebala raditi istovremeno i oznake na vrpci padale bi jedna na drugu. Zapravo, postojao je potpuno nasumičan raspored oznaka. To se može objasniti samo činjenicom da u odvojenim aktima emisije nastaju čestice svjetlosti koje lete prvo u jednom, a zatim u drugom smjeru. Tako je eksperimentalno dokazano postojanje posebnih svjetlosnih čestica - fotona.

Foton ima energiju . Za vidljivu svjetlost, valna duljina 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 pronaći 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 krećući se brzinom svjetlosti c .

Nađimo odnos između energije i impulsa fotona.

Poznat nam je relativistički izraz za impuls:

.

(2.3.3)

A za energiju:

.

(2.3.4)

Foton je čestica bez mase i može postojati samo u vakuumu. Također nema električna svojstva, odnosno naboj mu je nula. Ovisno o kontekstu, postoje razna tumačenja opisi fotona. Klasična (elektrodinamika) ga predstavlja kao elektromagnetski val s kružnom polarizacijom. Foton također pokazuje svojstva čestice. Takva dvojna ideja o tome naziva se dualizam korpuskularnih valova. S druge strane, kvantna elektrodinamika opisuje fotonsku česticu kao mjerni bozon koji omogućuje stvaranje elektromagnetske interakcije.

Među svim česticama svemira, foton ima najveći broj. Spin (vlastiti mehanički moment) foton jednako jedan. Također, foton može biti samo u dva kvantna stanja, od kojih jedno ima projekciju spina na određeni smjer jednaku -1, a drugo jednaku +1. Ovo kvantno svojstvo fotona ogleda se u njegovom klasičnom prikazu kao transverzalnosti elektromagnetskog vala. Masa mirovanja fotona je nula, što implicira njegovu brzinu širenja, jednako brzini Sveta.

Čestica fotona nema električna svojstva (naboj) i prilično je stabilna, odnosno foton se ne može spontano raspasti u vakuumu. Ova se čestica emitira u mnogim fizički procesi, 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 može apsorbirati i u obrnutim procesima.

Valno-čestični dualitet fotona

Dvojnost val-čestica svojstvena fotonu očituje se u brojnim fizički pokusi. Fotonske čestice sudjeluju u valnim procesima kao što su difrakcija i interferencija, kada su dimenzije prepreka (prorezi, dijafragme) usporedive s veličinom same čestice. To je posebno vidljivo u eksperimentima s difrakcijom pojedinačnih fotona na jednom prorezu. Također, točkasta i korpuskularna priroda fotona očituje se u procesima apsorpcije i emisije od strane objekata čije su dimenzije puno manje od valne duljine fotona. No, s druge strane, prikaz fotona kao čestice također nije potpun, jer je opovrgnut korelacijskim eksperimentima temeljenim na zapletenim stanjima elementarnih čestica. Stoga je uobičajeno smatrati česticu fotona, uključujući i val.

Videi sa sličnim sadržajem

Izvori:

• Photon 1099: sve o automobilu

Glavna stvar kvantni broj je cjelina broj, što je definicija stanja elektrona na energetskoj razini. Energetska razina je skup stacionarna stanja elektron u atomu s bliskim vrijednostima energije. Glavna stvar kvantni broj određuje udaljenost elektrona od jezgre i karakterizira energiju elektrona koji zauzimaju ovu razinu.

Skup brojeva koji karakteriziraju stanje nazivaju se kvantni brojevi. valna funkcija elektrona u atomu, njegovo jedinstveno stanje određuju četiri kvantna broja - glavni, magnetski, orbitalni i spleen - moment gibanja elementara, izražen u kvantitativna vrijednost. Glavna stvar kvantni broj ima n. Ako glavni kvant broj raste, tada i orbita i energija elektrona rastu u skladu s tim. Kako manje vrijednosti n, teme više vrijednosti energetska interakcija elektron . Ako je ukupna energija elektrona minimalna, tada se stanje atoma naziva nepobuđenim ili uzemljenim. Stanje atoma sa visoka vrijednost energija se naziva pobuđenom. Na najvišoj razini broj elektrona može se odrediti formulom N = 2n2.Kada elektron prijeđe s jedne energetske razine na drugu, glavni kvant broj.U kvantnoj teoriji, izjava da je energija elektrona kvantizirana, to jest, može uzeti samo diskretno, određene vrijednosti. Za poznavanje stanja elektrona u atomu potrebno je uzeti u obzir energiju elektrona, oblik elektrona i druge parametre. Iz područja prirodni brojevi, gdje n može biti jednako 1 i 2, i 3 i tako dalje, glavni kvant broj može poprimiti bilo koju vrijednost. U kvantnoj teoriji razine energije označena slovima, vrijednost n - brojevima. Broj razdoblja u kojem se element nalazi, jednak je broju razine energije u atomu u njegovom osnovnom stanju. Sve energetske razine sastoje se od podrazina. Podrazina se sastoji od atomske orbitale, koji su određeni, karakterizirani su glavnim kvantom broj m n, orbitalan broj m l i kvantni broj m ml. Broj podrazina svake razine ne prelazi vrijednost n. Schrödingerova valna jednadžba je najprikladnija elektronička struktura atom.

Kvantna fizika postala je ogroman poticaj razvoju znanosti u 20. stoljeću. Pokušaj da se međudjelovanje najsitnijih čestica opiše na potpuno drugačiji način, pomoću kvantne mehanike, kada su se neki problemi klasične mehanike već činili nerješivima, napravio je pravu revoluciju.

Razlozi za nastanak kvantne fizike

Fizika - opisuje zakone po kojima funkcionira svijet. Newtonov, ili klasični, nastao je u srednjem vijeku, a njegovi preduvjeti mogli su se vidjeti u antici. Savršeno objašnjava sve što se događa na skali koju osoba percipira bez dodatnih mjernih instrumenata. Ali ljudi su se suočili s mnogim proturječnostima kada su počeli proučavati mikro i makrokozmos, istraživati ​​i najmanje čestice koje čine materiju i divovske galaksije koje okružuju izvorno čovjeku mliječna staza. Pokazalo se da klasična fizika nije pogodna za sve. Tako se pojavila kvantna fizika - znanost, kvantna mehanika i sustavi kvantnog polja. Tehnika za proučavanje kvantne fizike je kvantna mehanika i kvantna teorija polja. Također se koriste u drugim srodnim granama fizike.

Glavne odredbe kvantne fizike u usporedbi s klasičnom

Za one koji se tek upoznaju kvantna fizika, njegove se odredbe često čine nelogičnima ili čak apsurdnima. Međutim, dublje u njih, već je mnogo lakše pronaći logiku. Najlakši način da naučite osnovne principe kvantne fizike je uspoređujući je s klasičnom fizikom.

Ako se u klasici vjeruje da je priroda nepromjenjiva, kako god je znanstvenici opisivali, onda u kvantna fizika rezultat promatranja uvelike će ovisiti o tome koja se metoda mjerenja koristi.

Prema zakonima Newtonove mehanike, koji su osnova klasične fizike, čestica (odn. materijalna točka) ima određeni položaj i brzinu u bilo kojem trenutku. NA kvantna mehanika ovo nije istina. Temelji se na principu superpozicije udaljenosti. Odnosno, ako kvantna čestica može biti i u jednom i u drugom stanju, onda može biti i u trećem stanju - zbroju dva prethodna (ovo se zove linearna kombinacija). Stoga je nemoguće točno odrediti gdje će se čestica nalaziti u određenom trenutku. Može se samo izračunati kolika je vjerojatnost da je bilo gdje.

Ako u klasična fizika možete izgraditi putanju fizičko tijelo, zatim u kvantnom - samo distribucija vjerojatnosti, koja će se mijenjati u vremenu. U tom slučaju distribucijski maksimum se uvijek nalazi tamo gdje ga određuje klasična mehanika! Ovo je vrlo važno jer omogućuje, prije svega, praćenje veze između klasičnog i kvantna mehanika, i drugo, pokazuje da nisu u suprotnosti jedno s drugim. Možemo reći da je klasična fizika poseban slučaj kvantne.

Vjerojatnost se u klasičnoj fizici pojavljuje kada su neka svojstva nekog objekta istraživaču nepoznata. U kvantnoj fizici vjerojatnost je temeljna i uvijek prisutna, bez obzira na stupanj neznanja.

U klasičnoj mehanici dopuštene su bilo koje vrijednosti energije i brzine za česticu, dok su u kvantnoj mehanici dopuštene samo određene vrijednosti, "kvantizirane". Zovu se svojstvene vrijednosti, od kojih svaki odgovara vlastitu državu. Kvant je "dio" neke količine koji se ne može podijeliti na komponente.

Jedan od temeljnih principa kvantne fizike je Heisenbergov princip nesigurnosti. Radi se o tome da se neće moći istovremeno saznati i brzina i položaj čestice. Samo se jedna stvar može mjeriti. Štoviše, što uređaj bolje mjeri brzinu čestice, to će manje znati o njezinoj poziciji i obrnuto.

Činjenica je da je za mjerenje čestice potrebno “pogledati”, odnosno u njenom smjeru poslati česticu svjetlosti – foton. Ovaj foton, o kojem istraživač sve zna, sudarit će se s izmjerenom česticom i promijeniti svoje i svoja svojstva. To 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 proučavaju se objekti tako mali da čak i fotoni – čestice svjetlosti – mijenjaju svoja svojstva.

Svjetlost i toplina, okus i miris, boja i informacija - sve je to neraskidivo povezano s fotonima. Štoviše, život biljaka, životinja i ljudi je nemoguć bez ove nevjerojatne čestice.

Vjeruje se da u svemiru postoji oko 20 milijardi fotona na svaki proton ili neutron. Riječ je o fantastično velikom broju.

Ali što znamo o ovoj najčešćoj čestici u svijetu oko nas?

Neki znanstvenici smatraju da je brzina fotona jednaka brzini svjetlosti u vakuumu, tj. otprilike 300 000 km/s i to je najveća moguća brzina u svemiru.

Drugi znanstvenici smatraju da u svemiru postoji dovoljno primjera u kojima su brzine čestica veće od brzine svjetlosti.

Neki znanstvenici vjeruju da je foton električki neutralan.

Drugi - vjeruju da foton ima električno punjenje(prema nekim izvješćima, manje od 10 -22 eV / sec 2).

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

Drugi vjeruju da foton ima masu. Doista, vrlo je, vrlo malen. Mnogi se istraživači pridržavaju ovog gledišta, definirajući masu fotona na različite načine: manje od 6 x 10 -16 eV, 7 x 10 -17 eV, 1 x 10 -22 eV pa čak i 3 x 10 -27 eV, što je milijarde puta manje od mase elektrona.

Neki znanstvenici smatraju da je, u skladu sa zakonima refleksije i loma svjetlosti, foton čestica, tj. tjelešce. (Euklid, Lukrecije, Ptolomej, I. Newton, P. Gassendi)

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

Emisijom ili apsorpcijom atomske jezgre i elektrona, a kod fotoelektričnog efekta foton se ponaša kao čestica.

I pri prolazu staklena prizma ili mala rupa u barijeri, foton pokazuje svoja svojstva svijetlog vala.

Kompromisno rješenje francuskog znanstvenika Louisa de Brogliea, koje se temelji na dualnosti val-čestica, prema kojem fotoni imaju i svojstva čestice i svojstva vala, nije odgovor na ovo pitanje. Dualnost val-čestica samo je privremena sporazum na temelju apsolutne nemoći znanstvenika da odgovore na ovo iznimno važno pitanje.

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

Na temelju toga možemo formulirati prvo pitanje povezan s fotonom

Pitanje jedno.

Jesu li fotoni valovi ili čestice? Ili možda oboje, ili ne oboje?

Unaprijediti. NA moderna fizika foton je elementarna čestica, što je kvant (udio) elektromagnetskog zračenja. Svjetlo je također elektromagnetsko zračenje, a foton se smatra nositeljem svjetlosti. U našim umovima to je čvrsto utemeljeno i foton se, prije svega, povezuje sa svjetlom.

No, osim svjetlosti, postoje i druge vrste elektromagnetskog zračenja: gama zračenje, rendgensko, ultraljubičasto, vidljivo, infracrveno, mikrovalno i radio zračenje. Međusobno se razlikuju po valnoj duljini, frekvenciji, energiji i imaju svoje karakteristike.

Vrste zračenja i njihove kratke karakteristike

Prijenosnik svih vrsta elektromagnetskog zračenja je foton. On je, prema znanstvenicima, isti za sve. Istovremeno, svaku vrstu zračenja karakterizira različita valna duljina, frekvencija osciliranja i različita energija fotona. Dakle, različiti fotoni? Čini se da je broj različitih vrsta Elektromagnetski valovi mora odgovarati jednakom broju različitih vrsta fotona. Ali u modernoj fizici do sada postoji samo jedan foton.

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

Na primjer, gama zračenje i X-zrake svladavaju barijere, dok ultraljubičasto i infracrveno zračenje te vidljiva svjetlost, s dužom valnom duljinom, ali manjom energijom, ne. U isto vrijeme, mikrovalno i radiovalno zračenje ima još veću valnu duljinu i još nižu energiju, ali pobjeđuje vodeni stup i betonske zidove. Zašto?

Prodorne sposobnosti fotona pri različitim zračenjima

Ovdje se odmah nameću dva pitanja.

Drugo pitanje.

Jesu li svi fotoni isti u svim vrstama zračenja?

Pitanje tri.

Zašto fotoni nekih vrsta zračenja svladavaju prepreke, a drugih vrsta zračenja ne? Što je stvar - u zračenju ili u fotonima?

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

Četvrto pitanje.

Je li foton najmanja čestica bez strukture ili se sastoji od još manjih tvorevina?

Osim toga, vjeruje se da je masa mirovanja fotona jednaka nuli, au njegovom gibanju očituju se i masa i energija. Ali onda postoji

pitanje pet:

foton - je li materijalna čestica ili nije? Ako je foton materijalan, gdje onda nestaje njegova masa dok miruje? Ako nije materijalno, zašto su onda njegove potpuno materijalne interakcije sa svijetom oko nas fiksne?

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

U našim smo putovanjima “Dah svemira”, “Dubine svemira” i “Sile svemira” sva ta pitanja razmatrali kroz prizmu strukture i funkcioniranja svemira. Pratili smo cijeli put nastanka fotona od nastanka fundamentalnih čestica - eteričnih vrtložnih ugrušaka do galaksija i njihovih jata. Usuđujem se nadati da imamo prilično logičnu i sustavno posloženu sliku svijeta. Stoga je pretpostavka o strukturi fotona postala logičan korak u sustavu znanja o našem Svemiru.

Struktura fotona

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

Opružni dizajn fotona omogućuje odgovor na gotovo sva pitanja koja se javljaju u proučavanju prirodnih pojava i eksperimentalnih rezultata.

Već smo spomenuli da su fotoni prijenosnici raznih vrsta elektromagnetskog zračenja. Međutim, unatoč činjenici da znanost zna različite vrste elektromagnetsko zračenje: gama zračenje, x-zrake, ultraljubičasto, vidljivo, infracrveno, mikrovalno zračenje i radio zračenje, fotoni nosioci koji sudjeluju u tim procesima nemaju svoje varijante. Odnosno po nekima znanstvenici bilo kojeg vrstu zračenja nosi određena univerzalna vrsta fotona, koja se podjednako uspješno očituje iu procesima gama zračenja, iu procesima radioemisije, iu svim drugim vrstama zračenja.

Ne mogu se složiti s ovim stavom jer prirodni fenomen pokazuju da se sva poznata elektromagnetska zračenja međusobno značajno razlikuju ne samo po parametrima (valnoj duljini, frekvenciji, energetskim mogućnostima), već i po svojim svojstvima. Na primjer, gama zračenje lako prodire kroz sve barijere, a vidljivo zračenje se jednako lako zaustavlja ovim barijerama.

Stoga, u jednom slučaju, fotoni mogu nositi zračenje kroz barijere, au drugom, isti fotoni već nemoćan da išta nadvlada. Ova nas činjenica tjera da se zapitamo jesu li fotoni doista toliko univerzalni ili imaju svoje vlastite varijante, u skladu sa svojstvima raznih elektromagnetska radijacija u Svemiru.

pretpostavljam ispraviti, odrediti svaku vrstu zračenja svoju vrstu fotoni. Nažalost, takva je gradacija još uvijek in moderna znanost ne postoji. Ali to nije samo lako, već se hitno mora popraviti. I to je sasvim razumljivo, budući da se zračenje i njegovi parametri mijenjaju, a fotoni u suvremenoj interpretaciji predstavljeni su samo jednim općim pojmom - "foton". No, mora se priznati da se promjenom parametara zračenja u literaturi mijenjaju i parametri fotona.

Situacija je slična kao i kod prijave opći koncept"automobil" svim svojim markama. Ali ove marke su različite. Možemo kupiti Ladu, Mercedes, Volvo ili Toyotu. Svi oni odgovaraju konceptu "automobila", ali svi su različiti i izgledom i izgledom Tehničke specifikacije, i trošak.

Stoga bi bilo logično da fotone gama zračenja predložimo kao nositelje gama zračenja, rendgensko zračenje- fotoni rendgenskih zraka, ultraljubičasto zračenje- fotoni ultraljubičastog zračenja itd. Sve te vrste fotona međusobno će se razlikovati po duljini zavoja (valnoj duljini), brzini rotacije (frekvenciji osciliranja) i energiji koju nose.

Fotoni gama zračenja i rendgenskog zračenja predstavljaju komprimiranu oprugu minimalnih dimenzija i koncentrirane energije u tom malom volumenu. Stoga pokazuju svojstva čestice i lako svladavaju prepreke, krećući se između molekula i atoma tvari.

Fotoni ultraljubičastog zračenja, vidljiva svjetlost i fotoni infracrveno zračenje- ovo je isto proljeće, samo rastegnuto. Energija u tim fotonima ostala je ista, ali se raspodijelila na izduženije tijelo fotona. Povećanje duljine fotona omogućuje mu da pokaže svojstva vala. Međutim, povećanje promjera fotona ne dopušta mu da prodre između molekula materije.

Fotoni mikrovalnih i radio emisija imaju još rastegnutiji dizajn. Duljina radio valova može doseći nekoliko tisuća kilometara, ali oni imaju najmanju energiju. Oni lako prodiru kroz barijere, kao da se uvijaju u tvar barijere, zaobilazeći molekule i atome tvari.

U svemiru se sve vrste fotona postupno pretvaraju iz fotona gama zraka. Fotoni gama zračenja su primarni. Pri kretanju u prostoru smanjuje se brzina njihove rotacije 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 fotone X zraka. Ti će fotoni imati veću valnu duljinu i nižu frekvenciju rotacije. Zatim se fotoni X-zraka pretvaraju u ultraljubičaste fotone, a oni se pretvaraju u vidljivu svjetlost, i tako dalje.

Najviše vrhunski primjer možemo promatrati ovu transformaciju u dinamici tijekom nuklearne eksplozije.

Nuklearna eksplozija i zone njezina štetnog djelovanja

U procesu nuklearna eksplozija u nekoliko sekundi prodire tok fotona gama zračenja okoliš na udaljenosti od cca 3 km. Nadalje, gama zračenje prestaje, ali je rendgensko zračenje fiksno. Smatram da se u ovom slučaju fotoni gama zračenja pretvaraju u fotone rendgenskog zračenja, a oni redom u fotone ultraljubičastog, vidljivog i infracrvenog zračenja. Tok fotona, odnosno, uzrokuje pojavu štetni faktori nuklearna eksplozija - prodorno zračenje, svjetlosno zračenje i požari.

U radu “Dubine svemira” detaljno smo ispitali strukturu fotona te procese njihova nastanka i funkcioniranja. Postalo nam je jasno da se fotoni sastoje od međusobno povezanih prstenastih energetskih frakcija različitih promjera.

Struktura fotona

Frakcije se formiraju od osnovnih čestica - najmanji eterični vrtložni ugrušci, koji su eterično gusti osje. Ove eterične gustoće su prilično materijalne, baš kao što su eter i cijeli svijet oko nas materijalni. Gustoće etera određuju pokazatelje mase eteričnih vrtložnih ugrušaka. Masa grozdova je masa frakcija, a oni su masa fotona. I bilo da je u pokretu ili u mirovanju. Stoga je foton potpuno materijal i ima svoj dobro definiran masa u mirovanju i kretanju.

Već smo tijekom eksperimenata dobili izravnu potvrdu naše ideje o strukturi fotona i njegovom sastavu. Nadam se da ćemo u skoroj budućnosti objaviti sve dobivene rezultate. Štoviše, slični su rezultati dobiveni i u stranim laboratorijima. Dakle, postoji razlog za vjerovanje da smo na dobrom putu.

Dakle, odgovorili smo na brojna pitanja o fotonu.

Foton, u našem razumijevanju, nije čestica ili val, već opruga, koja u raznim uvjetima može se komprimirati do veličine čestica, a može se i rastegnuti, pokazujući svojstva vala.

Fotoni imaju svoje varijante ovisno o vrsti zračenja i mogu biti fotoni gama zračenja, fotoni rendgenskih zraka, fotoni ultraljubičastog, vidljivog, infracrvenog i mikrovalnog zračenja, kao i fotoni radio emisije.

Foton je materijalan i ima masu. Nije najmanja čestica u Svemiru, ali se sastoji od eteričnih vrtložnih ugrušaka i energetskih frakcija.

Razumijem da je ovo donekle neočekivana i neobična interpretacija fotona. Međutim, ne polazim od općeprihvaćenih pravila i postulata usvojenih prije mnogo godina bez veze s procesima opći razvoj mir. I iz logike koja proizlazi iz zakona svijeta, koji su ključ do vrata koja vode do Istine.

Međutim, 2013. god Nobelove nagrade prema fizičaru Peteru Higgsu i Francoisu Engleru, koji su 1964. neovisno predložili postojanje još jedne čestice u prirodi – neutralnog bozona, koji uz laka ruka nobelovac L. Ledermana nazivali su “česticom Boga”, odnosno onim temeljnim principom, onom prvom ciglom od koje je nastala cijela naša svijet. Godine 2012., tijekom provođenja eksperimenata na sudarajućim snopovima protona pri velikim brzinama, dva ponovno neovisna znanstvene zajednice Ponovno je gotovo istodobno najavljena detekcija čestice, čiji su se parametri podudarali jedni s drugima i odgovarali vrijednostima koje su predvidjeli P. Higgs i F. Engler.

Kao takva čestica poslužio je neutralni bozon registriran tijekom pokusa, 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 se čestici pripisuje sposobnost davanja mase svemu materijalnom što postoji na ovom svijetu - od atoma do jata galaksija. Štoviše, pretpostavilo se da je ova čestica izravan dokaz prisutnosti nekog hipotetskog polja, prolazeći kroz koje sve čestice dobivaju težinu. Ovo je tako čarobno otkriće.

No, opća euforija od ovog otkrića nije dugo trajala. Jer bilo je pitanja koja se nisu mogla ne pojaviti. Doista, ako je Higgsov bozon doista "čestica Boga", zašto je onda njegov "život" tako prolazan? Shvaćanje Boga uvijek je bilo povezano s vječnošću. Ali ako je Bog vječan, onda svaki njegov dio također mora biti vječan. Bilo bi logično i razumljivo. Ali "život" bozona od djelića sekunde s dvadeset i dvije nule iza decimalne točke baš i ne pristaje uz vječnost. Teško je to čak nazvati trenutkom.

Štoviše, ako govorimo o „božjoj čestici“, onda je potrebno jasno razumjeti da ona mora biti u svemu što nas okružuje i predstavlja neovisnu, dugovječnu i minimalno moguću volumetrijsku cjelinu koja čini sve poznate čestice našeg svijeta.

Od tih božanskih čestica, korak po korak, morao bi se graditi naš svijet. Čestice bi se trebale sastojati od njih, atomi bi se trebali sastojati od čestica, i tako dalje do zvijezda, galaksija i Svemira. Sva poznata i nepoznata polja također moraju biti povezana s ovom magičnom česticom i prenositi ne samo masu, već i svaku drugu interakciju. Mislim da je to logično i da nije u suprotnosti zdrav razum. Jer budući da ovu česticu povezujemo sa božanski početak, onda moraju imati i adekvatan odgovor na naša očekivanja.

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

Cijela ova tema, iskreno govoreći, nije baš transparentna i opravdana. Iako možda zbog svoje nesposobnosti nešto baš i ne razumijem, Higgsov bozon, po mom dubokom uvjerenju, baš i ne spada pod “božju česticu”.

Foton je druga stvar. Ova divna čestica potpuno je preobrazila ljudski život na planetu.

Zahvaljujući fotonima raznih zračenja vidimo svijet oko sebe, uživamo sunčeva svjetlost i topline, slušamo glazbu i gledamo televizijske vijesti, dijagnosticiramo i liječimo, provjeravamo i defektiramo metale, gledamo u svemir i prodiremo u dubine materije, komuniciramo jedni s drugima na daljinu telefonom... Život bez fotona bio bi nezamisliv. Oni nisu samo dio našeg života. Oni su naš život.

Fotoni su, naime, glavni instrument komunikacije između čovjeka i svijeta koji ga okružuje. Samo nam one omogućuju da uronimo u svijet oko sebe i uz pomoć vida, mirisa, dodira i okusa razumijemo ga i divimo se njegovoj ljepoti i šarolikosti. Sve to, zahvaljujući njima – fotonima.

I dalje. Ovo je vjerojatno glavna stvar. Samo fotoni nose svjetlost! I prema svim vjerskim kanonima, Bog je rodio ovo svjetlo. Štoviše, Bog - i svjetlo je!

Pa, kako možemo proći kroz iskušenje ovdje i ne imenovati foton prava "božja čestica"! Foton i samo foton to može zahtijevati najviši rang! Foton je svjetlost! Foton je topao! Photon je sva nered boja svijeta! Photon je mirisni mirisi i suptilni okusi! Bez fotona nema života! A ako ima, kome onda treba takav život. Bez svjetla i topline, bez okusa i mirisa. Nitko.

Stoga, ako govorimo o čestica Boga, trebamo samo razgovarati foton- o ovom nevjerojatnom daru koji nam je dan Više sile. Ali i tada samo alegorijski. Jer Bog ne može imati čestice. Bog je jedan i cjelovit i ne može se podijeliti ni na kakve čestice.

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

Fizičari iz kolaboracije ATLAS prvi su put registrirali učinak raspršenja svjetlosnih kvanta, fotona, na fotone. Ovaj efekt jedno je od najstarijih predviđanja kvantne elektrodinamike, teorijski je opisan prije više od 70 godina, ali još nije uočen eksperimentalno. Zanimljivo je da krši klasične Maxwellove jednadžbe, budući da je čisto kvantni fenomen. Studija je objavljena ovaj tjedan u časopisu fizika prirode, međutim, pretisak članka izašao je već u veljači 2017. Detalje o tome objavio je portal Elements.ru.

Jedno od glavnih svojstava klasične Maxwellove elektrodinamike je princip superpozicije za elektromagnetska polja u vakuumu. Omogućuje vam izravno dodavanje polja iz različitih naknada. Budući da su fotoni pobude polja, oni ne mogu djelovati međusobno u okviru klasične elektrodinamike. Umjesto toga, trebale bi slobodno prolaziti jedna kroz drugu.

ATLAS detektorski magneti

Kvantna elektrodinamika proširuje djelovanje klasične teorije na gibanje nabijenih čestica brzinama blizu svjetlosti, osim toga, uzima u obzir kvantizaciju energije polja. Zbog toga je u kvantnoj elektrodinamici moguće objasniti neobične pojave povezana s visokoenergetskim procesima - na primjer, stvaranje parova elektrona i pozitrona iz vakuuma u poljima visokog intenziteta.

U kvantnoj elektrodinamici, dva fotona se mogu međusobno sudariti i raspršiti. Ali taj proces ne ide izravno - kvanti svjetlosti su nenabijeni i ne mogu djelovati jedni na druge. Umjesto toga, postoji međuformacija virtualnog para čestica-antičestica (elektron-pozitron) iz jednog fotona, s kojim drugi foton stupa u interakciju. Takav je proces vrlo malo vjerojatan za kvante vidljive svjetlosti. To se može procijeniti iz činjenice da svjetlost kvazara udaljenih 10 milijardi svjetlosnih godina dopire do Zemlje. Ali s povećanjem energije fotona, povećava se vjerojatnost procesa s rođenjem virtualnih elektrona.

Do sada intenzitet i energija čak ni najjačih lasera nisu bili dovoljni da se izravno vidi raspršenje fotona. Međutim, istraživači su već pronašli način da ovaj proces vide neizravno, na primjer, u raspadu jednog fotona u par fotona niže energije u blizini teške jezgre atoma.

Bilo je moguće izravno vidjeti raspršenje fotona po fotonu samo u Velikom hadronskom sudaraču. Proces je postao vidljiv u eksperimentima nakon povećanja energije čestica u akceleratoru 2015. - lansiranjem Run 2. Fizičari kolaboracije ATLAS istraživali su procese "ultraperifernih" sudara između teških jezgri olova ubrzanih sudaračem na energije od 5 teraelektronvolti po jezgri nukleon. U takvim sudarima same jezgre se izravno ne sudaraju jedna s drugom. Umjesto toga, njihova elektromagnetska polja međusobno djeluju, u čemu nastaju fotoni goleme energije (to je zbog blizine brzine jezgri brzini svjetlosti).

Foton-fotonski događaj raspršenja (žute zrake)

Ultra-periferne kolizije odlikuju se velikom čistoćom. U njima, u slučaju uspješnog raspršenja, samo par fotona s smjerovima usmjerenim u različite strane transverzalni impulsi. Nasuprot tome, obični sudari jezgri tvore tisuće novih čestica fragmenata. Među četiri milijarde događaja koje je ATLAS prikupio 2015. znanstvenici su uspjeli odabrati 13 koji odgovaraju raspršenju koristeći statistiku sudara jezgri olova. To je oko 4,5 puta više od pozadinskog signala koji su fizičari očekivali vidjeti.

Shema procesa raspršenja u sudaraču. Dvije jezgre lete blizu - njihove elektromagnetska polja međusobno komunicirati

Suradnja ATLAS

Suradnja će se nastaviti u istraživanju procesa krajem 2018., kada će sudarač ponovno proći sesiju sudara teške jezgre. Zanimljivo, upravo se detektor ATLAS pokazao pogodnim za pretragu rijetki događaji raspršenje fotona po fotonu, iako je još jedan eksperiment, ALICE, posebno razvijen za analizu sudara teških jezgri.

Sada na Velikom hadronskom sudaraču skup statistike sudara proton-proton. Nedavno su znanstvenici o otkriću prvog dvostruko očaranog bariona na akceleratoru, a još u proljeće fizike kolaboracije ATLAS o neobičnom višku proizvodnih događaja dva bozona slabe interakcije u području visoke energije (oko tri teraelektronvolta) . Međutim, to može ukazivati ​​na novu supertešku česticu statistička značajnost signal ne prelazi tri sigma.

Vladimir Koroljov