Энергия кванта это кратко
Обновлено: 30.06.2024
Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Ско́рость све́та — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией — если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс. Если световой пучок падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды разной оптической плотности, например воздух и воду, то часть света отражается от этой поверхности, а другая часть — проникает во вторую среду. При переходе из одной среды в другую луч света изменяет направление на границе этих сред. Это явление называется
преломлением света. Опыты показывают, что при одном и том же угле падения угол преломления тем меньше, чем плотнее в оптическом отношении среда, в которую проникает луч. Если свет идёт из среды более оптически плотной в среду менее плотную, то угол преломления луча больше угла падения. 1 . На границе раздела двух сред различной оптической плотности луч света при переходе из одной среды в другую меняет своё направление. 2. При переходе луча света в среду с большей оптической плотностью угол преломления меньше угла падения; при переходе луча света из оптически более плотной среды в среду менее плотную угол преломления больше угла падения. Преломление света сопровождается отражением, причём с увеличением угла падения яркость отражённого пучка возрастает, а преломлённого ослабевает. Чем более плотная среда тем меньше скорость света , чем менее плотная среда тем больше скорость света. Максимальное значение скорости света ( в вакууме 3*10 в 8 степени м/с)
3.7 Спектр. Условия образования спектров излучения. Характер распределения энергии в спектре: непрерывные, линейчатые, полосатые спектры и системы их излучающие
Спектр — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой . Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр — спектр частот электромагнитного излучения. В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму. Непрерывные спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
Линейчатые спектры. Линейчатый спектр. это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного цвета (длины волны, частоты), имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр. Каждая линия имеет конечную ширину Это самый фундаментальный, основной тип спектров. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр. Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Полосатые спектры. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Распределение энергии в спектре.Энергия теплового излучения с непрерывным спектром распределяется неравномерно по разным частям спектра. Характер этого распределения зависит как от температуры, так и от природы излучающего тела. Эмиссионный спектр, спектр излучения, спектр испускания — относительная интенсивность электромагнитного излучения объекта исследования по шкале частот. Обычно изучается излучение в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне от сильно нагретого вещества. Спектр излучения вещества представляют либо в виде горизонтальной цветовой полосы — результат расщепления света от объекта призмой — либо в виде графика относительной интенсивности, либо в виде таблицы. Нагретое вещество излучает электромагнитные волны (фотоны). Спектр этого излучения на фоне спектра излучения абсолютно чёрного тела, при достаточной температуре, на определённых частотах имеет ярко выраженные увеличения интенсивности. Причина повышения интенсивности излучения — в электронах, находящихся в условиях квантования энергии. Такие условия возникают внутри атома, в молекулах и кристаллах. Возбуждённые электроны переходят из состояния бо́льшей энергии в состояние меньшей энергии с испусканием фотона. Разница энергий уровней определяет энергию испущенного фотона, и следовательно его частоту в соответствии с формулой: Е=hv, где Е – энергия фотона, h- постоянная Планка, v –частота.
Фотон — это частица света или квант света; частица с которой можно делать расчёты.
Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью 2,998 x 10^8 м/с (это называется скоростью света и обозначается буквой c).
В марте 1905 года Эйнштейн создал квантовую теорию света, это была идея о том, что свет существует в виде крошечных частиц, которые он назвал фотонами.
Позже в том же году была расширена специальная теория относительности, в которой Эйнштейн доказал, что энергия (E) и материя (масса – m) связаны, и это соотношение стало самым знаменитым в физике: E=mc²; (напомним: c — скорость света).
Формулы фотона
Эти формулы являются наиболее важными.
Формула энергии кванта/фотона (формула Планка или Энергия кванта)
Энергия — это постоянная Планка, умноженная на частоту колебаний
Где:
- E — энергия фотона/кванта (в Дж – джоуль),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц).
Масса фотона
Где:
- m — масса фотона (в кг),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- λ — длина световой волны (в метрах).
Фотоны всегда движутся со скоростью света. В состоянии покоя фотоны не существуют (т.е. можно сказать, что масса покоя равна нулю).
Формула массы фотона (m = h/cλ) была выведена из формулы эквивалентности массы и энергии (E = mc²), при этом было использовано также равенство с энергией Кванта (E = h×v).
Импульс фотона
Где:
- p — импульс фотона (в Н•с – ньютон-секунда),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- λ — длина световой волны (в метрах).
Длина волны света, период и частота
Это ещё одно соотношение, которое может быть полезным в расчётах.
Где:
- λ — длина световой волны (в метрах),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- T — период световых колебаний (в секундах),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц).
Пример решения задачи с данными формулами
Определите энергию фотонов красного (λк = 0,76 мкм) света.
λк = 0,76 мкм = 0,76 × 10^(–6) м
Формула энергии фотонов: E = h×v
h — постоянная Планка,
v — частота света; из равенства λ = c/v выходит, что v = с/λ.
Таким образом, составляем равенство:
E = h × (с/λ) = hc / λ
Вспоминаем другие данные:
c = 3.10^8 (это скорость света в м/с)
h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду)
E = hc / λ = ((6,6.10^(–34) Дж.с) × (3.10^8 м/с)) / (0,76 × 10^(–6) м) = 2,6 × 10^(–19) Дж
Фотон является волной?
Фотон является одновременно частицей и волной. Согласно квантовой теории света Эйнштейна, энергия фотонов (E) равняется их частоте колебаний (v), умноженной на постоянную Планка (h); т.е. эта формула выглядит так: E = h×v.
Так он доказал, что:
- свет — это поток фотонов,
- энергия этих фотонов — это высота их частоты колебаний,
- интенсивность света соответствует количеству фотонов.
Таким образом, учёный объяснил, что поток фотонов действует и как волна, и как частица.
Световые кванты
Квантовая гипотеза Планка. Фотон
Квантовая гипотеза Планка: излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. отдельными порциями – квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения:
Е = hv,
где h = 6,62 • 10 –34 (Дж • с) – постоянная Планка.
Фотон – это квант света, представляющий из себя электрически нейтральную частицу, которая не имеет массы покоя, а существует только при движении ее со скоростью света в вакууме с = 3 • 10 8 м/с.
Энергия и импульс фотона выражаются через волновые физические характеристики – частоту и длину волны:
ЕФ = hV,
рФ = (h • v) / c = h / λ
Для фотона как для релятивистской частицы выполняется закон взаимосвязи массы и энергии:
Е = m • с 2
Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта
Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом в результате, которого происходит вырывание фотоэлектронов. При внешнем фотоэффекте фотоэлектроны покидают поверхность тела. При внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны остаются внутри вещества.
Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из металла. Работа выхода зависит только от рода материала и определяется по таблице.
Законы внешнего фотоэффекта:
- Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на вещество.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличивается при увеличении частоты падающего на вещество излучения и не зависит от интенсивности света.
- Для каждого вещества существует максимальная длина электромагнитной волны λmax (красная граница фотоэффекта), за которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффект не вызывают.
Данные законы были установлены опытным путем, их невозможно объяснить с помощью волновой теории света. Явление фотоэффекта и его законы были объяснены А. Эйнштейном с помощью квантовой теории света.
Каждый фотон взаимодействует только с одним электроном.
Закон сохранения энергии называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:
Давление света
Давление света – это давление, которое создает электромагнитная волна, падая на поверхность тела.
Давление света на зеркальную поверхность в два раза больше, чем на черную (поглощающую) поверхность.
Изменение импульса фотона при отражении от зеркальной поверхности Δр = 2р0. Изменение импульса фотона при поглощении есть Δр = –р0.
Если коэффициент отражения энергии препятствием равен R, а число падающих фотонов на единицу поверхности препятствия, при интенсивности света I равно:
N = I / (h • v)
то из них N • R фотонов отразится, a N • (1 – R) – поглотится поверхностью препятствия.
Полное давление света на поверхность препятствия равно:
Корпускулярно-волновой дуализм
Корпускулярно-волновой дуализм – это проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.
Свет обладает одновременно как волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация) так и корпускулярными свойствами (давление света, фотоэффект), т. е. ведет себя как корпускула (частица).
Сами по себе волновая и корпускулярная модели света являются односторонними, имеющими ограничения. В совокупности они позволяют подойти к более полному описанию реального мира.
В классической науке пока нет четкого понятия, что такое фотон и что такое квант. Это одно и то же? Или это разные понятия? Или между ними существует некоторая корреляция? Все стыдливо употребляют то или иное понятие, чувствуют, что тут что-то не так, но не обостряют этот вопрос. А ведь между этими двумя понятиями пролегает ясный водораздел.
Квант определен как самая минимальная фиксированная величина энергии. Природа любит все квантовать. Этот принцип распространяется и на количество энергии.
А как же получить порцию энергии большую, чем ее содержится в одиночном кванте? Да очень просто: надо набрать определенное количество маленьких порций энергии, то есть квантов энергии. Примерно, как из молекул воды можно набрать каплю воды, стакан воды, пруд и так далее.
Можно конечно набрать любое количество энергии одиночными квантами, но природа поступила чуть по-другому. У нее получилось так, что она приобрела свойство объединять одиночные кванты в группы с различным количеством квантов энергии.
Такие группы квантов можно называть фотонами, точнее – элементарными фотонами.
Энергия такого элементарного фотона будет зависеть от количества, содержащихся в нем квантов. По этой причине одни фотоны могут вызывать фотоэффект, а другие нет, с какой бы частотой они не следовали друг за другом, то есть какой бы интенсивности их поток не был.
При генерации кванта двойной энергии никакой модификации кванта не происходит, а энергия этого образования, двойного кванта (8 бусин) или если угодно фотона, будет строго удвоена излучением двух одинарных минимальных квантов. Согласно, нашей графике так будет выглядеть фотон, содержащий 4 кванта (Рис. 1).
Такие элементарные фотоны генерируются одиночными электронами. Чем большую силу мы приложим к электрону, тем большей энергии будет излучен фотон, то есть тем больше будет в нем волн (квантов), и он будет тем длиннее.
Рассмотрим работу обычного LC-контура в передатчике. Внешней силой от блока питания мы заставляем двигаться электроны от одной пластины конденсатора к другой, а затем обратно и т.д. На электроны действует внешняя сила, силы взаимного отталкивания, магнитные силы. На каждый электрон действуют разные силы, но обще выраженное направление есть: от пластины к пластине. Не все электроны пробегают этот путь. Те электроны, которые пробегут этот весь путь, получив самое большое ускорение, те и генерируют самые длинные с самой большей энергией элементарные фотоны (суммы одиночных квантов). Электроны, совершившие более короткий путь, излучат элементарные фотоны меньшей энергии. В совокупности эти элементарные фотоны мы и наблюдаем в виде радиоволны или радио фотона. Получаются пучки, связки элементарных фотонов. Точно также как мы наблюдаем волну на воде, не замечая неровностей от молекул, составляющих волну.
Примерно так представляется автору содержание фотона (Рис. 2).
Такие группы элементарных фотонов составляют любой вид излучения. Если в группе элементарные фотоны самые короткие, то это реликтовое излучение. Такую группу, конечно, можно назвать квантом реликтового излучения, но это будет квант по отношению к реликтовому излучению. По отношению к нейтрино – это группа квантов, а по отношению, например, к излучению видимого спектра, это часть фотона видимого спектра. По этой причине такую группу элементарных фотонов все-таки удобней называть фотоном такого-то излучения. Энергия фотона зависит от суммы энергий всех элементарных фотонов, составляющих данный фотон. А мощность излучения будет зависеть от мощности фотонов и частоты следования этих фотонов. Частота следования данных групп зависит от режима генерации.
Форма вида изображенного на рисунке фотона чисто условная. Мы привыкли к синусоиде, вот огибающая и выбрана в виде синусоиды. Естественно, что в группе или волне может быть больше тройных фотонов, или двойных, и располагаться они могут по-разному относительно самого большого фотона, который, вернее которые, определяют вид излучения. В процесс излучения электроны могут включаться в разное время. То есть фотоны имеют возможность сдвигаться друг относительно друга, но предполагается, что сдвиг этот может быть только дискретным на величину кванта.
Форма фотона, излучаемая лазером, должна быть примерно, такой как изображено на Рис. 3.
Все электроны рабочего тела лазера находятся примерно в одинаковом состоянии, поэтому они одинаково изменяют свой скоростной режим и благодаря этому излучают примерно одной и той же энергии элементарные фотоны. И поток таких фотонов имеет большое преимущество перед фотоном, который изображен на Рис. 2. Элементарные фотоны в луче фонарика имеют различную энергию. Вероятность того, что некоторые из них будут поглощены молекулами среды распространения, в частности воздуха, довольно велика и поэтому луч быстро теряет свою интенсивность, то есть светит не слишком далеко. В луче лазера элементарные фотоны почти одинаковые и поэтому, если в среде распространении будет даже очень много резонансных частиц для таких элементарных фотонов, то эти частицы поглотят небольшую часть таких фотонов и выйдут из игры. Путь для последующих элементарных фотонов окажется свободным, и луч будет распространяться на много дальше, не затухая и не рассеиваясь.
Таким образом, фотон можно определить следующим образом.
Фотон – это форма организации объединения квантов в тот или иной вид электромагнитного излучения.
Человечество в основном работает с фотонами, изображенными на рисунках 2 и 3. Это почти все виды электромагнитных излучений. Мы можем измерять и генерировать последовательности таких пакетов. Природа работает с элементарными фотонами. Все химические реакции в основном протекают в результате излучения и поглощения элементарных фотонов или небольшой суммы элементарных фотонов. Обычно это какой-нибудь индивидуальный рабочий фотон и дополнительный к нему катализирующий фотон. Особенно это распространено в биологии. Суммы фотонов запускают все биологические реакции вплоть до голографической картины морфологии живых организмов.
Когда ученые пытаются в живом организме измерить какой-нибудь электрический ток или потенциал, то они измеряют потоки фотонов в виде солитонов, представленных на рисунке 2. В них элементарные фотоны относятся к различным молекулярным процессам, которые происходят под воздействием на организм экспериментатора. А чтобы понять, например, процесс возникновения и роста раковых клеток в легких, следует выделить именно тот поток элементарных потоков, который запускает в легочных клетках транскрипцию тех белков, которые не свойственные легочным тканям.
Естественно работать с элементарными, особенно одиночными, фотонами мы пока работать не можем и даже не понимаем, что это нужно.
Читайте также: