Реферат по физике фотон

Обновлено: 05.07.2024

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.

2. Легкие частицы (лептоны) с массой, меньшей массы -мезона (нейтрино двух типов, электрон, мюон). Все лептоны являются фермионами, т. е. имеют спин Ѕ и подчиняются статистике Ферми — Дирака.

3. Мезоны и мезонные резонансы, к которым относятся -мезоны и более массивные частицы с целочисленным спином. Все они являются бозонами, т. е. подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна.

4. Барионы и барионные резонансы . К ним относятся нуклоны и более массивные частицы. Все они являются фермионами и имеют полуцелый спин.

Представление, что нейтрино имеет античастицу — антинейтрино, возникло почти одновременно с первыми попытками дать теоретическое объяснение электронного и позитронного распада (бета-распада ядер); однако только последние исследования двойного бета-распада дали право утвердительно ответить на этот вопрос.

В 1955 г. был открыт антипротон, а в 1956 г. было установлено, что столкновения антипротона с протоном могут привести либо к их аннигиляции, либо к превращению антипротона в антинейтрон в результате обменного эффекта. Таким образом, протон р и нейтрон n имеют античастицы: антипротон и антинейтрон .

В связи с существованием античастиц у нейтрино и нейтрона возникает вопрос: чем отличается незаряженная частица от своей античастицы? Можно предположить, что отличие проявляется в знаке магнитного момента. Однако это не всегда правильно. Магнитный момент антинейтрона действительно должен быть противоположен по знаку магнитному моменту нейтрона; но этот критерий неприменим по отношению к нейтрино, магнитный момент которого равен, по-видимому, нулю. Значит, различие между частицами и античастицами связано с каким-то иным свойством незаряженных частиц, изменяющимся при переходе к их античастицам.

Это свойство может быть установлено, если предположить, что все барионы характеризуются специфическим барионным зарядом A. Он равен +1 для барионов и —1 для антибарионов. Для барионного числа (заряда) выбрано обозначение, совпадающее с обозначением массового числа, поскольку массовое число — это фактически барионное число ядра, состоящего из А протонов и нейтронов. Таким образом, можно считать, что основным отличием протона и нейтрона от соответствующих им античастиц является отличие в знаке барионного заряда, но не в знаке электрического заряда или магнитного момента. Соответственно лептоны и антилептоны отличаются противоположными знаками лептонного заряда (числа), по модулю равного единице . Для мезонов барионный и лептонный, заряды равны нулю.

Cведения о частицах, античастицах и их взаимных, превращениях значительно расширились за последние годы в результате открытия и интенсивного изучения мезонов, барионов и их резонансов. За последнее время появился ряд работ , в которых делаются попытки классифицировать наблюдаемые факты и явления в рамках феноменологической теории..

ГеллМанн обратил внимание на существование следующих типов взаимодействия между элементарными частицами: (если не учитывать гравитации):

1. Сильные взаимодействия, возникающие между барионами, антибарионами и мезонами. Этими взаимодействиями обусловлены ядерные силы между нуклонами и процессы образования мезонов и гиперонов при ядерных столкновениях. Однако учет одних лишь сильных взаимодействий следует рассматривать как первое приближение.

2. Электромагнитные взаимодействия, возникающие при воздействии фотонов на заряженные частицы (второе приближение).

3. Слабые взаимодействия, проявляющиеся при и -распадах и обусловливающие, кроме того, медленные распады гиперонов и мезонов (третье приближение).

При учете только сильного взаимодействия справедлив закон сохранения изотопического спина: каждой частице или системе частиц соответствует изотопический спин, являющийся точным квантовым числом. Состоянию с изотопическим спином Т отвечает кратность вырождения 2Т+1, причем каждая компонента такого мультиплета соответствует определенному зарядовому состоянию частицы или системы частиц. Как обычно, будем считать, что заряд возрастает с увеличением Т. Центры мультиплетов, т. е. средние заряды, различны для разных мультиплетов. Для нуклонного дублета средний заряд (полусумма зарядов протона и нейтрона) равен +1/2. Для антинуклонного дублета —1/2, а для -мезонного триплета он равен нулю.

