Фотон є часткою електромагнітного поля. Зовнішній фотоефект

Фотоефектом називається випромінювання електронів із поверхні металу під впливом світла.

У
1888 р. Г. Герц виявив, що при опроміненні ультрафіолетовими променями електродів, що знаходяться під високою напругою, розряд виникає при більшій відстані між електродами, ніж без опромінення.

Фотоефект можна спостерігати у таких випадках:

1. Цинкову пластину, з'єднану з електроскопом, заряджають негативно та опромінюють ультрафіолетовим світлом. Вона швидко розряджається. Якщо ж її зарядити позитивно, то заряд пластини не зміниться.

2
. Ультрафіолетові промені, що проходять через сітчастий позитивний електрод, потрапляють на негативно заряджену цинкову пластину і вибивають з неї електрони, які прямують до сітки, створюючи фотострум, що реєструється чутливим гальванометром.

Закони фотоефекту

Кількісні закономірності фотоефекту (1888-1889) було встановлено А. Р. Столетовим. Він використовував вакуумний скляний балон із двома електродами.

П
ервий закон

Досліджуючи залежність сили струму в балоні від напруги між електродами при постійному світловому потоці однією з них, він встановив перший закон фотоефекту.

Фотострум насичення пропорційний світловому потікуу, що падає на метал: I=ν∙ Φ, де ν - Коефіцієнт пропорційності, званий фоточутливістю речовини.

Отже, число електронів, що вибиваються за 1 с з речовини, пропорційно інтенсивності світла, що падає на цю речовину.

Другий закон

Змінюючи умови освітлення цієї ж установці, А. Р. Столетов відкрив другий закон фотоефекту: кінетична енергія фотоелектронів залежить від інтенсивності падаючого світла, а від його частоти.

Е
Якщо до освітленого електрода підключити позитивний полюс батареї, то при певній напрузі фотострум припиниться. Це не залежить від величини світлового потоку.

Використовуючи закон збереження енергії
, де e- Заряд; m - Маса електрона; v- Швидкість електрона; Uз - замикаюча напруга, встановлюють, що якщо частоту променів, якими опромінюють електрод, збільшити, то Uз2 > Uз1 , тому Eк2 > Eк1. Отже, ν 2 > ν 1 .

Т
яким чином, кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає із частотою світла.

Третій закон

Замінюючи у приладі матеріал фотокатода, Столетов встановив третій закон фотоефекту: кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто. існує найменша частота ν min , за якої ще можливий фотоефект. При ν <ν min за жодної інтенсивності хвилі падаючого світла на фотокатод фотоефект не відбудеться.

Четвертий закон

Фотоефект практично безінерційний ( t = 10 -9 с).

Теорія фотоефекту

А.Ейнштейн, розвинувши ідею М.Планка (1905), похитав, що закони фотоефекту можна пояснити з допомогою квантової теорії.

Явище фотоефекту експериментально доводить: світло має уривчасту структуру.

Випромінена порція Е=hνзберігає свою індивідуальність та поглинається речовиною тільки цілком.

На підставі закону збереження енергії
.

Так як
,
,
,
.

Фотон та його властивості

Фотон - матеріальна, електрично нейтральна частка.

Енергія фотонаE=hνабо Е=ħω , так як
, ω = 2 πν . Якщо h= 6,63∙10 −34 Дж∙с, то ħ ≈ 1,55∙10 −34 Дж∙с.

Відповідно до теорії відносності E=mc 2 =hν, звідси
, де m- Маса фотона, еквівалентна енергії.

Імпульс
, так як c=νλ . Імпульс фотона спрямований світловим пучком.

Наявність імпульсу підтверджується експериментально існуванням світлового тиску.

Основні властивості фотона

1. Є частинкою електромагнітного поля.

2. Рухається зі швидкістю світла.

3. Існує лише у русі.

4. Зупинити фотон не можна: він або рухається з v=з, або немає; отже, маса спокою фотона дорівнює нулю.

Ефект Комптону (1923)

А .Комптон підтвердив квантову теорію світла. Взаємодія між фотоном та пов'язаним в атомі електроном:

1. З погляду хвильової теорії світлові хвилі повинні розсіюватися на малих частках:

ν рос. = ν пад, що досвідом не підтверджується.

2. Фотоефект – повне поглинання фотону.

3
. p align="justify"> При дослідженні законів розсіювання рентгенівських променів А.Комптон встановив, що при проходженні рентгенівських променів через речовину відбувається збільшення довжини хвилі ( λ ) розсіяного випромінювання порівняно з довжиною хвилі ( λ ) падаючого випромінювання. Чим більше φ , тим більше втрати енергії, а отже, і зменшення частоти ν (Збільшення λ ). Якщо вважати, що пучок рентгенівських променів складається з фотонів, що летять із швидкістю світла, то результати дослідів А.Комптона можна пояснити: фотон частотою ν має енергію E = hν , масою
та імпульсом
.

Закони збереження енергії та імпульсу для системи фотон-електрон: hν +m 0 c 2 = hν" +mc 2 ,
де m 0 c 2 – енергія нерухомого електрона; hν - Енергія фотона до зіткнення; hν" - енергія фотона після зіткнення з фотоном;
і
- Імпульси фотона до і після зіткнення; mv- Імпульси електрона після зіткнення з фотоном.

Розв'язання рівнянь для енергії та імпульсу дає формулу для зміни довжини хвилі при розсіянні фотона на електронах:
, де - Комптонівська довжина хвилі.

Фотон – елементарна частка, квант електромагнітного випромінювання.

Енергія фотона: ε = hv, де h = 6,626 · 10 -34 Дж · с - Постійна Планка.

Маса фотона: m = h·v/c 2 . Ця формула виходить із формул

ε = hv та ε = m·c 2 . Маса, що визначається формулою m = h·v/c 2 є масою рухомого фотона. Фотон немає маси спокою (m 0 = 0), оскільки він може існувати може спокою.

Імпульс фотона: Усі фотони рухаються зі швидкістю = 3·10 8 м/с. Очевидно імпульс фотона P = m·c, звідки випливає, що

P = h·v/c = h/λ.

4. Зовнішній фотоефект. Вольтамперна характеристика фотоефекту. Закони Столетова. Рівняння Ейнштейна

Зовнішнім фотоефектом називається явище випромінювання електронів речовиною під впливом світла.

Залежність струму від напруги ланцюга називається вольтамперной характеристикою фотоелемента.

1) Кількість фотоелектронів N' e , що вириваються з катода за одиницю часу, пропорційно інтенсивності світла, що падає на катод (закон Столетова). Або інакше: струм насичення пропорційний потужності падаючого на катод випромінювання: ф = P/ε ф.

2) Максимальна швидкість V max , яку має електрон на виході з катода, залежить тільки від частоти світла і не залежить від його інтенсивності.

3) Для кожної речовини існує гранична частота світла ν 0 нижче якої фотоефект не спостерігається: v 0 = A вих /h. Рівняння Ейнштейна: ε = A вих + mv 2 max /2, де ε = hv – енергія поглиненого фотона, A вих – робота виходу електрона з речовини, mv 2 max /2 – максимальна кінетична енергія електрона, що вилетів.

Рівняння Ейнштейна, по суті, є однією з форм запису закону збереження енергії. Струм у фотоелементі припиниться, якщо всі фотоелектрони, що вилітають, загальмуються, не долетівши до анода. Для цього до фотоелементу необхідно додати зворотну (затримуючу) напругу u, величина якої також знаходиться із закону збереження енергії:

|e|u з = mv 2 max /2.

5. Тиск світла

Тиск світла - тиск, який чинить світло, що падає на поверхню тіла.

Якщо розглядати світло як потік фотонів, то, згідно з принципами класичної механіки, частки при ударі об тіло повинні передавати імпульс, тобто чинити тиск. Такий тиск іноді називають радіаційним тиском. Для обчислення тиску світла можна скористатися такою формулою:

p = W/c (1+ p), де W - кількість променистої енергії, що падає нормально на 1 м 2 поверхні за 1 с; c- швидкість світла, p- Коефіцієнт відображення.

Якщо світло падає під кутом до нормалі, тиск можна виразити формулою:

6. Комптон – ефект та його пояснення

Ефект Комптон (Комптон-ефект) - явище зміни довжини хвилі електромагнітного випромінювання внаслідок розсіювання його електронами.

Для розсіювання на електроні, що лежить, частота розсіяного фотона:

де - Кут розсіювання (кут між напрямками поширення фотона до і після розсіювання).

Комптонівська довжина хвилі – параметр розмірності довжини, характерний для релятивістських квантових процесів.

С = h/m 0 e c = 2,4∙10 -12 м – комптонівська довжина хвилі електрона.

Пояснення ефекту Комптона неможливе в рамках класичної електродинаміки. З погляду класичної фізики електромагнітна хвиля є безперервним об'єктом і внаслідок розсіювання на вільних електронах змінювати свою довжину хвилі не повинна. Ефект Комптон є прямим доказом квантування електромагнітної хвилі, тобто підтверджує існування фотона. Ефект Комптон є ще одним доказом справедливості корпускулярно-хвильового дуалізму мікрочастинок.

Фотон. Будова фотону. Принцип руху.

Частина 1. Початкові дані.

Частина 1. Початкові дані.

1.1. Фотон – це елементарна частка, квант електромагнітного випромінювання.

1.2. Фотон не може бути розділений на кілька частин і не спонтанно розпадається у вакуумі.

1.3. Фотон є справді електронейтральною частинкою. Швидкість переміщення (руху) фотона у вакуумі дорівнює «с».

1.4. Світло є потік локалізованих частинок - фотонів.

1.5 . Фотони випромінюються в багатьох природних процесах, наприклад: при русі заряджених частинок з прискоренням (гальмівне, синхротронне, циклотронне випромінювання) або при переході електрона зі збудженого стану в стан із меншою енергією. Це відбувається в результаті основного фундаментального перетворення в Природі - перетворення кінетичної енергії зарядженої частки на електромагнітну (і навпаки).

1.6. Фотону властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм:

З одного боку фотони демонструє властивості хвилі в явищах дифракції та інтерференції при масштабах, які можна порівняти з довжиною хвилі фотона;

З іншого боку фотон веде себе як частка, яка випромінюється або поглинається цілком об'єктами, розміри яких набагато менше його довжини хвилі (наприклад, атомними ядрами) або вважаються точковими (електрон).

1.7. Враховуючи той факт, що поодинокі фотони демонструє властивості хвилі, цілком достовірно можна стверджувати, що фотон є «мініхвиля» (окремий, компактний «шматочок» хвилі). При цьому повинні враховуватися такі властивості хвиль:

а) е Електромагнітні хвилі (і фотон) - це поперечні хвилі, в яких вектори напруженості електричних (E) і магнітних (H) полів коливаються перпендикулярно до напряму поширення хвилі. Електромагнітні хвилі (фотон) можна передати від джерела до приймача, у тому числі через вакуум. Їм не потрібне середовище для свого поширення.

б) половина енергії електромагнітних хвиль (і фотона) є магнітною.

в) для характеристики інтенсивності хвильового процесу використовують три параметри: амплітуда хвильового процесу, щільність енергіїхвильового процесу та щільність потоку енергії.

1.8. Крім того, при розгляді схеми будови фотона та принципу його переміщення було враховано такі дані:

а) випромінювання фотона практично проходить за період часу близько 10 -7 с - 10 -15 с. За цей період електромагнітне поле фотона зростає від нуля до максимуму і знову падає нанівець. рис.1.

б) графік зміни поля фотона не може бути шматком обрізаної синусоїди, т.к. у місцях обрізки виникали б нескінченні сили;

в) оскільки частота електромагнітної хвилі - це величина, яка спостерігається в дослідах, то цю частоту (і довжину хвилі) можна приписати і окремому фотону. Тому параметри фотона, як і хвилі, описуються формулою E = h * f де h - постійна Планка, яка пов'язує величину енергії фотона з його частотою ( f).

Рис. 1. Фотон є матеріальною частинкою і є компактним (що має початок і кінець), неподільний «шматочок» хвилі, у якої електромагнітні поля зростає від нуля до деякого максимуму і знову падають до нуля. Магнітні поля умовно не показані.

Частина 2. Основні засади будови фотона.

2.1. Практично у всіх статтях з електромагнітних хвиль (фотонів) на малюнках описується і графічно показується хвиля, що складається з двох полів - електричного і магнітного, наприклад, цитата: «Електромагнітне поле є сукупністю електричного магнітного полів ...». Однак існування «двокомпонентної» електромагнітної хвилі (і фотона) неможливе з однієї простої причини: однокомпонентного електричного та однокомпонентного магнітного поля в електромагнітній хвилі (фотоні) не існує і існувати не може. Пояснення:

а) існують теоретичні моделі-формули-закони, які використовуються для розрахунків чи визначення параметрів в ідеальних умовах (наприклад, теоретична модель ідеального газу). Це цілком допустимо. Однак для розрахунків у реальних умовах ці формули вводяться поправочні коефіцієнти, які відображають реальні параметри середовища.

б) також є теоретична модель під назвою «електричне поле». Аби вирішити теоретичних завдань це припустимо. Однак реально існують лише два електричні поля: електричне поле-плюс (№1) та електричне поле-мінус (№2). Субстанції під назвою «беззарядне? електронейтральне? електричне поле №3» насправді немає, і існувати неспроможна. Тому, при моделюванні реальних умов у теоретичній моделі під назвою «електричне поле» завжди необхідно враховувати два «поправочні коефіцієнти» - реальне електричне поле-плюс та реальне електричне поле-мінус.

в) існує теоретична модель під назвою "магнітне поле". Це цілком допустимо для вирішення деяких завдань. Однак реально у магнітного поля завжди існують два магнітні полюси: полюс №1 (N) і полюс №2 (S). Субстанції під назвою «безполюсне? магнітне поле №3» в реальності не існує і існувати не може.

2.2. Таким чином, враховуючи вищесказане, можна зробити цілком однозначний висновок: фотон є компактною (що має початок і кінець), матеріальною часткою, у якої матерія являє собою сукупність двох електричних (плюс-мінус) і двох магнітних (N-S) полів, здатних поширюватися від своїх джерел. без згасань (у вакуумі) на скільки завгодно великі відстані. рис.2.

Рис.2. Фотон є сукупністю двох електричних полів (плюс і мінус) і двох магнітних полів (N і S). При цьому повністю дотримується загальної електронейтральності фотона. У роботі приймається, що електричне поле-мінус стикується з магнітним полем-N, а електричне поле-плюс стикується з магнітним полем-S.

Частина 3. Квант енергії та квант маси.

3.1. З одного боку фотон є компактною, неподільною частинкою, у якої електромагнітні поля зростає від нуля до деякого максимуму і знову падають до нуля. Тобто фотон має цілком реальний лінійний розмір (початок та кінець).

3.2. Однак, з іншого боку, параметри фотона, як і хвилі, описуються формулою E = h* f де h - постійна Планка (еВ*сек), елементарний квант дії (фундаментальна світова константа), яка пов'язує величину енергії фотона з його частотою ( f).

3.3. Це дозволяє вважати, що всі фотони складаються з цілком певної кількості (n) "самостійних" електронейтральних "усереднених" елементарних квантів енергії (еВ) з абсолютно однаковою довжиною хвилі ( L ). У цьому випадку енергія будь-якого фотона дорівнює Е = е 1 *n, де (е 1 ) - Енергія елементарного кванта, (n) - їх кількість у фотоні. рис.3.

Рис.3.

а) "нормальний" фотон (електромагнітні поля зростає від нуля до деякого максимуму і знову падають до нуля);

б) той самий фотон із «усереднених» квантів. Можна припустити, що будь-який фотон складається з певної кількості абсолютно однакових «усереднених» елементарних квантів енергії;

в) елементарний "усереднений" квант енергії фотона. Елементарний квант енергії (розмірність - еВ) абсолютно однаковий для всіх електромагнітних хвиль усіх діапазонів і аналогічний елементарному кванту дії Планка (розмірність - еВ*сек). В цьому випадку: Е(еВ) = h * f = е 1 *n.

3.4. Матерія фотону.Фотони випромінюються в результаті основного фундаментального перетворення в Природі - перетворення кінетичної енергії зарядженої частинки на електромагнітну і навпаки - перетворення електромагнітної енергії фотонів на кінетичну енергію зарядженої частинки. Однак кінетична енергія нематеріальна, а електромагнітна енергія фотона має всі властивості матерії. Таким чином: в результаті основного фундаментального перетворення в Природі нематеріальна кінетична енергія зарядженої частинки перетворюється на енергію електричних і магнітних полів фотона, який має цілком реальні властивості матерії: імпульс, швидкість, масу та ін. характеристики. Оскільки фотон матеріал, то матеріальні і всі його частини. Тобто елементарний квант енергії автоматично є елементарним квантом маси.

3.5. Будь-який фотон складається з певної кількості «самостійних» електронейтральних елементарних квантів енергії. І розгляд схеми будови елементарного кванта показує, що:

а) елементарний квант неможливо розділити на дві рівні частини, оскільки це автоматично буде порушенням закону збереження заряду;

б) від елементарного кванта також неможливо «відрізати» дрібнішу частину, оскільки це автоматично призведе до зміни значення постійної Планки (фундаментальної константи) для цього кванта.

3.6. Отже:

Перше. Перетворення електромагнітної енергії фотонів на кінетичну енергію зарядженої частинки може бути безперервною функцією - електромагнітна енергія може перетворюватися на кінетичну енергію частинок (і навпаки) лише за значеннях енергії кратних одному елементарному кванту енергії.

Друге. Оскільки оболонки кварків, протонів, нейтронів та ін. частинок єущільнену електронейтральну матерію фотонів, то маси цих оболонок також має значення , кратні елементарному кванту маси

3.7. Проте поділ елементарних квантів на дві абсолютно рівні частини (позитивну і негативну) цілком можливий (і відбувається) при утворенні електрон-позитронних пар. У цьому випадку маса електрона та позитронумає значення , кратні половині елементарного кванта маси (див.Електрон. Утворення та будова електрона. Магнітний монополь електрона»).

Частина 4. Основні засади переміщення фотона.

4.1. Переміщення матеріального фотона-частинки може здійснюватися лише двома способами:

Варіант-1: фотон рухається за інерцією;

Варіант-2: фотон є частиною, що саморухається.

4.2. З невідомих причин саме інерційний рух електромагнітних хвиль (і фотонів) або мається на увазі, або згадується і графічно показується практично у всіх статтях з електромагнітних хвиль, наприклад: Wikipedia. Electromagnetic radiation. English. рис.4.

Рис.4. Приклад інерційного переміщення фотону (Wikipedia. Electromagnetic radiation). Фотон переміщається повз спостерігача зліва направо зі швидкістю V = "с". При цьому всі пелюстки синусоїди не змінюють своїх параметрів, тобто в системі відліку фотона вони абсолютно нерухомі.

4.3. Однак інерційний рух фотона неможливий, наприклад, через наступну причину: при проходженні фотона крізь перешкоду (скло) його швидкість зменшується, але після проходження перешкоди (одного або декількох) фотон знову «миттєво» і відновлює свою швидкість до «с» = const. За інерційного руху таке самостійне відновлення швидкості неможливе.

4.4. «Миттєвий» набір швидкості фотоном (до «с» = const) після проходження перешкоди можливий лише за умови, якщо сам фотон є частинкою, що саморухається. При цьому механізмом самопересування фотона може бути тільки переполюсування наявних електричних (плюс і мінус) і магнітних (N і S) полів з одночасним зміщенням фотона на півперіоду, тобто з подвоєною частотою (2* f). рис.5.

Рис.5. Схема переміщення фотона рахунок переполюсування полів. "Фрагмент" - послідовність переполюсування поля-плюс.

4.5. Пояснення механізму переміщення фотона ґрунтувалося на таких даних:

а) електромагнітне поле фотона являє собою сукупність змінних електричних (плюс-мінус) та магнітних (N і S) полів;

б) електричні та магнітні поля фотона не можуть зникнути - вони можуть тільки перетворюватися один на одного. Породження магнітного поля змінним електричним полем є фундаментальним явищем природи;

в) магнітне поле з'являється тільки за наявності електричного поля, що змінюється в часі, і навпаки (будь-яка зміна електричного поля збуджує магнітне поле і, у свою чергу, зміна магнітного поля збуджує поле електричне). Тому магнітні поля фотона можуть виникнути лише за наявності у фотона змінних за знаком і які змінюються у часі електричних полів (у системі відліку фотона).

4.6. При поясненні механізму переполюсування фотона розглядалися такі варіанти:

а) наявність вільного простору попереду фотону. Фотон є компактним, неподільним «шматочком» хвилі у вигляді синусоїди, у якої електромагнітні поля зростає від нуля до деякого максимуму і знову падають до нуля. Тобто: тіло фотона має цілком реальну геометричну довжину (початок і кінець). Рух фотона відбувається рахунок переміщення фотона з відривом одного полупериода (1/2L) за кожен акт переполюсовки. І це переміщення завжди може відбуватися тільки в один бік (вперед), де перед фотоном є вільний простір;

б) «Боротьба протилежностей». Електромагнітне поле фотона є сукупністю змінних електричних (плюс-мінус) і магнітних (N і S) полів. У роботі приймається, що електричне поле-мінус стикується з магнітним полем-N, а електричне поле-плюс стикується з магнітним полем-S. Але в цьому випадку виникає постійне (і законне) прагнення магнітних полів N і S зістикуватися один з одним, тобто створити повноцінний «двополюсний магніт». І тому одне з магнітних полів має зрушити півперіоду. Однак магнітні та електричними поля «намертво» пов'язані між собою, і всяка спроба магнітного поля «звільниться» від електричного поля «миттєво» призводить до реакції протидії у відповідь - викликає переполюсування (перекидання) всіх полів та їх автоматичне зміщення на півперіоду.

4.7. Оскільки інших варіантів пояснення механізму самопересування фотона не проглядається, то переміщення фотона рахунок переполюсовування полів, мабуть, є єдиним рішенням проблеми. Бо тільки режим переполюсування дозволяє підтримувати режим саморуху фотона і одночасно забезпечити дотримання фундаментального закону Природи - породження магнітного поля за наявності змінного за знаком і змінного електричного поля (і навпаки). Запропоновані варіанти механізму переполюсування (причин та послідовності) вимагають додаткових проробок, які в даній роботі не можуть бути представлені. Тим не менш, наведені пояснення є прийнятним виходом з ситуації, що склалася у вирішенні проблеми сталості швидкості світла, оскільки дозволяють з тим чи іншим ступенем достовірності пояснити механізм самопересування фотона.

4.8. Швидкість фотону. Швидкість (с) електромагнітних хвиль (фотонів) у вакуумі, їх частота ( f ) та довжина хвилі (L ) жорстко пов'язані формулою: с = f * L . Однак при цьому слід мати на увазі, що переміщення фотона відбувається за рахунок одночасного переполюсування його електричних та магнітних полів, під час якої фотон зміщується на відстань одного напівперіоду (L/2) за кожний акт переполюсування, тобто з подвоєною частотою. З урахуванням цього формула швидкості матиме вигляд з =2 f * L /2, що абсолютно ідентично до основної формули: с = f * L.

5. Таким чином:

5.1. Фотон є локалізованою (компактною) матеріальною частинкою, у якої матерія є сукупністю двох електричних (плюс і мінус) і двох магнітних (N і S) полів, значення яких зростають від нуля до деякого максимуму і знову падають до нуля. При цьому повністю дотримується загальної електронейтральності фотона.

5.2. Через війну основного фундаментального перетворення на Природі нематеріальна кінетична енергія зарядженої частинки перетворюється на матеріальну енергію електричних і магнітних полів фотона. Фотон матеріал і складається з певної кількості абсолютно однакових «усереднених» елементарних квантів енергії, які автоматично є елементарними квантами маси.

5.3. Фотон є саморушною частинкою здатною переміщатися від свого джерела на скільки завгодно великі відстані (у вакуумі). Йому не потрібне середовище для свого переміщення. Рух фотона відбувається рахунок переполюсовки змінних електричних (плюс-минус) і магнітних (N і S) полів, під час якої фотон зміщується на відстань одного напівперіоду за кожен акт переполюсовки.

5.4. У роботі приймається, що у кожному елементарному кванті електричне поле-мінус стикується з магнітним полем-N, а електричне поле-плюс стикується з магнітним полем-S. Інші варіанти стикування полів вимагають додаткових опрацювань і у цій роботі не розглядалися.

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 в 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 у різні боки поперечними 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, які 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 поля взаємодіють

The ATLAS Collaboration

Колаборація продовжить досліджувати процес наприкінці 2018 року, коли на колайдері знову проходитиме сеанс зіткнень важких ядер. Цікаво, що саме детектор ATLAS виявився придатним для пошуку рідкісних подій розсіювання фотонів на фотонах, хоча для аналізу зіткнень важких ядер 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 значущість сигналу поки що не перевищує трьох сигм.

Володимир Корольов

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 або поглинанні атомними ядрами і електронами, а також фотоефект фотон поводиться як частка.

А при проходженні через скляну призму чи невеликий отвір у перешкоді фотон демонструє свої яскраві хвильові властивості.

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 сучасній фізиці фотон - 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 хвиль має 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 види електромагнітного випромінювання: гамма-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне, мікрохвильове випромінювання та радіовипромінювання, фотони-переносники, які задіяні в цих процесах, не мають своїх різновидів. Тобто, на думку деяких учених, будь-який вид випромінювання переноситься якимось універсальним видом фотонів, який однаково успішно проявляє себе і в процесах гамма-випромінювання, і в процесах радіовипромінювання, і в будь-яких інших видах випромінювань.

Не можу погодитися з цією позицією, тому що природні явища свідчать про те, що всі відомі електромагнітні випромінювання суттєво відрізняються один від одного не лише 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 випромінювань у Всесвіті.

Думаюправильним, кожному виду випромінювання визначити свій різновидфотонів. На жаль, такої градації поки що в сучасній науці немає. 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". Усі вони підходять під поняття "автомобіль", але всі вони різні і за видом, і за технічними характеристиками, і за вартістю.

Тому, буде логічно, якщо переносниками гамма-випромінювання ми запропонуємо фотони гамма-випромінювання, рентгенівського випромінювання - фотони рентгенівського випромінювання, ультрафіолетового випромінювання - фотони ультрафіолетового випромінювання і т.д. 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.

Найяскравіший приклад цього перетворення на динаміці ми можемо спостерігати при ядерному вибуху.

Ядерний вибух та зони його вражаючої дії

У процесі ядерного вибуху протягом кількох секунд потік фотонів гамма-випромінювання проникає в довкілля на 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 чинників ядерного вибуху - радіацію, що проникає, світлове випромінювання і 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, в нашому розумінні, - це не частка і не хвиля, а пружинка, яка в різних умовах може стискатися до розмірів частинок, а може розтягуватися, проявляючи 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 частинкою у 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, які вже багато років тому були прийняті без зв'язку з процесами загального розвитку світу. А з логіки, яка виходить із законів устрою світу, які є ключем від дверей, що ведуть до Істини.

Разом з тим, у 2013 році були вручені Нобелівські премії з фізики Пітеру Хіггсу та Франсуа Енглеру, які у 1964 році незалежно одна від одної припустили існування в природі ще однієї частинки – нейтрального бозона, який з легкої руки нобелівського лауреата Л. Ледермана була названа частинкою Бога», тобто тієї першооснови, тієї першої цегли, з якої було сконструйовано весь наш навколишній світ. У 2012 році, проводячи експерименти зі зіштовхування на великих швидкостях пучків протонів, два знову ж таки незалежні наукові спільноти знову ж таки практично одночасно проанонсували виявлення частинки, параметри якої збіглися між собою і відповідали значенням, передбаченим П. Хіггсом і 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, насолоджуємося сонячним світлом і теплом, ми слухаємо музику і дивимося телевізійні новини, діагностуємо і лікуємо, перевіряємо та дефектуємо метали, заглядаємо в космос і проникаємо в глибину речовини, спілкуємось один з одним на відстані … 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 претендувати на це 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.