Энергия и импульс фотона кратко
Обновлено: 05.07.2024
В результате исследования явлений, связанных с взаимодействием света и вещества (тепловое излучение и фотоэффект), физики пришли к выводу, что свет состоит из отдельных порций энергии — фотонов. Излучение света, его распространение и поглощение происходит строго этими порциями.
Фотоны обладают энергией и импульсом и могут обмениваться ими с частицами вещества (скажем, с электронами или атомами). При этом мы говорим о столкновении фотона и частицы. При упругом столкновении фотон меняет направление движения — свет рассеивается. При неупругом столкновении фотон поглощается отдельной частицей или совокупностью частиц вещества — так происходит поглощение света.
Словом, фотон ведёт себя как частица и поэтому — наряду с электроном, протоном, нейтроном и некоторыми другими частицами — причислен к разряду элементарных частиц.
Энергия фотона
Выражение для энергии фотона с частотой мы уже знаем:
Часто бывает удобно работать не с обычной частотой , а с циклической частотой .
Выражение (1) для энергии фотона примет вид:
Фотон движется в вакууме со скоростью света и потому является релятивистской частицей: описывая фотон, мы должны привлекать формулы теории относительности. А там имеется такая формула для энергии тела массы , движущегося со скоростью :
Если предположить, что , то формула (2) приводит к бессмысленному заключению: энергия фотона должна быть бесконечной. Чтобы избежать этого противоречия, остаётся признать, что масса фотона равна нулю. Формула (2) позволяет сделать и более общий вывод: только безмассовая частица может двигаться со скоростью света.
Импульс фотона
Обладая энергией, фотон должен обладать и импульсом. Действительно, важнейшая формула теории относительности даёт связь энергии и импульса частицы:
Для фотона, имеющего нулевую массу, эта формула сводится к простому соотношению:
Отсюда для импульса фотона получаем:
Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча.
Учитывая, что отношение есть длина волны , формулу (4) можно переписать так:
В видимом диапазоне наименьшими значениями энергии и импульса обладают фотоны красного света — у них самая маленькая частота (и самая большая длина волны). При движении в сторону фиолетового участка спектра энергия и импульс фотона линейно возрастают с частотой.
Давление света
Свет оказывает давление на освещаемую поверхность. Такой вывод был сделан Максвеллом из теоретических соображений и получил экспериментальное подтверждение в знаменитых опытах П.Н. Лебедева. Если понимать
свет как поток фотонов, обладающих импульсом , то можно легко объяснить давление света и вывести формулу Максвелла.
Предположим, что на некоторое тело падает свет частоты . Лучи направлены перпендикулярно поверхности тела; площадь освещаемой поверхности равна (рис. 1 ).
Рич. 1. Давление света
Пусть — концентрация фотонов падающего света, то есть число фотонов в единице объёма.
За время на нашу поверхность попадают фотоны, находящиеся внутри цилиндра высотой .
При падении света на поверхность тела часть световой энергии отражается, а часть — поглощается. Пусть — коэффициент отражения света; величина показывает, какая часть световой энергии отражается от поверхности. Соответственно, величина — это доля падающей энергии, поглощаемая телом.
Как мы теперь знаем, энергия света пропорциональна числу фотонов. Поэтому можно написать, какое количество фотонов (из общего числа ) отразится от поверхности, а какое — поглотится ею:
Импульс каждого падающего фотона равен . Поглощённый фотон испытывает неупругое столкновение с телом и передаёт ему импульс . Отражённый фотон после упругого столкновения меняет направление своего импульса на противоположное, и поэтому импульс, переданный телу отражённым фотоном, равен .
Таким образом, от каждого фотона, входящего в световой поток, тело получает некоторый импульс. Вот простая и очевидная причина того, что свет оказывает давление на освещаемую поверхность.
Суммарный импульс, полученный телом от падающих фотонов, равен:
На нашу поверхность действует сила , равная импульсу, полученному телом в единицу времени:
Давление света есть отношение этой силы к площади освещаемой поверхности:
Выражение имеет простой физический смысл: будучи произведением энергии фотона на число фотонов в единице объёма, оно равно энергии света в единице объёма, то есть объёмной плотности энергии . Тогда соотношение (6) приобретает вид:
Это и есть формула для давления света, теоретически выведенная Максвеллом (в рамках классической электродинамики) и экспериментально проверенная в опытах Лебедева.
Двойственная природа света
В результате рассмотрения всей совокупности оптических явлений возникает естественный вопрос: что же такое свет? Непрерывно распределённая в пространстве электромагнитная волна или поток отдельных частиц — фотонов? Теория и эксперименты приводят к заключению, что оба ответа должны быть утвердительными.
1. Явления интерференции и дифракции света, характерные для любых волновых процессов, не оставляют сомнений в том, что свет есть форма волнового движения материи.
Таким образом, мы должны признать: да, свет имеет волновую природу, свет — это электромагнитная волна.
2. Однако явления взаимодействия света и вещества (например, фотоэффект) указывают на то, что свет ведёт себя как поток отдельных частиц. Эти частицы — фотоны — ведут, так сказать, самостоятельный образ жизни, обладают энергией и импульсом, участвуют во взаимодействиях с атомами и электронами. Излучение света — это рождение фотонов.
Распространение света — это движение фотонов в пространстве. Отражение и поглощение света — это соответственно упругие и неупругие столковения фотонов с частицами вещества.
Все попытки истолковать указанные явления излучения и поглощения света в рамках волновых представлений классической физики окончились неудачей. Оставалось лишь согласиться с тем, что свет имеет корпускулярную природу (от латинского слова corpusculum — маленькое тельце, частица), свет — это совокупность фотонов, мчащихся в пространстве.
Таким образом, свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу — он может проявлять себя то так, то эдак. В одних явлениях (интерференция, дифракция) на передний план выходит волновая природа, и свет ведёт себя в точности как волна. Но в других явлениях (фотоэффект) доминирует корпускулярная природа, и свет ведёт себя подобно потоку частиц.
Странно всё это, не правда ли? Но что поделать — так устроена природа. Мы, люди, живём среди макроскопических тел, и наше воображение оказалось не способным полноценно представить себе явления микромира.
Природа, однако, неизмеримо шире и богаче того, что может вместить в себя человеческое воображение. Признав это и руководствуясь не столько собственным воображением, сколько наблюдениями, результатами экспериментов и весьма изощрённой математикой, люди начали успешно создавать квантовую теорию микроскопических явлений и процессов.
О некоторых парадоксальных на первый взгляд — но тем не менее подтверждённых экспериментально! — выводах квантовой теории мы поговорим в следующем листке.
Фотон - материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).
Основные свойства фотона
- Является частицей электромагнитного поля.
- Движется со скоростью света.
- Существует только в движении.
- Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.
Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда - масса фотона.
Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку.
Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.
Давление света
В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие(благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v - направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).
Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:
При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).
Это давление оказалось ~4 . 10 -6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н.Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.
Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом
Эффект Комптона (1923)
А. Комптон на опыте подтвердил квантовую теорию света. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах без какого-либо изменения частоты излучения, что опытом не подтверждается.
При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А. Комптона можно объяснить следующим образом.
Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон - электрон:
где m0c 2 - энергия неподвижного электрона; hv - энергия фотона до столкновения; hv' - энергия фотона после столкноВЕНИЯ, P и p' - импульсы фотона до и после столкновения; mv - импульс электрона после столкновения с фотоном.
Решение системы уравнений для энергии и импульса с учетом того, что дает формулу для измерения длины волны при рассеянии фотона на (неподвижных) электронах:
где - так называемая комптоновская длина волны.
Корпускулярно-волновой дуализм
Конец XIX в.: фотоэффект и эффект Комптона подтвердили теорию Ньютона, а явления дифракции, интерференции света подтвердили теорию Гюйгенса.
Таким образом, многие физики в начале XX в. пришли к выводу, что свет обладает двумя свойствами:
- При распространении он проявляет волновые свойства.
- При взаимодействии с веществом проявляет корпускулярные свойства. Его свойства не сводятся ни к волнам, ни к частицам.
Чем больше v, тем ярче выражены квантовые свойства света и менее - волновые.
Итак, всякому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. Поэтому то, как проявляет себя фотон - как волна или как частица,—зависит от характера проводимого над ним исследования.
В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц.
Энергия и импульс фотона
При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией Е = hν, зависящей от частоты.
Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей.
Свойства света, обнаруживаемые при его излучении и поглощении, назвали корпускулярными.
Сама же световая частица была названа фотоном, или квантом электромагнитного излучения.
Фотон, подобно частице, обладает определенной порцией энергии hν.
Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую частоту ω = 2πν.
При этом в формуле для энергии фотона в качестве коэффициента пропорциональности вместо величины h используют величину (читается: аш с чертой), равную, по современным данным
Энергия фотона:
Согласно теории относительности энергия всегда связана с массой соотношением Е = mс 2 .