Заряд Z системы частиц определяется соотношением

Центр мультиплета, соответствующего такой системе, равен А/2. Преобразование зарядового сопряжения меняет знаки Z, T и А.

При учете электромагнитного взаимодействия изотопический спин теряет свойства точного квантового числа и вырождение по изотопическому спину снимается. Так возникает различие между массами частиц, находящихся в разных зарядовых состояниях.

Процессы, в которых проявляются только сильные взаимодействия, называются быстрыми. К ним относятся процессы, происходящие при столкновении нуклонов с большой энергией, например образование -мезонов, распад резонансных состояний, образующихся при рассеянии мезонов барионами, и т. д. Эти процессы протекают за промежутки времени порядка 10 -22 сек.

Процессы, обусловленные электромагнитным взаимодействием, называют электромагнитными. К ним относится, например, распад °-мезона на два -кванта. Характерное время электромагнитных процессов – порядка 10— 10 сек.

Министерство образования Российской Федерации

Московский Государственный Областной Педагогический Институт

Выполнил: студент 4 курса, группы 4-ф-1, физико-математического факультета

На 99,99% вся видимая нами Вселенная описывается электромагнитным фундаментальным взаимодействием. Простыми словами – все, что мы наблюдаем, с чем мы сталкиваемся и воспринимаем – проявления электромагнетизма. А значит все эти процессы можно свести к двум частицам – электрону и фотону, как переносчику электромагнитных волн.

В авангардной физике сейчас даже существуют гипотезы, что абсолютно все частицы и поля можно свести к фотонам. Один из аргументов – при аннигиляции любых частиц образуется пара гамма-квантов, высокоэнергетичных фотонов. Давайте же разберемся, что это за фундаментальная частица, фотон, и какие он имеет свойства?

Немного истории

Средневековье ознаменовалось таким громким и неоднозначным научным диспутом,

Ярым сторонником волновой гипотезы был Христиан Гюйгенс

как корпускулярно-волновой дуализм света. Ученые того времени никак не могли сойтись – свет представляет собой поток частиц или же волны? И у сторонников первой, и второй идеи были свои аргументы. Ярым сторонником волновой гипотезы был Гюйгенс, а корпускулярной – колосс Ньютон.

После долгих споров и поломанных копий, первенство взяла корпускулярная гипотеза. Хоть доводов было примерно поровну (возможно, у “волновиков” их было даже больше), к ней склонились из-за огромного авторитета Исаака Ньютона, отца современной физики и вообще – научного метода познания мира.

Триумф корпускулярной гипотезы длился порядка 200 лет, пока досконально не исследовали дифракцию и интерференцию света. А эти явления, как известно, присущи только волнам. В итоге к концу 19-го века первенство опять захватили “волновики” и сомнений уже почти не было.

В начале двадцатого века Альберт Эйнштейн начал изучать фотоэффект

Пока в начале двадцатого века Альберт Эйнштейн не начал изучать фотоэффект, а Макс Планк – энергию абсолютно черного тела. Ведь если бы свет был волнами – формулы говорили, то энергия абсолютно черного тела равна бесконечности! В результате изучения этих парадоксов и изучения дуализма – родились главные теории современной физики – квантовая механика и теория относительности.

Сегодня мы знаем, что фотон, как и другие квантовые системы – строго говоря, не является ни частицей, ни волной в нашем узком понимании. Вернее, он проявляет и те и другие свойства, и вопрос – свет волна или частицы, не имеет смысла. Квантовые системы проявляет свойства частиц или волн в зависимости от обстоятельств, это фундаментальное свойство нашей Вселенной.

Физические свойства фотона

Фотон – это бесмассовая частица (не имеет массы покоя), не имеющая электрического заряда, он может существовать только передвигаясь со скоростью света. В квантовой электродинамике фотон относится к калибровочным бозонам (частицы, имеющие целый спин). Простыми словами – он является переносчиком фундаментального электромагнитного поля. Несмотря на это, полная энергия фотона рассчитывается в зависимости от частоты колебаний. Самые низко энергетические частицы имеют маленькую частоту (например, радиоволны), и высоко энергетические – большую частоту (рентгеновское и гамма излучение). Данная зависимость, соответственно, обратно пропорциональна длине волны.

Фотон явно или косвенно участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. Кроме электромагнетизма – это сильное (фоторождение пи-мезонов) и гравитационное отклонение света.

Следует отметить, что фотон стоит особняком от остальных элементарных частиц. Во-первых, это истинно нейтральная незаряженная частица. То есть, он не имеет своего анти-партнера даже гипотетически, принципиально. Во-вторых, нулевая масса фотона породила многолетние споры – так уж она полностью ли она нулевая? В итоге все-таки оказалось, что полностью.

Интересные факты и эксперименты с фотонами

Когда в начале 20 го века начала зарождаться квантовая механика, уже было известно, что в веществе существует так называемое спонтанное излучение. То есть, любой объект, состоящий из атомов и поглощающий свет – точно также излучает его. Механизм спонтанного излучения сформировали Дирак и Эйнштейн. Оказалось, что когда атом поглощает фотон, его электрон переходит на новый уровень, а перейти из этого нового “возбужденного” состояния он может тоже только излучив фотон.

Эйнштейн, работая с этими процессами поглощения и излучения света веществом, заметил очень интересную вещь. Оказывается, если атомы вещества привести в возбужденное энергетическое состояние заранее и облучать их светом – происходит цепное “клонирование” фотонов и формируется вынужденное (индуцированное) излучение. Теоретически его предсказал Эйнштейн, а позже этот механизм смогли реализовать на практике – так появились лазеры и мазеры.

Кратко механизм можно описать так – если атом в верхнем возбужденном состоянии поглощает фотон, он испускает его в таком же направлении, фазе, поляризации и импульсе, как и поглощенный. В результате образуется “лавина” одинаковых и однонаправленных фотонов – когерентное излучение.

Как упоминалось выше, интересная ситуация возникла с массой покоя фотона. Несмотря на то, что формулы квантовой механики говорили, что она “обязана” быть равной нулю, сомнения все же оставались. Пока не провели эксперимент, который показал, что если бы масса покоя у фотона была (пусть даже ничтожно мала) – на ночном небе галактики были бы размыты из-за дисперсии света в вакууме.

Еще одну уникальную вещь заметил все тот же гений Эйнштейна. Он предположил, что если бозоны (а фотон, как мы помним, бозон) охладить почти до абсолютного нуля – все частицы перейдут в состояние с минимально возможной энергией и образуется новый вид материи. Этот вид назвали конденсат Бозе-Эйнштейна.

Сейчас уже экспериментально получен конденсат для многих видов бозонов, в том числе и фотонов. Одними из многих присущих ему свойств являются сверхтекучесть и сверхпроводимость. С этими явлениями ученые связывают большие надежды в развитии технологий и науки в целом.

И напоследок рассмотрим такой интересный факт, как вклад фотонов в массу системы. Парадоксально, но безмассовые частицы вносят свою лепту в суммарную массу макроскопического объекта. Ее можно считать энергией молекулярных связей между электронами атомов. Ведь, если система испустит фотон, ее энергия уменьшится, а по формуле Е=мс2, соответственно, и масса.

Telegram канал

Рассылка актуальной информации о докладах "АЛЛАТРА НАУКА"

Последние комментарии

Солнечная система

Климатические события

Фотон

Сохранить PDF-файл доклада можно в архиве по ссылке или с Яндекс-диска, или же с Google-docs

С давних времён было известно о явлениях отражения и преломления света. Сущность этих явлений, их истинная природа официальной науке не ясна до сих пор, всё построено на теории вероятности.

Литература: Lewis, Gilbert N. The conservation of photons Nature 118, 1926. P. 874–875; Lewis, Gilbert N. The nature of light. Proceedings of the National Academy of Science 12, 1926. P. 22-29; Roychoudhuri, Chandra, Kracklauer, A.F., Creath, Kathy. The Nature of Light: What is a Photon? CRC Press, 2008..

Открытие фотона значительно стимулировало развитие теоретической и экспериментальной физики, в том числе физической химии (фотохимии), квантовой механики и т.д. Люди стали приблизительно понимать и использовать проявления таких физических явлений, как электрический ток, поток фотонов. Но знания о мельчайшей структуре этих явлений приблизительны, потому что до сих пор официальная наука не может объяснить, из чего именно состоит тот же электрон или сам фотон (хотя эти знания об истинной природе микромира были в глубокой древности).

Природа фотона остается загадкой для учёных. Но даже опираясь на те результаты исследований, которые зафиксированы в процессе наблюдения, благодаря экспериментам, были сделаны открытия, которые нашли широкое применение в жизни общества. Изобретены разнообразные технические устройства, принцип работы которых связан с использованием фотонов. Например, компьютерная томография, квантовый генератор (мазер), лазер и так далее. Лазер нашёл самое широкое практическое применение в промышленности, медицине, быту, начиная от создания высокоточных физических приборов ‒ сейсмографов, гравиметров, лазерных скальпелей, применяемых в микрохирургии, до создания технологических процессов сварки, резки металлов, бытовых лазерных принтеров и так далее. Фотоны используются и в спектральном анализе (изучением спектров электромагнитного излучения атомов занимается атомная спектроскопия). Благодаря изучению фотонов учёные выяснили, что атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты. Именно на этих частотах они излучают и поглощают свет (фотоны). То есть подобно тому, как каждый человек имеет индивидуальные отпечатки пальцев, так и каждый химический элемент имеет свой уникальный спектр излучения и поглощения. И всё это только начало изучения такой уникальной структуры, как фотон, принимающей активное участие в различных силовых процессах и взаимодействиях в природе.

Литература: Философские проблемы физики элементарных частиц (тридцать лет спустя). Отв. Ред. Ю.Б. Молчанов. М., 1994; Фейнман Р. КЭД ‒ странная теория света и вещества. М., 1988.

Фотон-3 и фотон-4 двигаются, как правило, в одном энергетическом потоке, причём фотонов-3 в нём всегда многократно больше, чем фотонов-4. Например, от солнца идёт поток фотонов, где большинство из них ‒ это силовые фотоны (фотоны-3), ответственные за энергетические, силовые взаимодействия, но среди них есть и информационные фотоны (фотоны-4), несущие информацию о солнце. Потоки фотонов-3 не несут тепло, они его создают при разрушении частичек, с которыми сталкиваются. Чем больше поток фотонов-3, направленных под прямым углом к материальному объекту, тем больше образуется тепла. Благодаря информационным фотонам (фотонам-4) человек, например, видит глазами свет от солнца и само солнце, а благодаря силовым фотонам (фотонам-3) он чувствует на себе тепло от солнца и так далее. То есть благодаря фотонам-3 обеспечивается энергетический поток (а также различные силовые взаимодействия в материальном мире), а благодаря фотонам-4 обеспечивается доставка информации в данном энергетическом потоке (то есть участие в процессах, позволяющим, например, человеку видеть окружающий мир).

ФОТОН-3 состоит из трёх фантомных частичек По, а точнее — из двух фантомных частичек По, соединённых между собой одной аллатовской фантомной частичкой По. Именно вхождение в состав аллатовской фантомной частички По делает фотон уникальным, стабильным, а также активным участником силовых взаимодействий. Кстати, аллатовская фантомная частичка По никогда не будет находиться на месте первой головной фантомной частички По в любой элементарной частице, которая имеет её в своём составе. Она будет всегда расположена внутри элементарной частицы между фантомными частичками По, как силовая основа данной частицы.

Фотон-3 может преобразовываться в фотон-4, а фотон-4 переходить в состояние фотона-3. Как происходит этот процесс? Фотон (имеются в виду и фотон-3, и фотон-4) имеет уникальное строение, которое отличает его от любой другой элементарной частицы. В частности, он имеет необычную первую (головную) фантомную частичку По. Если в эзоосмической ячейке возникают соответствующие условия, при которых в неё одновременно входят с разных сторон две головные фантомные частички По (одна из которых принадлежит фотону, а вторая ‒ другой элементарной частице) и происходит их максимальное сближение, то совершается следующий процесс.

Головная фантомная частичка По фотона за счёт своей большей скорости относительно скорости движения головной фантомной частички По другой элементарной частицы быстро проворачивается. Таким образом, она позволяет идущей за ней силовой частичке фотона (аллатовской фантомной частичке По) захватить у встречной элементарной частицы её головную фантомную частичку По, которая является носителем всей информации об этой элементарной частице.

Фотон-3, захватывая головную фантомную частичку По другой элементарной частицы, присоединяет эту информационную частичку к своей структуре. В итоге фотон-3 преобразуется в фотон-4, состоящий из четырёх фантомных частичек По. При этом та элементарная частица, у которой была изъята головная фантомная частичка По, претерпевает разрушение, вследствие которого высвобождается энергия. В целом, такой процесс захвата информации фотоном происходит только в случае, если через данную эзоосмическую ячейку проходит головная фантомная частичка По элементарной частицы, а не другие фантомные частички По, входящие в состав элементарной частицы.

В целом, обобщая вышеизложенные сведения, можно сказать, что основная функция фотона-3 ‒ энергетические взаимодействия, которые в основном связаны с процессом разрушения материи и высвобождения энергии, а фотона-4 ‒ информационные взаимодействия, связанные с переносом информации. Зная функции и особенности фотона, принципы его взаимодействия с другими элементарными частицами и особенно септонным полем, можно понять многие процессы макро- и микромира, в которых он принимает непосредственное участие. Благодаря этим знаниям можно найти ответы на многие вопросы. Например, как человек в действительности воспринимает зрительную информацию? Что такое на самом деле есть тень, тепло или холод, если рассматривать эти процессы на уровне эзоосмической решётки? Вследствие каких первопричин происходит разрушение вещества, которое находится под длительным воздействием солнечных лучей? Каковы особенности связи фотона с гравитационным и электромагнитным полем? И многое другое. Знания о фотоне помогают понять первопричины того или иного действия, свершаемого благодаря участию в нём фотона, и выполнить более точные расчёты фотонных взаимодействий без использования дорогостоящего оборудования и техники.

«Вначале была Великая Простота,
потом появилось Великое Начало,
затем появилась Великая Основа,
после чего появилась Великая Вещественность.
В Великой Простоте ещё не было дыхания.
Великое Начало было началом дыхания,
Великая Основа была началом всех форм,
Великая Вещественность – начало всех вещей.

Литература: Чжуан-цзы. Ле-цзы. Перевод Малявина В. В. Философское наследие. В 3-х томах. - М: Мысль, 1995; Дао-Дэ цзин: Книга о Пути жизни / сост. и перевод В. В. Малявина. – М.: Феория, 2010; Werner, Edward T.C. Myths and Legends of China. George G. Harrap & Co. Ltd. London Bombay Sydney, 1922.

Сохранить PDF-файл доклада можно в архиве по ссылке или с Яндекс-диска, или же с Google-docs

Читайте также: