Фотон: дефиниция, свойства и роля в квантовата физика
Разберете всичко за фотона — дефиниция, свойства, енергия, импулс (символ γ) и ключовата му роля в квантовата физика, от теорията на Айнщайн до съвременни приложения.
Фотоните (от гръцки φως, което означава светлина) в много атомни модели във физиката се разглеждат като частици, които предават светлина. С други думи, светлината се пренася в пространството чрез фотони. Фотонът е елементарна частица, която е своя собствена античастица. В квантовата механика всеки фотон носи определен квант енергия, който зависи от честотата: фотон, свързан със светлина с по-висока честота, има по-голяма енергия и съответства на по-къса дължина на вълната.
Дефиниция и основни уравнения
Енергията на фотона се дава от уравнението E = hν, където h е постоянната на Планк, а ν (ню) е честотата на излъчваната вълна. Чрез връзката между честота и дължина на вълната (ν = c/λ) следва и E = hc/λ. Поради това фотоните с по-къса дължина на вълната имат по-голяма енергия. Импулсът на фотона може да се опише чрез p = E/c = h/λ, а покойната маса на фотоните е нула, тоест те са масови частици с нулева маса покой, което им позволява да се движат винаги със скоростта на светлината.
Физични свойства
- Безмасовост: Както е посочено, покойната маса е 0, което означава, че фотоните не могат да се намират в покой.
- Спин и статистика: Фотонът е частица със спин 1 и следователно е бозон. Той подчинява бозе-айнщайновата статистика.
- Поляризация: Фотоните могат да имат различни състояния на поляризация (линейна, кръгова, елиптична), което е важен параметър при взаимодействия със вещества и при оптични устройства.
- Символ: Фотонът обикновено се обозначава със символа γ (гама).
Квантови аспекти и взаимодействия
В историята на квантовата теория ролята на фотоните е централна: Айнщайн възроди идеята за светлината като поток от дискретни енергийни квантове, което обяснява явления като фотоелектричния ефект. В рамките на квантовата електродинамика (QED) фотонът е калибровъчен бозон на електромагнитното взаимодействие и служи за пренасяне на силата между заредени частици.
- Абсорбция и емисия: Атоми и молекули абсорбират или излъчват фотони при преходи между енергийни нива. Процеси като спонтанна и стимулирана емисия лежат в основата на работата на лазерите.
- Фотоелектричен ефект: Пояснява се чрез квантовата природа на фотоните — енергията на отделен фотон преминава на електрон, който може да напусне метал, ако енергията е достатъчна.
- Взаимодействия в QED: Взаимодействията между заредени частици се моделират чрез обмен на виртуални фотони; реалните фотони се наблюдават като излъчване или поглъщане.
Вълново-частично двойнствено поведение
Фотоните демонстрират както вълнови, така и корпускулярни свойства — интерференция и дифракция от една страна, и дискретни квантови събития (напр. единични фотони регистрирани в фотодетектор) от друга. Това двойнствено поведение е ключов принцип в квантовата механика.
Източници, детекция и приложения
- Естествени източници: Слънцето, звездите, електромагнитни преходи в атмосферата и космически процеси генерират фотони в широк диапазон от енергия.
- Изкуствени източници: Лампите, лазерите, светодиодите и синхротрони произвеждат фотони с контролирани свойства (честота, поляризация, кохерентност).
- Детекция: Фотони се детектират чрез фотодиоди, фотомултипликатори, полупроводникови сензори и други устройства, които превръщат фотонните събития в електрически сигнали.
- Приложения: Оптика, телекомуникации, медицинска образна диагностика, лазери, квантова криптография и квантово изчисление използват свойствата на фотоните.
Космологична и фундаментална роля
Фотоните играят важна роля в изучаването на Вселената — наблюденията в широк спектрален диапазон (радио, инфрачервено, видима светлина, ултравиолет, рентген, гама) ни дават информация за структурата, състава и еволюцията на космоса. Кулминационни експерименти в фундаменталната физика изследват взаимодействията на фотоните, тяхната роля в симетриите на природата и границите на приложимостта на квантовите теории.
Обобщено, фотонът е основен носител на електромагнитната сила и ключов елемент в разбирането на светлината, от класическите оптични явления до съвременната квантова теория.
Лазерът излъчва фотони.
Свойства
Фотоните са фундаментални частици. Въпреки че могат да бъдат създавани и унищожавани, животът им е безкраен.
Във вакуум всички фотони се движат със скоростта на светлината, c, която е равна на 299 792 458 метра (приблизително 300 000 километра) в секунда.
Фотонът има определена честота, която определя цвета му. Радиотехнологиите използват честотата в голяма степен. Отвъд видимия диапазон честотата се обсъжда по-рядко, например тя се използва слабо при разграничаването на рентгеновите фотони от инфрачервените. Честотата е еквивалентна на квантовата енергия на фотона, както е свързано с уравнението на константата на Планк,
,
където 
е енергията на фотона, 
е константата на Планк, а 
е честотата на светлината, свързана с фотона. Тази честота, , обикновено се измерва в цикли за секунда или в Hz. Квантовата енергия на различните фотони често се използва във фотоапаратите и други машини, които използват видимо и по-високо от видимото лъчение. Това е така, защото тези фотони са достатъчно енергични, за да йонизират атоми.
Друго свойство на фотона е неговата дължина на вълната. Честотата дължината на вълната и скоростта на светлината 
са свързани с уравнението,
,
където 
(ламбда) е дължината на вълната или дължината на вълната (обикновено се измерва в метри.)
Друго важно свойство на фотона е неговата полярност. Ако видите гигантски фотон, който идва право към вас, той може да изглежда като вълна, която се движи вертикално, хоризонтално или някъде по средата. Поляризираните слънчеви очила спират преминаването на фотоните, които се люшкат нагоре и надолу. По този начин те намаляват отблясъците, тъй като светлината, която се отразява от повърхности, е склонна да лети по този начин. Дисплеите с течни кристали също използват полярност, за да контролират коя светлина преминава. Някои животни могат да виждат поляризацията на светлината.
И накрая, фотонът има свойство, наречено спин. Спинът е свързан с кръговата поляризация на светлината.
Взаимодействие на фотоните с материята
Светлината често се създава или поглъща, когато електронът придобива или губи енергия. Тази енергия може да бъде под формата на топлина, кинетична енергия или друга форма. Например, крушката с нажежаема жичка използва топлина. Увеличаването на енергията може да изтласка електрона с едно ниво нагоре в обвивка, наречена "валентна". Това го прави нестабилен и както всичко, той иска да бъде в състояние с най-ниска енергия. (Ако това, че е в най-ниското енергийно състояние, ви обърква, вземете молив и го пуснете. След като падне на земята, моливът ще бъде в по-ниско енергийно състояние). Когато електронът падне обратно в по-ниско енергийно състояние, той трябва да освободи енергията, която го е ударила, и трябва да се подчини на принципа за запазване на енергията (енергията не може нито да се създава, нито да се унищожава). Електроните освобождават тази енергия под формата на фотони, а при по-висока интензивност този фотон може да се види като видима светлина.
Фотони и електромагнитна сила
Във физиката на елементарните частици фотоните са отговорни за електромагнитната сила. Електромагнетизмът е идея, която съчетава електричеството с магнетизма. Един от често срещаните начини, по които изпитваме електромагнетизма в ежедневието си, е светлината, която се причинява от електромагнетизма. Електромагнетизмът е отговорен и за заряда, което е причината да не можете да прокарате ръката си през маса. Тъй като фотоните са частиците, пренасящи силата на електромагнетизма, те са и калибровъчни бозони. Смята се, че някои части на материята - т.нар. тъмна материя - не се влияят от електромагнетизма. Това би означавало, че тъмната материя няма заряд и не излъчва светлина.
Свързани страници
- Физика на частиците
| Частици във физиката | |||||||||||||
| |||||||||||||
| Композит |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Въпроси и отговори
В: Какво представлява фотонът?
О: Фотонът е елементарна частица, която излъчва светлина и е своя античастица.
В: Как енергията на фотона зависи от честотата?
О: Енергията на фотона е свързана с неговата честота, като фотоните с по-висока честота имат по-голяма енергия и са свързани с по-къси вълни.
Въпрос: Кой предлага светлината да се състои от отделни частици енергия (частици)?
О: Алберт Айнщайн предлага светлината да се състои от отделни частици енергия (частици).
В: Какъв символ обикновено се използва за представяне на фотон?
О: Обикновено за представяне на фотон се използва символът م (гама).
В: Има ли фотонът маса?
О: Не, фотоните нямат маса в покой. Според теорията на относителността на Айнщайн обаче те имат импулс.
обискирам