Так как энергия фотона равна hν, то, следовательно, масса фотона m:
У фотона нет собственной массы, он не существует в состоянии покоя и при рождении сразу имеет скорость с.
Масса фотона — это масса движущегося фотона.
Импульс фотона:
Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча.
Чем больше частота ν, тем больше энергия Е и импульс р фотона и тем отчетливее проявляются корпускулярные свойства света.
Из-за того что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незначительна.
Фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию 4 • 10 -19 Дж.
Корпускулярно-волновой дуализм
Законы теплового излучения и фотоэффекта можно объяснить только на основе представления, согласно которому свет — это поток частиц-фотонов.
Однако явления интерференции и дифракции света свидетельствуют и о волновых свойствах света.
Свет обладает, таким образом, своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств.
При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные.
Это, конечно, странно и непривычно, так как частица и волна абсолютно разные физические объекты.
Гипотеза де Бройля
Может быть, электрон и другие частицы обладают также и волновыми свойствами?
Такую необычную мысль высказал в 1923 г. французский ученый Луи де Бройль.
Предположив, что с движением частиц связано распространение некоторых волн, де Бройль сумел найти длину волны этих волн.
Связь длины волны с импульсом частицы оказалась точно такой же, как и у фотонов.
Формула де Бройля:
Если длину волны обозначить через λ, а импульс — через р, то
Эта знаменитая формула де Бройля — одна из основных в физике микромира.
Предсказанные де Бройлем волновые свойства частиц впоследствии были обнаружены экспериментально.
Наблюдалась, в частности, дифракция электронов и других частиц на кристаллах.
При этом получалась картина, подобная той, которая характерна для рентгеновских лучей, причем справедливость формулы де Бройля была доказана экспериментально.
Эти необычные свойства микрообъектов описываются с помощью квантовой механики — современной теории движения микрочастиц.
Механика Ньютона здесь в большинстве случаев неприменима.
Итак,
Фотон — элементарная частица, не имеющая массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом.
Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами.
Поглощение и излучение электромагнитной энергии отдельными порциями — проявление корпускулярных свойств электромагнитного поля.
Корпускулярно-волновой дуализм — общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне.
Световые кванты. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика
Изучение свойств электромагнитных волн на рубеже 19 и 20 веков принесло множество наблюдений, которые не могли быть объяснены на основе волновой теории Максвелла. Среди дилемм физиков того времени был спектр излучения тепловых источников света (например, классической лампочки), явление излучения черного тела, внешний фотоэлектрический эффект, то есть эмиссия электронов из металлов под воздействием падающего электромагнитного излучения. Эти явления невозможно объяснить, рассматривая электромагнитное излучение как волну.
Рис. 1. Свет как волна и как пучок фотонов
Волновое описание света, утвердившееся в науке того времени и подтвержденное рядом экспериментов и теорий, должно было столкнуться с наблюдениями, показывающими, что свет ведет себя не только как волна, но и как совокупность частиц. Макс Планк, объясняя спектральное распределение излучения черного тела, ввел понятие порции энергии, которую он назвал квантом. Эта концепция была развита Альбертом Эйнштейном, когда он заявил, что, например, электромагнитная волна состоит из частиц (так называемых квантов) света.
Определение.
Фотон ( γ ) — это частица, несущая порцию энергии (квант энергии) электромагнитного излучения. Название было предложено американским физиком-химиком Гилбертом Ньютоном Льюисом. Она должна была описывать фотон как частицу, переносящую энергию излучения. По мнению ученого, фотон должен был поглощаться и испускаться материей.
Фотоны ( γ ) являются элементарными частицами. Они не имеют массы покоя и всегда движутся со скоростью света. Согласно текущему состоянию знаний, квантовая механика предлагает наилучшую модель, объясняющую фотоны. Это справедливо для всех элементарных частиц. Поэтому они демонстрируют дуализм волна-частица. Это означает, что они обладают свойствами волн и частиц.
Что такое фотон?
Фотоны ( γ ) являются частицами-носителями электромагнитного взаимодействия. Таким образом, они представляют свет, а также все другие электромагнитные волны и переносят электромагнитную силу. Квантовая электродинамика описывает фотон как так называемый бозон, элементарную частицу, свойства которой четко отличают ее от свойств электрона или подобных частиц. В большинстве случаев бозоны всегда являются также частицами-носителями сил, таких как электромагнитные, сильные и слабые силы.
Квантовая электродинамика — это область квантовой механики, которая адаптирует классическую электродинамику к современной квантовой механике. Одно из его важнейших свойств — отсутствие массы. Более того, его энергия, а также импульс пропорциональны его частоте.
Свойства фотона
Фотоны — это безмассовые, электрически нейтральные и стабильные элементарные частицы. Фотон является частицей-носителем электромагнитного взаимодействия и не подчиняется принципу Паули.
| Электрический заряд | 0, нейтральный |
| Масса покоя | 0 кг |
| Спин | 1 |
| Взаимодействие | электромагнитный гравитация |
| Скорость движения | Скорость света c = 299 792 458 м / с |
Масса и скорость фотонов
Согласно современному уровню знаний, фотон должен быть безмассовым. Если бы у него была масса, фотоны не двигались бы со скоростью света (c). Это означало бы, что скорость света перестала бы быть скоростью света, а стала бы теоретическим пределом скорости, которую объект может достичь в пространстве-времени. Кроме того, скорость фотона будет зависеть от его частоты, и многие законы природы, такие как закон Кулона, получат дополнительные факторы. Тогда многие современные устройства будут работать по-другому или вообще не будут работать.
Вывод: экспериментально доказано, что фотон не имеет массы.
Скорость света в вакууме является универсальной константой, равной точно = 299 792 458 м/с. Не странно ли, что, в отличие от других констант, здесь нет многочисленных десятичных цифр, которые мы обычно округляем в зависимости от приближения, которого хотим добиться? Точное значение скорости света просто выводится из определения метра, принятого в 1983 году. Согласно этому определению, 1 метр — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 с.
В астрономии используется другая единица длины, не входящая в систему СИ, связанная со скоростью света. Это световой год, определяемый как расстояние, проходимое светом за один год. При определении светового года используется юлианский год, продолжительность которого составляет 365,25 дня. Аналогично можно использовать такие единицы измерения длины, как световая секунда, световая минута и т.д.
Скорость фотонов в вакууме не зависит от частоты электромагнитного излучения. Она одинакова для всех диапазонов излучения — от гамма-излучения до радиоволн. Одним из доказательств является наблюдение за вспышками звезд. Радиоволны и свет, излучаемые во время вспышки звезды, достигают Земли одновременно. Их скорость равна в пределах 10 -7 .
Фотон в вакууме всегда движется с постоянной скоростью для каждого наблюдателя. Если объект, движущийся со скоростью v = 0,9c, испускает фотон в направлении, совпадающем с направлением его скорости (см. рисунок 2), то фотон будет удаляться от него со скоростью света c. Но для неподвижного наблюдателя скорость фотона также будет равна скорости света с.
Этот факт, не согласующийся с нашим повседневным опытом, является фундаментальным предположением специальной теории относительности Альберта Эйнштейна. Почему это кажется нам странным и противоречит нашему опыту? Просто в повседневной жизни мы не сталкиваемся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Такие скорости достижимы для тел с очень малой массой. Эксперименты с частицами, такими как электроны, протоны или атомные ядра, ускоренные в ускорителях до скоростей, близких к скорости света, подтверждают постоянство скорости света в любой системе отсчета.
Рис. 2. Фотон, испущенный ракетой, летящей со скоростью v = 0,9c, движется со скоростью c, как относительно ракеты, так и относительно неподвижного наблюдателя
Энергия фотона
Фотоны движутся в вакууме со скоростью света c. Поэтому для определения его энергии нужна теория относительности. Это следует из релятивистской взаимосвязи между массой, энергией и импульсом.
E 2 = p 2 * c 2 + m 2 * c 4
В этой формуле E означает энергию, p — импульс, m — массу, а c — скорость света. Если задать m = 0, то получится следующая взаимосвязь между импульсом и энергией E = p * c.
Поскольку фотон является квантом, то можно выразить его скорость и, следовательно, импульс через его частоту или длину волны. Это дает вам взаимосвязь между частотой и энергией: E = ħ * ω = h * f = h * c / λ .
В этой формуле f — частота фотона, ω = 2 * π * f — его угловая частота, h — обычная постоянная Планка, ħ = h / 2 * π — приведённая постоянная Планка и λ — длина волны фотона.
Рис. 3. Фотоны фиолетового света имеют самую высокую энергию, а фотоны красного света — самую низкую. [источник: 彭家杰 [CC BY 2.5], через Wikimedia Commons].
Постоянная Планка, входящая в формулу, является физической константой, характерной для микромира. В соответствии с решением Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) от 16 ноября 2018 года, её величина определяется точно, т.е. без погрешности, и составляет: h = 6,62607015⋅10 −34 кг·м 2 ·с −1 (Дж·с).
Единицей энергии фотона является джоуль (Дж), но очень часто используется альтернативная единица — электронвольт (эВ). Один электрон-вольт — это энергия, полученная электроном, ускоренным напряжением в 1 вольт (В). Для перевода 1 эВ в джоули достаточно умножить величину элементарного заряда e, т.е. 1,602 * 10 -19 Кл, на один вольт, то есть 1 эВ = 1,602 * 10 -19 Дж.
Поэтому постоянная Планка может быть выражена в эВ. Она составляет 4,135 667 669 …. * 10 -15 эВ * с (для расчётов часто используют округленное значение h = 4,14 * 10 -15 эВ * с ).
Насколько велика энергия фотона? Определим, например, энергию фотонов, испускаемых гелий-неоновой лазерной указкой с длиной волны 633 нм.
E = 6,62607015⋅10 −34 * 3 * 10 8 / 633*10 -9 ≈ 3,14 * 10 -19 Дж .
Это значение можно хранить в гораздо более удобной форме в электронвольтах: E = 3,14 * 10 -19 / 1,602 * 10 -19 ≈ 1,96 эВ .
Типичные энергии в макромире — например, кинетическая энергия мяча, брошенного с высоты 1 м, непосредственно перед ударом об асфальт — порядка 1 Дж, то есть порядка 10 19 эВ. Энергии фотонов значительно меньше. Давайте сравним 1 Дж с энергией процесса, характерного для микромира, например, с энергией, выделяемой при полном сгорании одной молекулы метана в кислороде. Энергия сгорания метана составляет 891,6 кДж/моль, что после деления на постоянную Авогадра, составляет: E = ( 891,6 кДж/моль ) / ( 6,02214076⋅10 23 моль −1 ) = 14,8 * 10 -19 Дж = 9,2 эВ .
Полученное значение, как видно, того же порядка, что и энергия фотона, испускаемого гелий-неоновым лазером.
Следует помнить, что энергия фотонов зависит от частоты электромагнитного излучения, которая может принимать значения от единиц кГц для радиоволн до порядка 10 24 Гц для гамма-излучения. Поэтому энергия фотонов может составлять от 10 -12 эВ до 10 9 эВ.
Фотоны, принадлежащие к различным областям электромагнитного спектра, имеют энергию, отличающуюся друг от друга даже на несколько порядков.
Импульс фотона
Как уже упоминалось, теория относительности связывает импульс с энергией. Это важно для фотона, поскольку он движется со скоростью света, т.е. релятивистски.
Зная, что E = h * c / λ , и p = ħ * k , где k = 2 * π / λ — угловое волновое число, в итоге получаем: p = ħ * k = h * f / c = h / λ .
Возникновение фотона
Фотоны создаются различными способами. Наиболее распространенным способом наблюдения генерации фотонов является переход электронов в другие энергетические состояния. Это происходит, например, когда электрон в электронной оболочке атома переходит на более высокий уровень. Этот уровень нестабилен, и электрон через некоторое время возвращается обратно в исходное состояние.
Однако, на высоком уровне было больше энергии, чем на исходном. Эта избыточная энергия излучается в виде фотона. Но фотоны также могут испускаться в виде гамма-излучения во время ядерных переходов или реакций аннигиляции в частицах-античастицах. С помощью правильных измерительных приборов можно обнаружить присутствие таких фотонов.
Запутанные фотоны
Фотоны могут быть запутаны относительно их поляризации или направления полета. Поляризация дает вам информацию о направлении колебаний электромагнитной волны. Это означает, что если вы измеряете поляризацию одной из этих частиц, вы знаете поляризацию другой.
В случае направленного излучения, т.е. излучения, возникающего при встрече античастиц и частиц, образуются запутанные фотоны. Эти два фотона запутаны в своем направлении и поляризации. В медицине это свойство используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Применение фотонов
Фотоны используются во многих областях. Одним из самых распространенных и наиболее важных применений является лазер.
Одиночные фотоны могут быть обнаружены различными методами. Одним из старейших методов является использование фотоумножителя. При этом используется фотоэлектрический эффект. Фотон с достаточной энергией попадает на металлическую пластину. Там он выбивает электрон из связи, что запускает каскадный эффект.
Рис. 4. Внешний фотоэффект. В фотоэлектрическом явлении свет проявляет корпускулярную природу — фотон выбивает одиночный электрон из металла.
Читайте также: