Фотон елементарна частка є квантом. Фізики вперше побачили зіткнення фотона з фотоном

Фотон - елементарна частка, квант електромагнітного випромінювання.енергії кванта (тобто дискретно), де - постійна Планка. импульс.Если приписати фотону наявність т. зв. «релятивістської маси» виходячи із співвідношення то вона складе Маси спокою фотона немає.

hν = A вих + E k

де A out- Т.зв. робота виходу (мінімальна енергія, необхідна видалення електрона з речовини), E k-кінетична енергія електрона, що вилітає (залежно від швидкості може обчислюватися як кінетична енергія релятивістської частки, так і немає), ν - частота падаючого фотона з енергією hν, h- Постійна Планка.

Зовнішнім фотоефектом (фотоелектронною емісією) називається випромінювання електронів речовиною під впливом електромагнітних випромінювань. 1) Максимальна початкова швидкість фотоелектронів залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається лише його частотою. 2) Існує мінімальна частота, при якій можливий фотоефект (червона межа) 3) Струм насичення залежить від інтенсивності світла, що падає на зразок 4) Фотоефект – безінерційне явище. Для припинення фотоструму треба падати на анод негативну напругу (напруга замикання). Внутрішній фотоефект – зміна електронної провідності речовини під впливом світла. Фотопровідність властива напівпровідникам. Електропровідність напівпровідників обмежена нестачею носіїв заряду. При поглинанні фотона електрон переходить із валентної зони до зони провідності. Як наслідок утворюється пара носіїв заряду: електрон у зоні провідності та дірка у валентній зоні. Обидва носії заряду при додатку до напівпровідника напруги створюють електричний струм.

При збудженні фотопровідності у власному напівпровіднику енергія фотона повинна перевищувати ширину забороненої зони. У напівпровіднику з домішками поглинання фотона може супроводжуватися переходом із розташованого в забороненій зоні рівня, що дозволяє збільшити довжину хвилі світла, що викликає фотопровідність. Ця обставина є важливою для детектування інфрачервоного випромінювання. Умовою високої фотопровідності є великий коефіцієнт поглинання світла, який реалізується в прямозонних напівпровідниках.

16. Тиск світла.

Тиск світла- це тиск, який виробляють електромагнітні світлові хвилі, що падають на поверхню якогось тіла. Квантова теорія світла пояснює світловий тиск як наслідок передачі фотонами свого імпульсу атомам чи молекулам речовини. Нехай поверхню абсолютно чорного тіла площею S перпендикулярно до неї щомиті падає N фотонів: . Кожен фотон має імпульс. Повний імпульс, що отримується поверхнею тіла, дорівнює. Світловий тиск: .- Коефіцієнт відображення, - Об'ємна щільність енергії випромінювання. Класична теорія

17. Гальмівне та характеристичне рентгенівське випромінювання.

Рентгенівське випромінювання - електромагнітні хвилі, енергія фотонів яких лежить на шкалі електромагнітних хвиль між ультрафіолетовим випромінюванням і гамма-випромінюванням, що відповідає довжинам хвиль від 10 -2 до 10 3 Å (від 10 -12 до 10 -7 м). Схематичне зображення рентгенівської трубки. X - рентгенівські промені, K - катод, А - анод (іноді званий антикатодом), С - тепловідведення, U h-напруження напруження катода, U a- прискорююча напруга, W in - впуск водяного охолодження W out - випуск водяного охолодження. Коли енергія бомбардуючих анод електронів стає достатньою для виривання електронів із внутрішніх оболонок атома, на фоні гальмівного випромінювання з'являються різкі лінії характеристичноговипромінювання. Частоти цих ліній залежать від природи речовини анода, тому їх назвали характерними.

Гальмівне випромінювання - електромагнітне випромінювання, що випускається зарядженою часткою при її розсіюванні (гальмуванні) в електричному полі. dp/dλ hvне може бути більше, ніж енергія eU. іззаконозбереження енергії Найпоширенішим джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка, в якій сильно прискорені електричним полем електрони бомбардують анод (металева мета з важких металів, наприклад W або Pt), відчуваючи на ньому різке гальмування. При цьому виникає рентгенівське випромінювання, що є електромагнітними хвилями з довжиною хвилі приблизно 10 -12 -10 -8 м. Хвильова природарентгенівського випромінювання доведено дослідами щодо його дифракції, розглянутими в § 182.

Дослідження спектрального складу рентгенівського випромінювання показує, що його спектр має складну структуру(Рис. 306) і залежить як від енергії електронів, так і від матеріалу анода. Спектр є накладенням суцільного спектру, обмеженого з боку коротких довжин хвиль деякою межею  min , званої межею суцільного спектру, і лінійного спектру - сукупності окремих ліній, що з'являються на тлі суцільного спектру.

Дослідження показали, що характер суцільного спектра зовсім не залежить від матеріалу анода, а визначається лише енергією електронів, що бомбардують анод. Детальне дослідження властивостей цього випромінювання показало, що воно випромінюється електронами, що бомбардують анод, в результаті їх гальмування при взаємодії з атомами мішені. Суцільний рентгенівський спектр тому називають гальмівним спектром. Цей висновок знаходиться у згоді з класичною теорієювипромінювання, оскільки при гальмуванні зарядів, що рухаються, має дійсно виникати випромінювання з суцільним спектром.

З класичної теорії, однак, не випливає існування короткохвильової межі суцільного спектра. З дослідів випливає, що чим більше кінетична енергія електронів, що викликають гальмівне рентгенівське випромінювання, тим менше  min . Ця обставина, а також наявність самого кордону пояснюються квантовою теорією. Вочевидь, що гранична енергія кванта відповідає такому випадку гальмування, у якому вся кінетична енергія електрона перетворюється на енергію кванта, тобто.

де U- різницю потенціалів, за рахунок якої електрону повідомляється енергія Е max ,  max - частота, що відповідає межі суцільного спектра. Звідси гранична довжина хвилі

У сучасному трактуванні гіпотеза квантів стверджує, що енергія Eколивань атома або молекули може дорівнювати hν, 2 hν, 3 hν і т.д., але немає коливань з енергією в проміжку між двома послідовними цілими, кратними . Це означає, що енергія не безперервна, як вважали протягом століть, а квантується , тобто. існує лише у строго певних дискретних порціях. Найменша порція називається квантом енергії . Гіпотезу квантів можна сформулювати і як твердження про те, що на атомно-молекулярному рівні коливання відбуваються не з будь-якими амплітудами. Допустимі значенняамплітуди пов'язані з частотою коливання ν .

У 1905 р. Ейнштейн висунув сміливу ідею, що узагальнювала гіпотезу квантів, і поклав її в основу нової теоріїсвітла (квантової теорії фотоефекту). Відповідно до теорії Ейнштейна , світло з частотоюν не тільки випускається, як це передбачав Планк, а й поширюється та поглинається речовиною окремими порціями (квантами), енергія яких. Таким чином, поширення світла потрібно розглядати не як безперервний хвильовий процес, а як потік локалізованих у просторі дискретних світлових квантів, що рухаються зі швидкістю поширення світла у вакуумі ( з). Квант електромагнітного випромінювання отримав назву фотон .

Як ми вже говорили, випромінювання електронів з поверхні металу під дією падаючого на нього випромінювання відповідає уявленню про світло як про електромагнітну хвилю, т.к. Електричне поле електромагнітної хвилі впливає на електрони в металі і вириває деякі з них. Але Ейнштейн звернув увагу на те, що деталі фотоефекту, що передбачаються хвильовою теорією і фотонною (квантовою корпускулярною) теорією світла, істотно розходяться.

Отже, ми можемо виміряти енергію електрона, що вилетів, виходячи з хвильової та фотонної теорії. Щоб відповісти на питання, яка теорія краща, розглянемо деякі деталі фотоефекту.

Почнемо з хвильової теорії, і припустимо, що пластина висвітлюється монохроматичним світлом. Світлова хвиляхарактеризується параметрами: інтенсивністю та частотою(або довжиною хвилі). Хвильова теорія передбачає, що з зміні цих показників відбуваються такі явища:

· зі збільшенням інтенсивності світла число вибитих електронів та його максимальна енергія повинні зростати, т.к. більш висока інтенсивність світла означає більшу амплітуду електричного поляа сильніше електричне поле вириває електрони з більшою енергією;

вибитих електронів; кінетична енергія залежить лише від інтенсивності падаючого світла.

Зовсім інше передбачає фотонна (корпускулярна) теорія. Насамперед, зауважимо, що у монохроматичному пучку всі фотони мають однакову енергію (рівну hν). Збільшення інтенсивності світлового пучка означає збільшення числа фотонів у пучку, але не позначається на їхній енергії, якщо частота залишається незмінною. Відповідно до теорії Ейнштейна, електрон вибивається з поверхні металу при зіткненні з ним окремого фотона. У цьому вся енергія фотона передається електрону, а фотон перестає існувати. Т.к. електрони утримуються в металі силами тяжіння, для вибивання електрона з поверхні металу потрібна мінімальна енергія A(яка називається роботою виходу і становить, більшість металів, величину порядку кількох электронвольт). Якщо частота ν падаючого світла мала, енергії і енергії фотона недостатньо для того, щоб вибити електрон з поверхні металу. Якщо ж , то електрони вилітають із поверхні металу, причому енергія у такому процесізберігається, тобто. енергія фотона ( hν) дорівнює кінетичної енергіїелектрона, що вилетів плюс роботі з вибивання електрона з металу:

(2.3.1)

Рівняння (2.3.1) називається рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

На основі цих міркувань, фотонна (корпускулярна) теорія світла передбачає таке.

1. Збільшення інтенсивності світла означає збільшення числа фотонів, що налітають, які вибивають з поверхні металу більше електронів. Але оскільки енергія фотонів одна й та сама, максимальна кінетична енергія електрона не зміниться ( підтверджується I закон фотоефекту).

2. При збільшенні частоти падаючого світла максимальна кінетична енергія електронів лінійно зростає відповідно до формули Ейнштейна (2.3.1). ( Підтвердження II закону фотоефекту). Графік цієї залежності подано на рис. 2.3.

,

Рис. 2.3

3. Якщо частота менша критичної частоти, то вибивання електронів із поверхні не відбувається (III закон).

Отже, бачимо, що передбачення корпускулярної (фотонної) теорії сильно відрізняються від прогнозів хвильової теорії, але дуже добре збігаються з трьома експериментально встановленими законамифотоефекту.

Рівняння Ейнштейна було підтверджено дослідами Міллікена, виконаними у 1913–1914 роках. Основна відмінність від досвіду Столетова в тому, що поверхня металу піддавалася очищенню у вакуумі. Досліджувалась залежність максимальної кінетичної енергії від частоти та визначалася постійна Планка h.

У 1926 р. російські фізики П.І. Лукірський та С.С. Прилежавши для дослідження фотоефекту застосували метод сферичного вакуумного конденсатора. Анодом служили посріблені стінки скляного сферичного балона, а катодом – кулька ( R≈ 1,5 см) із досліджуваного металу, поміщеного у центр сфери. Така форма електродів дозволяла збільшити нахил ВАХ і тим самим точно визначити затримуючу напругу (а отже, і h). Значення постійної Планка h, отримане з цих дослідів, узгоджується зі значеннями, знайденими іншими методами (з випромінювання чорного тіла і короткохвильової межі суцільного рентгенівського спектру). Усе це є доказом правильності рівняння Ейнштейна, а водночас і його квантової теорії фотоефекту.

Для пояснення теплового випромінюванняПланк припустив, що світло випускається квантами. Ейнштейн при поясненні фотоефекту припустив, що світло поглинається квантами. Також Ейнштейн припустив, що світло поширюється квантами, тобто. порціями. Квант світлової енергії отримав назву фотон . Тобто. знову дійшли поняття корпускула (частка).

Найбільш безпосереднє підтвердження гіпотези Ейнштейна дав досвід Боте, де використовувався метод збігу (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Тонка металева фольга Фпоміщалася між двома газорозрядними лічильниками рах. Фольга висвітлювалася слабким пучком рентгенівських променів, під впливом яких вона сама ставала джерелом рентгенівських променів (це явище називається рентгенівською флуоресценцією). Внаслідок малої інтенсивності первинного пучка кількість квантів, що випускаються фольгою, була невелика. При попаданні квантів на лічильник механізм спрацьовував і на паперовій стрічці, що рухається, робилася позначка. Якби випромінювана енергія поширювалася рівномірно на всі боки, як це випливає з хвильових уявлень, обидва лічильники повинні були спрацьовувати одночасно і позначки на стрічці були б одна проти іншої. Насправді ж спостерігалося абсолютно безладне розташування позначок. Це можна пояснити лише тим, що в окремих актах випромінювання виникають світлові частки, що летять то одному, то іншому напрямку. Так було експериментально підтверджено існування спеціальних світлових частинок – фотонів.

Фотон має енергію . Для видимого світла довжина хвилі λ = 0,5 мкм та енергія Е= 2,2 еВ, для рентгенівських променів λ = мкм і Е= 0,5 еВ.

Фотон має інертну масу , яку можна знайти із співвідношення :

;

(2.3.2)

Фотон рухається зі швидкістю світла c= 3 · 10 8 м / с. Підставимо це значення швидкості у вираз для релятивістської маси:

.

Фотон - частка, що не має маси спокою. Вона може існувати тільки рухаючись зі швидкістю світла c .

Знайдемо зв'язок енергії з імпульсом фотона.

Ми знаємо релятивістський вираз імпульсу:

.

(2.3.3)

І для енергії:

.

(2.3.4)

Фотон є безмасовою частинкою і здатний існувати лише у вакуумі. Також він немає ніяких електричних властивостей, тобто його заряд дорівнює нулю. Залежно від контексту розгляду існує різні трактуванняопис фотона. Класична (електродинаміка) представляє його як електромагнітну хвилю, що має кругову поляризацію. Також фотон виявляє властивості частки. Таке двояке уявлення про нього називається корпускулярно-хвильовим дуалізмом. З іншого боку, квантова електродинаміка визначає частинку фотона як калібрувальний бозон, що дозволяє формувати електромагнітну взаємодію.

Серед усіх частинок Всесвіту фотон має максимальну чисельність. Спін (власний механічний момент) фотона дорівнює одиниці. Також фотон може перебувати лише у двох квантових станах, один з яких має проекцію спина на певний напрямок, рівну -1, а інший – рівну +1. Ця квантова властивість фотона відображається в його класичному уявленні як поперечність електромагнітної хвилі. Маса спокою фотона дорівнює нулю, з чого випливає його швидкість поширення, рівна швидкостісвітла.

Частка фотона немає електричних властивостей (заряду) і досить стабільна, тобто фотон неспроможний мимоволі розпадатися у вакуумі. Ця частка випромінюється у багатьох фізичних процесівнаприклад, при русі електричного заряду з прискоренням, а також енергетичних стрибках ядра атома або самого атома з одного стану в інший. Також фотон здатний поглинатися під час зворотних процесів.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм фотона

Корпускулярно-хвильовий дуалізм, властивий фотону, проявляється у численних фізичних експериментів. Фотонні частинки беруть участь у таких хвильових процесах, як дифракція та інтерференція, коли розміри перешкод (щілин, діафрагм) можна порівняти з розміром самої частки. Особливо це яскраво помітно у дослідах із дифракцією одиночних фотонів на єдиній щілині. Також точковість і корпускулярність фотона проявляється у процесах поглинання та випромінювання об'єктами, розміри яких значно менші за довжину хвилі фотона. Але з іншого боку, уявлення фотона як частинки теж є повноцінним, бо воно спростовується кореляційними експериментами, заснованими на заплутаних станах елементарних частинок. Тому прийнято розглядати частинку фотона, в тому числі як хвилю.

Відео на тему

Джерела:

• Фотон 1099: все про машину

Головнеквантове число- це ціле числощо є визначенням стану електрона на енергетичному рівні. Енергетичний рівень – це набір стаціонарних станівелектрону в атомі з близькими значеннями енергії. Головнеквантове числовизначає віддаленість електрона від ядра, та характеризує енергію електронів, які цей рівень займають.

Сукупність чисел, що характеризують стан, називаються квантовими числами. Хвильову функціюелектрона в атомі, його унікальний стан визначають чотири квантові числа - головне, магнітне, орбітальне і сплін - момент руху елементарної , виражений в кількісному значенні. Головнеквантове числомає n. Якщо головне квантове числозбільшується, відповідно збільшується і орбіта, і енергія електрона. Чим менше значення n, тим більше значення енергетичної взаємодіїелектрона. Якщо сумарна енергія електронів є мінімальною, стан атома називається незбудженим чи основним. Стан атома з високим значенняменергії називається збудженим. На рівні найбільше числоелектронів можна визначити формулою N = 2n2. Коли відбувається перехід електрона з одного енергетичного рівня на інший, змінюється і головне квантове число.У квантовій теорії твердження, що енергія електрона квантується, тобто може приймати лише дискретні, певні значення. Щоб знати стан електрона в атомі, необхідно враховувати енергію електрона, форму електронного та інших параметрів. З області натуральних чисел, де n може дорівнювати 1 і 2, і 3 і так далі, головне квантове числоможе приймати будь-яке значення. У квантовій теорії енергетичні рівніпозначають літерами, значення n – числами. Номер періоду, де знаходиться елемент, дорівнює числуенергетичних рівнів в атомі, що знаходиться в основному стані. Усі енергетичні рівні складаються з підрівнів. Підрівень складається з атомних орбіталей, які визначаються, характеризуються головним квантовим числом n, орбітальним числом l і квантовим числом ml. Число підрівнів кожного рівня не перевищує значення n. Хвильове рівняння Шредінгера є найзручнішим електронної будовиатома.

Квантова фізика стала величезним поштовхом у розвиток науки у XX столітті. Спроба описати взаємодію найдрібніших частинок зовсім іншим чином, за допомогою квантової механіки, коли деякі проблеми класичної механіки вже здавалися нерозв'язними, справила революцію.

Причини виникнення квантової фізики

Фізика – , що описує закони, якими функціонує світ. Ньютонівська, чи класична виникла ще Середні віки, яке передумови можна було бачити в давнину. Вона добре пояснює все, що відбувається на масштабах, сприйманих людиною без додаткових вимірювальних приладів. Але люди зіткнулися з безліччю протиріч, коли почали вивчати мікро- та макросвіт, досліджувати як найдрібніші частинки, з яких складається речовина, так і гігантські галактики, що оточують рідній людині Чумацький шлях. Виявилось, що класична фізика підходить не для всього. Саме так з'явилася квантова фізика – наука, квантово-механічні та квантово-польові системи. Технічні прийомидля вивчення квантової фізики – це квантова механіка та квантова теоріяполя. Вони також використовуються і в інших суміжних розділах фізики.

Основні положення квантової фізики порівняно з класичною

Тим, хто тільки знайомиться з квантовою фізикою, її положення нерідко здаються нелогічними або абсурдними. Однак, вникаючи в них глибше, простежити логіку набагато простіше. Найпростіше дізнаватися про основні положення квантової фізики, порівнюючи її з класичною.

Якщо в класичній вважається, що природа незмінна, хоч би якими способами вчені її не описували, то в квантової фізикирезультат спостережень дуже залежатиме від того, яким способом вимірювання користуватися.

Відповідно до законів механіки Ньютона, які є основою класичної фізики, частка (або матеріальна точка) у кожний момент часу має певне положення та швидкість. У квантової механікице не так. В її основі принцип суперпозиції відстаней. Тобто, якщо квантова частка може перебувати в одному та в іншому стані, то, значить, вона може перебувати і в третьому стані – у сумі двох попередніх (це називається лінійна комбінація). Тому не можна точно визначити, де буде частинка в певний момент часу. Можна лише обчислити ймовірність її перебування будь-де.

Якщо в класичної фізикиможна побудувати траєкторію руху фізичного тіла, то в квантовій – лише розподіл ймовірностей, що змінюватиметься у часі. При цьому максимум розподілу завжди є там, де його визначає класична механіка! Це дуже важливо, тому що дозволяє, по-перше, простежити зв'язок між класичною і квантовою механікою, а по-друге, показує, що вони не суперечать один одному. Можна сказати, що класична фізика є окремим випадком квантової.

Імовірність у класичній фізиці утворюється, коли досліднику невідомі якісь властивості об'єкта. У квантовій фізиці ймовірність є фундаментальною і присутня завжди, незалежно від ступеня незнання.

У класичній механіці допускаються будь-які значення енергії та швидкості для частки, а в квантовій – лише певні значення, «квантовані». Їх називають власними значеннямикожному з яких відповідає власний стан. Квант - це "порція" будь-якої величини, яку не можна розділити на складові.

Один із фундаментальних принципів квантової фізики – Принцип невизначеності Гейзенберга. У ньому йдеться про те, що ніяк не вдасться одночасно з'ясувати і швидкість, і положення частинки. Виміряти можна тільки щось одне. Причому, чим краще прилад виміряє швидкість частинки, тим менше буде відомо про її положення, і навпаки.

Справа в тому, що для того, щоб частинку виміряти, потрібно на неї «подивитися», тобто відправити в її бік частинку світла – фотон. Цей фотон, про який досліднику все відомо, зіткнеться з вимірюваною частинкою і змінить свої властивості. Це приблизно те саме, що вимірювати швидкість автомобіля, що рухається, посилаючи інший автомобіль з відомою швидкістю йому назустріч, а потім, за зміною швидкість і траєкторії другого автомобіля дослідити перший. У квантовій фізиці досліджуються настільки малі об'єкти, що навіть фотони – частки світла – змінюють їх властивості.

Світло і тепло, смак і запах, колір та інформація – все це нерозривно пов'язане з фотонами. Більше того, життя рослин, тварин і людини неможливе без цієї дивовижної частки.

Вважається, що у Всесвіті близько 20 мільярдів фотонів припадає на кожен протон чи нейтрон. Це фантастично величезна цифра.

Але що ми знаємо про цю найпоширенішу частинку в навколишньому світі?

Одні вчені вважають, що швидкість руху фотона дорівнює швидкості світла у вакуумі, тобто. приблизно 300 000 км/сек і це максимально можлива швидкість у Всесвіті.

Інші вчені вважають, що у Всесвіті достатньо прикладів, у яких швидкості частинок вищі, ніж швидкість світла.

Одні вчені вважають, що фотон електрично нейтральний.

Інші - вважають, що фотон має електричний заряд(за деякими даними, менше 10 -22 ев/сек 2).

Одні вчені вважають, що фотон є безмасовою частинкою і, на їхню думку, маса фотона в стані спокою дорівнює нулю.

Інші - вважають, що фотон має масу. Щоправда, дуже невелика. Цієї точки зору дотримується і ряд дослідників, по-різному визначаючи масу фотона: менш ніж 6 х 10 -16 еВ, 7 х 10 -17 еВ, 1 х 10 -22 еВ і навіть 3 х 10 -27 еВ, що в мільярди разів менше маси електрона.

Одні вчені вважають, що відповідно до законів відбиття і заломлення світла, фотон є частинкою, тобто. корпускулу. (Евклід, Лукрецій, Птолемей, І. Ньютон, П. Гассенді)

Інші (Р. Декарт, Р. Гук, Х. Гюйгенс, Т. Юнг та О. Френель), спираючись на явища дифракції та інтерференції світла, вважають, що фотон має хвильову природу.

При випромінюванні чи поглинанні атомними ядрамита електронами, а також при фотоефекті фотон поводиться як частка.

А при проходженні через скляну призмуабо невеликий отвір у перешкоді фотон демонструє свої яскраві властивості хвиль.

Компромісне рішення французького вченого Луї де Бройля, в основі якого лежить корпускулярно-хвильовий дуалізм, який стверджує, що фотони мають і властивості частинки, і властивості хвилі, не є відповіддю на це питання. Корпускулярно-хвильовий дуалізм – це лише тимчасова домовленість, Заснована на абсолютному безсиллі вчених відповісти на це вкрай важливе питання.

Звісно, ​​ця домовленість дещо заспокоїла ситуацію, але не вирішила проблеми.

Виходячи з цього, ми можемо сформулювати перше питанняпов'язаний з фотоном

Питання перше.

Фотони – це хвилі чи частинки? А, може, і те, й інше чи не те й не інше?

Далі. У сучасної фізикифотон - це елементарна частка, що є квантом (порцією) електромагнітного випромінювання. Світлотакож є електромагнітним випромінюванням і фотон прийнято вважати переносником світла. У нашій свідомості це досить міцно зміцнилося і фотон, передусім, пов'язують зі світлом.

Разом з тим, крім світла існують інші види електромагнітного випромінювання: гамма-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне, мікрохвильове та радіовипромінювання. Вони відрізняються один від одного довжиною хвилі, частотою, енергією та мають свої особливості.

Види випромінювань та їх короткі характеристики

Переносником всіх видів електромагнітного випромінювання фотон. Він, на думку вчених, є єдиним для всіх. Разом з тим кожен вид випромінювання характеризується різною довжиною хвилі, частотою коливання і різною енергією фотонів. Значить, різними фотонами? Здавалося б, кількості різних видів електромагнітних хвильмає відповідати однакову кількість різних видів фотонів. Але фотон у сучасній фізиці поки що лише один.

Виходить науковий феномен - випромінювання різні, їх властивості теж різні, а фотон, який переносить ці випромінювання, єдиний.

Наприклад, гамма-випромінювання та рентгенівське випромінювання долають перешкоди, а ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання та видиме світло, маючи більшу довжину хвилі, але меншу енергію – ні. Разом з тим, мікрохвильове та радіохвильове випромінювання мають ще більшу довжину хвилі та ще меншу енергію, але долає товщу води та бетонні стіни. Чому?

Проникні здібності фотонів при різних випромінюваннях

Тут виникають одразу два питання.

Питання друге.

Чи дійсно всі фотони однакові у всіх видах випромінювань?

Питання третє.

Чому фотони одних видів випромінювань долають перепони, а інших видів випромінювань – ні? У чому справа – у випромінюваннях чи у фотонах?

Існує думка, що фотон - це найдрібніша безструктурна частка у Всесвіті. Наука поки що не змогла визначити щось, що було б менше фотона. Але чи це так? Адже свого часу і атом вважався неподільним і найдрібнішим у навколишньому світі. Тому логічне і четверте питання:

Питання четверте.

Чи є фотон найдрібнішою та безструктурною частинкою чи він складається з ще дрібніших утворень?

Крім того, вважається, що маса спокою фотона дорівнює нулю, а в русі у нього проявляється і маса, і енергія. Але тоді виникає і

питання п'яте:

фотон – це матеріальна частка чи ні? Якщо фотон матеріал, то куди пропадає його маса у спокої? Якщо він нематеріальний, то чому фіксуються його цілком матеріальні взаємодії з навколишнім світом?

Отже, маємо п'ять загадкових питань, пов'язаних із фотоном. І вони на сьогоднішній день не мають чітких відповідей. За кожним із них стоять свої проблеми. Проблеми, які ми намагатимемося сьогодні розглянути.

У своїх подорожах «Дихання Всесвіту», «Глибини Всесвіту» та «Сили Всесвіту» ми через призму устрою та функціонування Всесвіту досить глибоко розглядали всі ці питання. Ми простежили весь шлях формування фотонів від виникнення фундаментальних частинок - ефірних вихрових згустків до галактик та їх скупчень. Смію сподіватися, що у нас вийшла досить логічна та системно облаштована картина світу. Тому припущення про будову фотона стало логічним кроком у системі знань про наш Всесвіт.

Будова фотонів

Фотон постав перед нами не як частка і не як хвиля, а як конусоподібна пружинка, що обертається, з початком, що розширюється, і з кінцем, що звужується..

Пружинна конструкція фотона дозволяє відповісти практично на всі питання, що виникають при вивченні явищ природи та результатів експериментів.

Ми згадували, що переносниками різних видів електромагнітного випромінювання є фотони. Разом з тим, незважаючи на те, що науці відомі різні видиелектромагнітного випромінювання: гамма-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне, мікрохвильове випромінювання та радіовипромінювання, фотони-переносники, які задіяні у цих процесах не мають своїх різновидів. Тобто, на думку деяких вчених будь-якийвид випромінювання переноситься якимось універсальним видом фотонів, який однаково успішно проявляє себе і процесах гамма-випромінювання, і процесах радіовипромінювання, й у будь-яких інших видах випромінювань.

Не можу погодитися з цією позицією, оскільки природні явищасвідчать у тому, що це відомі електромагнітні випромінювання істотно відрізняються друг від друга як параметрами (довжиною хвилі, частотою, енергетичними можливостями), а й своїми властивостями. Наприклад, гамма-випромінювання легко проникає крізь будь-які перешкоди, а видиме випромінювання цими перешкодами легко зупиняється.

Отже, в одному випадку фотони можуть переносити випромінювання крізь перешкоди, а в іншому, ті ж фотонивже безсилі щось подолати. Цей факт змушує задуматися про те, чи дійсно фотони настільки універсальні або вони мають свої різновиди, що узгоджуються з властивостями різних електромагнітних випромінюваньу Всесвіті.

Думаюправильним, кожному виду випромінювання визначити свій різновидфотонів. На жаль, такої градації поки що сучасній науціНЕ мається. Але це не лише легко, а й конче необхідно виправити. І це цілком зрозуміло, тому що випромінювання та їх параметри змінюються, а фотони в сучасній інтерпретації представлені лише одним загальним поняттям – «фотоном». Хоча, слід визнати, що зі зміною параметрів випромінювань у довідковій літературі змінюються параметри фотонів.

Ситуація подібна до застосування загального поняття"автомобіль" до всіх його марок. Але ці марки є різними. Ми можемо придбати "Ладу", "Мерседес", "Вольво" або "Тойоту". Всі вони підходять під поняття «автомобіль», але всі вони різні і на вигляд, і на технічним характеристикам, та за вартістю.

Тому, буде логічно, якщо як переносники гамма-випромінювання ми запропонуємо фотони гамма-випромінювання, рентгенівського випромінювання- фотони рентгенівського випромінювання, ультрафіолетового випромінювання- фотони ультрафіолетового випромінювання тощо. Всі ці види фотонів відрізнятимуться один від одного довжиною витків (довжиною хвилі), швидкості обертання (частотою коливання) та енергією, яку вони переносять.

Фотони гамма-випромінювання та рентгенівського випромінювання є стиснутою пружинкою з мінімальними розмірами і з концентрованою енергією в цьому маленькому обсязі. Тому вони виявляють властивості частки і легко долають перешкоди, просуваючись між молекулами та атомами речовини.

Фотони ультрафіолетового випромінювання, видиме світло та фотони інфрачервоного випромінювання- це та сама пружинка, тільки розтягнута. Енергія в цих фотонах залишилася незмінною, але вона розподілилася по більш витягнутому тілу фотона. Збільшення довжини фотона дозволяє виявляти властивості хвилі. Однак збільшення діаметра фотона не дозволяє йому проникати між молекулами речовини.

Фотони мікрохвильового та радіовипромінювань мають ще більш розтягнуту конструкцію. Довжина радіохвиль може досягати кількох тисяч кілометрів, але вони мають невелику енергію. Вони легко проникають крізь перешкоди, ніби вкручуються в речовину перешкоди, обминаючи молекули та атоми речовини.

У Всесвіті всі види фотонів поступово перетворюється з фотонів гамма-випромінювання. Фотони гамма-випромінювання первинні. При русі в просторі зменшується швидкість їх обертання і вони послідовно перетворюються на фотони рентгенівського випромінювання, а ті, у свою чергу - на фотони ультрафіолетового випромінювання, які перетворюються на фотони видимого світла і т.д.

Тому, фотони гамма-випромінювання перетворюються на фотони рентгенівського випромінювання. Ці фотони матимуть більшу довжину хвилі і меншу частоту обертання. Потім фотони рентгенівського випромінювання перетворюються на фотони ультрафіолетового випромінювання, а вони - у видиме світло і т.д.

Найбільш яскравий прикладцього перетворення на динаміці ми можемо спостерігати при ядерному вибуху.

Ядерний вибух та зони його вражаючої дії

В процесі ядерного вибухупротягом декількох секунд потік фотонів гамма-випромінювання проникає в навколишнє середовищена відстань приблизно 3 км. Далі гамма-випромінювання припиняється, але фіксується рентгенівське випромінювання. Вважаю, що при цьому фотони гамма-випромінювання перетворюються на фотони рентгенівського випромінювання, а вони, послідовно, на фотони ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного випромінювання. Потік фотонів відповідно викликає виникнення вражаючих факторівядерного вибуху - проникаючу радіацію, світлове випромінювання та пожежі.

У роботі «Глибини Всесвіту» ми детально розглянули будову фотонів та процеси їх формування та функціонування. Нам стало зрозуміло, що фотони складаються з різного діаметра кільцеподібних енергетичних фракцій, з'єднаних один з одним.

Будова фотона

Фракції формуються із фундаментальних частинок - дрібних ефірних вихрових згустків, які являють собою ефірні щільностіості. Ці ефірні щільності цілком матеріальні, як матеріал ефір і весь навколишній світ. Ефірні густини визначають показники маси ефірних вихрових згустків. Маса згустків становить масу фракцій, які масу фотона. І не важливо в русі або у спокої він перебуває. Тому фотон цілком матеріалі має свою цілком певну масу і в спокої, і в русі.

Ми вже отримали пряме підтвердження нашого уявлення про будову фотона та його склад під час експериментів. Сподіваюся, що незабаром ми опублікуємо всі отримані результати. Більше того, такі результати були отримані і в закордонних лабораторіях. Отже, є підстави припускати, що ми на вірному шляху.

Отже, ми відповіли на низку питань про фотон.

Фотон, у нашому розумінні, - це не частка і не хвиля, а пружинка, яка в різних умовахможе стискатися до розмірів частинок, а може і розтягуватися, виявляючи властивості хвилі.

Фотони мають свої різновиди залежно від виду випромінювань і можуть бути фотонами гамма-випромінювання, фотонами рентгенівського випромінювання, фотонами ультрафіолетового, видимого, інфрачервоного та мікрохвильового випромінювань, а також фотонами радіовипромінювання.

Фотон матеріал і має масу. Він не є найдрібнішою часткоюу Всесвіті, а складається з ефірних вихрових згустків та енергетичних фракцій.

Розумію, що це дещо несподіване та незвичне трактування фотона. Однак я виходжу не з загальноприйнятих правил і постулатів, прийнятих уже багато років тому без зв'язку з процесами загального розвиткусвіту. А з логіки, яка виходить із законів устрою світу, які є ключем від дверей, що ведуть до Істини.

Разом з тим, у 2013 році було вручено Нобелівські преміїз фізики Пітера Хіггса і Франсуа Енглера, які в 1964 році незалежно один від одного припустили існування в природі ще однієї частинки - нейтрального бозона, який з легкої руки нобелівського лауреатаЛ. Ледермана була названа «часткою Бога», тобто тієї першооснови, тієї першої цеглинки, з якої було сконструйовано всю нашу навколишній світ. У 2012 році, проводячи експерименти зі зіштовхування на великих швидкостях пучків протонів два знову ж таки незалежні наукових спільнотзнову ж таки практично одночасно проанонсували виявлення частинки, параметри якої збіглися між собою і відповідали значенням, передбаченим П. Хіггсом та Ф. Енглером.

Як таку частинку виступав зареєстрований у ході експериментів нейтральний бозон, час життя якого було не більше 1,56 х 10 -22 секунд, а маса більш ніж у 100 разів перевищувала масу протона. Цій частинці приписували можливість повідомляти масу всього того матеріального, що є в цьому світі - від атома до скупчення галактик. Більш того, передбачалося, що ця частка є прямим свідченням наявності деякого гіпотетичного поля, проходячи через яке всі частки набувають ваги. Ось таке чарівне відкриття.

Проте загальна ейфорія від цього відкриття тривала недовго. Тому що постали питання, які не могли не виникнути. Справді, якщо бозон Хіггса реально є «часткою Бога», то чому його «життя» таке швидкоплинне? Розуміння Бога завжди пов'язувалося з вічністю. Але якщо вічний Бог, то і будь-яка Його частка також має бути вічною. Це було б логічно та зрозуміло. Але «життя» бозона тривалістю в секунду з двадцятьма двома нулями після коми не дуже в'яжеться з вічністю. Навіть миттю це важко назвати.

Більше того, якщо вже й говорити про «частку Бога», то необхідно чітко розуміти, що вона повинна знаходитися в усьому, що нас оточує і являти собою самостійну, довготривалу і мінімально можливу об'ємну сутність, яка становить усі відомі частки нашого світу.

З цих божественних частинок поступово крок за кроком мав би будуватися наш світ. З них повинні складатися частинки, з частинок - атоми і так до зірок, галактик та Всесвіту. Всі відомі та невідомі поля так само повинні бути пов'язані з цією чарівною часткою і передавати не тільки масу, а й будь-яку іншу взаємодію. Думаю, це логічно і не суперечить здоровому глузду. Тому що, якщо ми пов'язуємо цю частинку з божественним початком, то повинні мати і адекватну відповідь на наші очікування.

Однак, ми вже бачили, що маса бозона Хіггса значно перевершує навіть масу протону. Але як із великого можна побудувати мале? Як вмістити слона в мишковій нірці?! Ніяк.

Вся ця тема, чесно зізнатися, не дуже прозора та обґрунтована. Хоча, можливо, я щось і не зовсім розумію через свою недостатню компетенцію, проте бозон Хіггса, на моє глибоке переконання, під «частку Бога» не дуже підходить.

Інша річ фотон. Ця чудова частка повністю перетворила життя людини на планеті.

Завдяки фотонам різних випромінювань ми бачимо навколишній світ, насолоджуємось сонячним світломі теплом, ми слухаємо музику та дивимося телевізійні новиниДіагностуємо і лікуємо, перевіряємо і дефектуємо метали, заглядаємо в космос і проникаємо в глиб речовини, спілкуємося один з одним на відстані по телефону ... Життя без фотонів було б немислиме. Вони не просто частина нашого життя. Вони – наше життя.

Фотони, по суті, - головний інструмент спілкування Людини з навколишнім світом.Тільки вони дозволяють нам поринути в навколишній світ і за допомогою зору, нюху, дотику і смаку зрозуміти його і захопитися його красою та багатобарвністю. Все це завдяки їм фотонам.

І ще. Це, мабуть, головне. Тільки фотони несуть світло! А за всіма релігійними канонами Бог і породив це світло. Більш того, Бог – і є світло!

Ну, як тут пройти повз спокусу і не назвати фотон реальною «часткою Бога»!Фотон і тільки фотон може на це претендувати найвище звання! Фотон – це світло! Фотон – це тепло! Фотон – це все буяння фарб світу! Фотон - це запашні запахи та тонкі смаки! Життя без фотонів – не буває! А якщо й буває, то комусь вона потрібна таке життя. Без світла та тепла, без смаку та запаху. Нікому.

Тому, якщо вже й говорити про частинці Бога, то треба говорити тільки про фотоне- про цей дивовижний подарунок, переданий нам Вищими Силами. Але й те, але алегорично. Тому що Бог не може мати частинок. Бог єдиний і цілісний і Його не можна розділити на жодні частинки.

Діаграма Фейнмана для розсіювання фотона на фотоні. Самі фотони що неспроможні взаємодіяти друг з одним, оскільки вони - нейтральні частки. Тому один з фотонів перетворюється на пару частинка-античастка, з якою взаємодіє інший фотон.

Фізики з колаборації ATLAS вперше зареєстрували ефект розсіювання квантів світла, фотонів, фотонів. Цей ефект - одне з найстаріших пророцтв квантової електродинаміки, він був описаний теоретично більше 70 років тому, але досі не був виявлений експериментально. Цікаво, що він порушує класичні рівняння Максвелла, будучи чисто квантовим явищем. Дослідження було опубліковано цього тижня у журналі Nature Physics,проте препринт статті вийшов ще у лютому 2017 року. Подробиці про нього повідомляв портал «Елементи.ру»

Однією з головних властивостей класичної максвеллівської електродинаміки є принцип суперпозиції для електромагнітних полів у вакуумі. Він дозволяє безпосередньо складати поля від різних зарядів. Оскільки фотони - це порушення полів, то рамках класичної електродинаміки вони можуть взаємодіяти друг з одним. Натомість вони повинні вільно проходити один через одного.

Магніти детектора ATLAS

Квантова електродинаміка розширює дію класичної теорії на рух заряджених частинок з навколосвітловими швидкостями, крім того, вона враховує квантування енергії полів. Завдяки цьому у квантовій електродинаміці можна пояснити незвичайні явища, пов'язані з високоенергетичними процесами - наприклад, народження з вакууму пар електронів та позитронів у полях високої інтенсивності.

В рамках квантової електродинаміки два фотони можуть зіткнутися один з одним і розсіятися. Але цей процес йде не безпосередньо - кванти світла незаряджені і не можуть взаємодіяти один з одним. Натомість відбувається проміжне утворення віртуальної пари частка-античастка (електрон-позитрон) з одного фотона, з якою і взаємодіє другий фотон. Такий процес дуже малоймовірний квантів видимого світла. Оцінити це можна з того, що світло від квазарів, віддалених на 10 мільярдів світлових років, досягає Землі. Але зі зростанням енергії фотонів ймовірність процесу народження віртуальних електронів зростає.

Досі інтенсивності та енергій навіть найпотужніших лазерів не вистачало для того, щоб побачити розсіювання фотонів безпосередньо. Однак дослідники вже знайшли спосіб побачити цей процес опосередковано, наприклад, у процесах розпаду одного фотона на пару низькоенергетичних квантів поблизу важкого ядра атома.

Побачити розсіяння фотона на фотоні вдалося лише у Великому адронному колайдері. Процес став помітним в експериментах після збільшення енергії частинок в прискорювачі в 2015 році - із запуском Run 2. Фізики колаборації ATLAS досліджували процеси «ультрапериферійних» зіткнень між важкими ядрами свинцю, розігнаними колайдером до енергій 5 тераелектронвольт. У таких зіткненнях самі ядра не стикаються між собою прямо. Натомість відбувається взаємодія їх електромагнітних полів, у яких виникають фотони величезних енергій (це пов'язано з близькістю швидкості ядер до швидкості світла).

Подія розсіювання фотона на фотоні (жовті пучки)

Ультрапериферійні зіткнення вирізняються великою чистотою. У них, у разі успішного розсіювання, виникає лише пара фотонів із спрямованими в різні сторонипоперечними імпульсами. На противагу цьому звичайні зіткнення ядер утворюють тисячі нових частинок-уламків. Серед чотирьох мільярдів подій, зібраних ATLAS у 2015 році, на статистиці зіткнень ядер свинцю вченим вдалося відібрати 13, що відповідають розсіянню. Це приблизно в 4,5 рази більше, ніж фоновий сигнал, який очікували побачити фізики.

Схема процесу розсіювання у колайдері. Два ядра пролітають поблизу - їх електромагнітні полявзаємодіють

The ATLAS Collaboration

Колаборація продовжить досліджувати процес наприкінці 2018 року, коли на колайдері знову пройде сеанс зіткнень важких ядер. Цікаво, що саме детектор ATLAS виявився придатним для пошуку рідкісних подійрозсіювання фотонів на фотонах, хоча для аналізу зіткнень важких ядер було спеціально розроблено інший експеримент – ALICE.

Нині на Великому адронному колайдері набір статистики протон-протонних зіткнень. Нещодавно вчені про відкриття на прискорювачі першого двічі зачарованого баріону, а також навесні фізики колаборації ATLAS про незвичайний надлишок подій народження двох бозонів слабкої взаємодії в галузі високих енергій (близько трьох тераелектроновольт). Він може вказувати на нову надважку частинку, проте статистична значимістьсигналу поки що не перевищує трьох сигма.

Володимир Корольов