Mikä on fotonin varaus? Fotonienergia

Nykyaikaisessa tulkinnassaan kvanttihypoteesi väittää, että energia E atomin tai molekyylin värähtelyt voivat olla yhtä suuria hν, 2 hν, 3 hν jne., mutta kahden peräkkäisen kokonaisluvun välillä ei ole värähtelyjä energialla, jotka ovat luvun kerrannaisia. Tämä tarkoittaa, että energia ei ole jatkuvaa, kuten uskottiin vuosisatojen ajan, vaan kvantisoitu , eli olemassa vain tiukasti määritellyissä erillisissä osissa. Pienin osa on ns energian kvantti . Kvanttihypoteesi voidaan muotoilla myös väittämänä, että atomi-molekyylitasolla värähtelyjä ei esiinny millään amplitudilla. Hyväksyttävät amplitudiarvot liittyvät värähtelytaajuuteen ν .

Vuonna 1905 Einstein esitti rohkean idean, joka yleisti kvanttihypoteesin ja teki siitä perustan. uusi teoria Sveta ( kvanttiteoria valosähköinen ilmiö). Einsteinin teorian mukaan , valo taajuudellaν Ei vain päästää, kuten Planck oletti, mutta myös leviää ja imeytyy aineeseen erillisinä annoksina (kvantit), jonka energiaa. Näin ollen valon etenemistä ei tulisi pitää jatkuvana aaltoprosessina, vaan avaruuteen lokalisoituneena diskreettien valokvanttien virtana, joka liikkuu valon etenemisnopeudella tyhjiössä ( Kanssa). Sähkömagneettisen säteilyn kvanttia kutsutaan fotoni .

Kuten olemme jo sanoneet, elektronien emissio metallin pinnalta siihen kohdistuvan säteilyn vaikutuksesta vastaa ajatusta valosta sähkömagneettisena aaltona, koska sähkökenttä Sähkömagneettinen aalto vaikuttaa metallin elektroneihin ja tyrmää osan niistä. Mutta Einstein kiinnitti huomion siihen, että aaltoteorian ja valon fotoniteorian (kvanttikorpuskulaarinen) ennustaman valosähköisen vaikutuksen yksityiskohdat eroavat merkittävästi.

Joten voimme mitata emittoidun elektronin energiaa aalto- ja fotoniteorian perusteella. Vastataksemme kysymykseen, mikä teoria on parempi, tarkastelkaamme joitain valosähköisen vaikutuksen yksityiskohtia.

Aloitetaan aaltoteoriasta ja oletetaan, että se levy on valaistu yksivärisellä valolla. Valoaalto on ominaista seuraavilla parametreilla: intensiteetti ja taajuus(tai aallonpituus). Aaltoteoria ennustaa, että kun nämä ominaisuudet muuttuvat, tapahtuu seuraavia ilmiöitä:

· Valon intensiteetin kasvaessa ulostyöntyneiden elektronien lukumäärän ja niiden maksimienergian pitäisi kasvaa, koska korkeampi valovoima tarkoittaa suurempaa amplitudia sähkökenttä, ja voimakkaampi sähkökenttä vetää ulos elektroneja, joilla on korkeampi energia;

tyrmätyt elektronit; kineettinen energia riippuu vain tulevan valon voimakkuudesta.

Fotoniteoria (korpuskulaarinen) ennustaa jotain aivan muuta. Ensinnäkin huomaamme, että monokromaattisessa säteessä kaikilla fotoneilla on sama energia (yhtä kuin hν). Valosäteen intensiteetin lisääminen tarkoittaa valonsäteen fotonien määrän kasvua, mutta ei vaikuta niiden energiaan, jos taajuus pysyy ennallaan. Einsteinin teorian mukaan elektroni tippuu pois metallin pinnasta, kun yksi fotoni törmää siihen. Tässä tapauksessa kaikki fotonin energia siirtyy elektroniin ja fotoni lakkaa olemasta. Koska elektronit pitävät metallissa houkuttelevien voimien avulla A(jota kutsutaan työfunktioksi ja useimpien metallien kohdalla se on useiden elektronivoltien luokkaa). Jos tulevan valon taajuus ν on pieni, ei fotonin energia ja energia riitä syrjäyttämään elektronia metallin pinnasta. Jos , niin elektronit lentää pois metallin pinnalta, ja energiaa tällaisessa prosessissa on säilynyt, ts. fotonienergia ( hν) on yhtä suuri kineettinen energia emittoitunut elektroni plus työ elektronin lyömiseksi ulos metallista:

Yhtälöä (2.3.1) kutsutaan Einsteinin yhtälö ulkoiselle valosähköiselle efektille.

Näiden näkökohtien perusteella valon fotoni (korpuskulaarinen) teoria ennustaa seuraavaa.

1. Valon intensiteetin lisääntyminen tarkoittaa saapuvien fotonien määrän kasvua, jotka syrjäyttävät enemmän elektroneja metallipinnalta. Mutta koska fotonienergia on sama, elektronin suurin kineettinen energia ei muutu ( vahvistettu minä valosähköisen efektin laki).

2. Tulevan valon taajuuden kasvaessa elektronien suurin kineettinen energia kasvaa lineaarisesti Einsteinin kaavan (2.3.1) mukaisesti. ( Vahvistus II valosähköisen efektin laki). Tämän riippuvuuden kaavio on esitetty kuvassa. 2.3.

,

Riisi. 2.3

3. Jos taajuus ν on pienempi kuin kriittinen taajuus, elektronit eivät syrjäydy pinnasta (III laki).

Joten näemme, että korpuskulaarisen (fotoni) teorian ennusteet ovat hyvin erilaisia ​​​​kuin aaltoteorian ennusteet, mutta ne ovat hyvin yhteensopivia kolmen kokeellisesti vahvistetun valosähköisen vaikutuksen lain kanssa.

Einsteinin yhtälö vahvistettiin Millikanin vuosina 1913–1914 tehdyillä kokeilla. Suurin ero Stoletovin kokeeseen on se, että metallipinta puhdistettiin tyhjiössä. Tutkittiin suurimman kineettisen energian riippuvuutta taajuudesta ja määritettiin Planckin vakio h.

Vuonna 1926 venäläiset fyysikot P.I. Lukirsky ja S.S. Prilezhaev käytti tyhjiöpallokondensaattorin menetelmää valosähköisen vaikutuksen tutkimiseen. Anodi oli lasipallomaisen sylinterin hopeoidut seinät ja katodi pallo ( R≈ 1,5 cm) tutkittavasta metallista, sijoitettu pallon keskelle. Tämä elektrodien muoto mahdollisti virta-jännite-ominaiskäyrän kaltevuuden lisäämisen ja siten hidastusjännitteen (ja siten h). Planckin vakion arvo h, joka on saatu näistä kokeista, on yhdenmukainen muilla menetelmillä (mustan kappaleen säteilystä ja jatkuvan röntgenspektrin lyhyen aallonpituuden reunasta) saatujen arvojen kanssa. Kaikki tämä on todiste Einsteinin yhtälön oikeellisuudesta ja samalla hänen kvanttiteoriastaan ​​valosähköisestä vaikutuksesta.

Lämpösäteilyn selittämiseksi Planck ehdotti, että kvantit säteilevät valoa. Einstein, kun selitti valosähköistä vaikutusta, ehdotti, että kvantit absorboivat valoa. Einstein ehdotti myös, että valo etenee kvanttien, ts. osissa. Valoenergian kvanttia kutsutaan fotoni . Nuo. jälleen tulimme korpuskkelin (hiukkasen) käsitteeseen.

Suorimman vahvistuksen Einsteinin hypoteesille antoi Bothen koe, jossa käytettiin sattumamenetelmää (kuva 2.4).

Riisi. 2.4

Ohut metallifolio F sijoitettu kahden kaasupurkauslaskurin väliin SCH. Kalvoa valaisi heikko röntgensäde, jonka vaikutuksesta se itse tuli röntgensäteiden lähteeksi (tätä ilmiötä kutsutaan röntgenfluoresenssiksi). Ensisijaisen säteen alhaisesta intensiteetistä johtuen kalvon lähettämien kvanttien määrä oli pieni. Kun kvantti osui laskuriin, mekanismi laukesi ja liikkuvaan paperinauhaan tehtiin merkki. Jos säteilevä energia jakautuisi tasaisesti kaikkiin suuntiin, kuten aaltokäsityksistä seuraa, molempien laskurien pitäisi toimia samanaikaisesti ja nauhan merkit olisivat vastakkain. Todellisuudessa merkit oli täysin satunnainen. Tämä voidaan selittää vain sillä, että yksittäisissä emissiotoimissa ilmaantuu valohiukkasia, jotka lentävät suuntaan tai toiseen. Näin erityisten valohiukkasten – fotonien – olemassaolo todistettiin kokeellisesti.

Fotonilla on energiaa . varten näkyvä valo aallonpituus λ = 0,5 µm ja energia E= 2,2 eV, röntgensäteillä λ = µm ja E= 0,5 eV.

Fotonilla on inertiamassa , joka löytyy suhteesta:

Fotoni kulkee valon nopeudella c= 3,10 8 m/s. Korvataan tämä nopeusarvo relativistisen massan lausekkeeseen:

.

Fotoni on hiukkanen, jolla ei ole lepomassaa. Se voi olla olemassa vain liikkumalla valonnopeudella c .

Etsitään energian ja fotonimäärän välinen suhde.

Tiedämme relativistisen ilmaisun momentille:

Ja energiaksi:

Fotoni on alkuainehiukkanen, sähkömagneettisen säteilyn kvantti.

Fotonienergia: ε = hv, missä h = 6,626 · 10 -34 J s – Planckin vakio.

Fotonin massa: m = h·v/c2. Tämä kaava saadaan kaavoista

ε = hv ja ε = m·c 2. Kaavalla m = h·v/c 2 määritelty massa on liikkuvan fotonin massa. Fotonilla ei ole lepomassaa (m 0 = 0), koska se ei voi olla levossa.

Fotonien liikemäärä: Kaikki fotonit liikkuvat nopeudella c = 3·10 8 m/s. Ilmeisesti fotonin liikemäärä P = m c, mikä tarkoittaa sitä

P = h·v/c = h/λ.

4. Ulkoinen valosähköinen vaikutus. Valosähköisen vaikutuksen virta-jännite-ominaisuudet. Stoletovin lait. Einsteinin yhtälö

Ulkoinen valosähköinen vaikutus on ilmiö, jossa aine lähettää elektroneja valon vaikutuksesta.

Virran riippuvuutta piirin jännitteestä kutsutaan valokennon virta-jännite-ominaiskäyräksi.

1) Katodista poistuvien fotoelektronien N'e määrä aikayksikköä kohti on verrannollinen katodille tulevan valon voimakkuuteen (Stoletovin laki). Tai toisin sanoen: kyllästysvirta on verrannollinen katodille tulevan säteilyn tehoon: Ń f = P/ε f.

2) Suurin nopeus V max, joka elektronilla on katodista ulostulossa, riippuu vain valon taajuudesta ν, eikä se riipu sen intensiteetistä.

3) Jokaisella aineella on valon rajataajuus ν 0, jonka alapuolella valosähköistä vaikutusta ei havaita: v 0 = A out /h. Einsteinin yhtälö: ε = A out + mv 2 max /2, missä ε = hv on absorboituneen fotonin energia, A out on aineesta poistuvan elektronin työfunktio, mv 2 max /2 on fotonin suurin kineettinen energia. emittoitunut elektroni.

Einsteinin yhtälö on itse asiassa yksi muodoista kirjoittaa energian säilymislaki. Valokennossa oleva virta pysähtyy, jos kaikki emittoidut fotoelektronit hidastetaan ennen kuin ne saavuttavat anodin. Tätä varten valokennoon on kohdistettava käänteinen (pito)jännite u, jonka arvo löytyy myös energian säilymisen laista:

|e|u з = mv 2 max /2.

5. Kevyt paine

Valopaine on kehon pinnalle putoavan valon aiheuttama paine.

Jos ajatellaan valoa fotonivirtana, niin klassisen mekaniikan periaatteiden mukaan hiukkasten tulee iskeytyessään kappaleeseen siirtää vauhtia, toisin sanoen kohdistaa painetta. Tätä painetta kutsutaan joskus säteilypaineeksi. Kevyen paineen laskemiseksi voit käyttää seuraavaa kaavaa:

s = W/c (1+ s), missä W on säteilyenergian määrä, joka normaalisti osuu 1 m2 pintaan 1 sekunnissa; c on valon nopeus, s- heijastuskerroin.

Jos valo putoaa kulmassa normaaliin nähden, paine voidaan ilmaista kaavalla:

6. Compton-ilmiö ja sen selitys

Compton-ilmiö (Compton-ilmiö) on ilmiö, jossa sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus muuttuu elektronien hajoamisen vuoksi.

Kiinteän elektronin aiheuttamaa sirontaa varten sironneen fotonin taajuus on:

missä on sirontakulma (fotonien etenemissuuntien välinen kulma ennen sirontaa ja sen jälkeen).

Comptonin aallonpituus on pituuden mittaparametri, joka on ominaista relativistisille kvanttiprosesseille.

λ С = h/m 0 e c = 2,4∙10 -12 m – elektronin Compton-aallonpituus.

Compton-ilmiötä ei voida selittää klassisen sähködynamiikan puitteissa. Klassisen fysiikan näkökulmasta sähkömagneettinen aalto on jatkuva kohde, ja sen ei pitäisi vapaiden elektronien sironnan seurauksena muuttaa aallonpituuttaan. Compton-ilmiö on suora todiste sähkömagneettisen aallon kvantisoinnista, toisin sanoen se vahvistaa fotonin olemassaolon. Compton-ilmiö on toinen todiste mikrohiukkasten aalto-partikkeli-kaksoisisuuden pätevyydestä.

Ihmiset ovat pitkään tottuneet siihen, että yksi minkä tahansa aineen ominaisuuksista on massa. Se ei ole luontaista vain sellaisille suuria esineitä, kuten planeetat ja tähdet, mutta myös niiden analogit näkymättömästä mikromaailmasta - protonit ja elektronit. Sir osoitti aikoinaan loistavasti kehon massojen välisen suhteen. Hänen teoriansa puitteissa taivaan mekaniikan laskelmia suoritetaan edelleen menestyksekkäästi. Jonkin aikaa Newtonin teorian luomisen jälkeen syntyi tarve tehdä sen merkittäviä muunnelmia, koska jotkut ilmiöt jäivät selittämättömiksi. A. Einstein ratkaisi tämän ongelman muotoilemalla "erityisteoriansa". Samaan aikaan ilmestyi kuuluisa kaava E=m*(c*c), joka osoittaa energian, massan ja välisen suhteen. Sovellettaessa kaavaa hiukkasiin kävi nopeasti selväksi, että fotonin massa on nolla. Ensi silmäyksellä tämä on ristiriidassa maalaisjärkeä kaikki on kuitenkin juuri niin. Fotonin massa sen liikkeen nollanopeudella on nolla. Mutta kun hiukkanen ylittää 300 tuhatta km/s, se saavuttaa tavanomaisen massansa. Kuitenkin sisään Viime aikoina Uskotaan, että fotonin massa on edelleen nolla. Ja arvo, joka seuraa kaavasta H*v = m*(c*c) on Joten mikä on fotonimassa itse asiassa? Kaava todellakin on olemassa. Vain se on monimutkaisempi ja laskenta suoritetaan tietyn hiukkasen liikemäärän arvon kautta.

Koska fotonin energia E on yhtä suuri kuin H*v, massa voidaan määrittää kaavasta:

m = (H*v) / (c*c)

Mutta koska fotoni itse asiassa, koska se on kevyt, ei voi pohjimmiltaan olla olemassa alle "s" (300 tuhatta km/s) nopeuksilla, niin yllä löydetty massa on oikea vain liiketilalle.

Impulssi löytyy läpi

p=(m*v) / sqrt (1- (v*v) / (c*c))

Liikemäärän läsnäolo osoittaa energiaa. Todellakin, jos laitat kätesi auringonsäteiden alle kesäpäivänä, tunnet selvästi lämmön. Tämä ilmiö voidaan selittää energiansiirrolla hiukkasella, jolla on tietty massa, joka liikkuu mukana suuri nopeus. Tämä on juuri se, mitä havaitaan valon suhteen. Siksi fotonin massa ja liikemäärä ovat niin tärkeitä, vaikka tässä tapauksessa ei aina ole mahdollista toimia tutuilla käsitteillä.

Lukuisilla Internet-foorumeilla keskustellaan valon luonteesta ja laskelmien suorittamisesta. On selvää, että kysymystä fotonin massasta ei voida vielä pitää suljettuna. Uudet mallit mahdollistavat havaittujen prosessien selittämisen täysin eri tavalla. Näin tapahtuu aina tieteessä: esimerkiksi Newtonin teoriaa pidettiin aluksi täydellisenä ja loogisena, mutta pian kävi selväksi, että useita muutoksia tarvitaan. Tästä huolimatta mikään ei estä sinua käyttämästä sitä nyt tunnetut ominaisuudet ihminen oppi näkemään pimeässä instrumenttien avulla; supermarketin ovet avautuvat automaattisesti vierailijoille; optiset verkot ovat mahdollistaneet ennennäkemättömien digitaalisten tiedonsiirtonopeuksien saavuttamisen; ja erikoislaitteet mahdollistivat energian muuntamisen auringonvalo sähköön.

Miksi levossa olevalla fotonilla ei ole massaa (eikä sitä ole ollenkaan)? Tälle on useita selityksiä. Ensimmäinen - tämä johtopäätös seuraa kaavoista. Toiseksi, koska valolla on kaksoisluonne (se on sekä aalto että hiukkasvirta), niin luonnollisesti massan käsite on täysin soveltumaton säteilyyn. Kolmas on looginen: kuvittele nopeasti pyörivä pyörä. Jos katsot sen läpi, pinnojen sijasta näet eräänlaisen sumun, sumun. Mutta heti kun alat hidastaa pyörimisnopeutta, hämäryys häviää vähitellen ja täydellisen pysähtymisen jälkeen jäljelle jää vain pinnat. Tässä esimerkissä sameus on partikkeli, jota kutsutaan "fotoniksi". Se voidaan havaita vain liikkeessä ja tiukasti määritellyllä nopeudella. Jos nopeus putoaa alle 300 tuhatta km/s, fotoni katoaa.

Valo ja lämpö, ​​maku ja haju, väri ja tieto - kaikki tämä liittyy erottamattomasti fotoniin. Lisäksi kasvien, eläinten ja ihmisten elämä on mahdotonta ilman tätä hämmästyttävää hiukkasta.

Uskotaan, että universumissa on noin 20 miljardia fotonia jokaista protonia tai neutronia kohti. Tämä on uskomattoman suuri luku.

Mutta mitä tiedämme tästä ympäröivän maailman yleisimmästä hiukkasesta?

Jotkut tutkijat uskovat, että fotonin nopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus tyhjiössä, ts. noin 300 000 km/s ja tämä on suurin mahdollinen nopeus universumissa.

Muut tutkijat uskovat, että universumissa on paljon esimerkkejä, joissa hiukkasten nopeudet ovat valon nopeutta nopeampia.

Jotkut tutkijat uskovat, että fotoni on sähköisesti neutraali.

Toiset uskovat, että fotonilla on sähkövaraus(joidenkin tietojen mukaan alle 10 -22 eV/s 2).

Jotkut tutkijat uskovat, että fotoni on massaton hiukkanen, ja heidän mielestään fotonin massa levossa on nolla.

Toiset uskovat, että fotonilla on massa. Totta, hyvin, hyvin pieni. Useat tutkijat noudattavat tätä näkemystä ja määrittelevät fotonimassan eri tavoin: alle 6 x 10 -16 eV, 7 x 10 -17 eV, 1 x 10 -22 eV ja jopa 3 x 10 -27 eV, joka on miljardeja kertoja pienempi elektronimassa.

Jotkut tutkijat uskovat, että valon heijastuksen ja taittumisen lakien mukaisesti fotoni on hiukkanen, ts. verisolu. (Euclid, Lucretius, Ptolemaios, I. Newton, P. Gassendi)

Toiset (R. Descartes, R. Hooke, H. Huygens, T. Jung ja O. Fresnel), jotka luottavat valon diffraktioon ja interferenssiin, uskovat, että fotonilla on aaltoluonteinen.

Kun atomiytimet ja elektronit emittoivat tai absorboivat sitä, sekä valosähköisen vaikutuksen aikana fotoni käyttäytyy kuin hiukkanen.

Ja kun fotoni kulkee lasiprisman tai esteessä olevan pienen reiän läpi, se osoittaa kirkkaat aaltoominaisuudet.

Ranskalaisen tiedemiehen Louis de Broglien kompromissiratkaisu, joka perustuu aalto-hiukkasdualismiin, jonka mukaan fotoneilla on sekä hiukkas- että aaltoominaisuuksia, ei ole vastaus tähän kysymykseen. Aalto-hiukkasten kaksinaisuus on vain väliaikaista sopimus, joka perustuu tutkijoiden ehdottomaan voimattomuuteen vastata tähän erittäin tärkeään kysymykseen.

Tämä sopimus tietysti rauhoitti tilannetta jonkin verran, mutta ei ratkaissut ongelmaa.

Tämän perusteella voimme muotoilla ensimmäinen kysymys liittyy fotoniin

Kysymys yksi.

Ovatko fotonit aaltoja vai hiukkasia? Tai kenties molemmat tai ei kumpaakaan?

Edelleen. Modernissa fysiikassa fotoni on alkuainehiukkanen, joka edustaa sähkömagneettisen säteilyn kvanttia (osaa). Kevyt on myös sähkömagneettista säteilyä ja fotonia pidetään valon kantajana. Tämä on vakiintunut varsin lujasti tietoisuutemme ja fotoni liittyy ennen kaikkea valoon.

Valon lisäksi sähkömagneettista säteilyä on kuitenkin muun tyyppisiä: gammasäteilyä, röntgensäteilyä, ultraviolettisäteilyä, näkyvää, infrapuna-, mikro- ja radiosäteilyä. Ne eroavat toisistaan ​​aallonpituudella, taajuudella, energialla ja niillä on omat ominaisuutensa.

Säteilytyypit ja niiden lyhyet ominaisuudet

Kaikentyyppisen sähkömagneettisen säteilyn kantaja on fotoni. Tiedemiesten mukaan se on sama kaikille. Samanaikaisesti jokaiselle säteilytyypille on ominaista erilainen aallonpituus, värähtelytaajuus ja erilaiset fotonienergiat. Eli eri fotoneja? Vaikuttaa siltä, ​​että useita eri tyyppejä elektromagneettiset aallot erityyppisiä fotoneja on oltava yhtä monta. Mutta nykyfysiikassa on edelleen vain yksi fotoni.

Osoittautuu tieteellinen paradoksi - säteilyt ovat erilaisia, niiden ominaisuudet ovat myös erilaisia, mutta fotoni, joka kuljettaa näitä säteilyjä, on sama.

Esimerkiksi gammasäteily ja röntgensäteet ylittävät esteet, mutta ultravioletti- ja infrapunasäteily ja näkyvä valo, joilla on pidempi aallonpituus mutta pienempi energia, eivät. Samaan aikaan mikroaaltouuni ja radioaaltosäteilyä on vielä pidempi aallonpituus ja vielä vähemmän energiaa, mutta voitat vesipatsaan ja betoniseinät. Miksi?

Fotonien läpäisykyvyt erilaisissa säteilyissä

Tässä herää kaksi kysymystä.

Kysymys kaksi.

Ovatko kaikki fotonit todella samanlaisia ​​kaikissa säteilytyypeissä?

Kolmas kysymys.

Miksi joidenkin säteilytyyppien fotonit ylittävät esteet, mutta eivät muiden säteilytyyppien fotonit? Mistä on kysymys - säteily vai fotonit?

On olemassa mielipide, että fotoni on maailmankaikkeuden pienin rakenteeton hiukkanen. Tiede ei ole vielä pystynyt tunnistamaan mitään fotonia pienempää. Mutta onko se? Loppujen lopuksi atomia pidettiin aikanaan jakamattomana ja pienimpänä ympärillämme olevassa maailmassa. Siksi neljäs kysymys on looginen:

Kysymys neljä.

Onko fotoni pieni ja rakenteeton hiukkanen vai koostuuko se vielä pienemmistä muodostelmista?

Lisäksi uskotaan, että fotonin lepomassa on nolla, mutta liikkeessä sillä on sekä massaa että energiaa. Mutta sitten on

kysymys viisi:

Onko fotoni materiaalihiukkanen vai ei? Jos fotoni on materiaali, mihin sen massa katoaa levossa? Jos se ei ole materiaalia, miksi sen täysin aineellinen vuorovaikutus ympärillämme olevan maailman kanssa tallennetaan?

Joten tässä on viisi hämmentävää kysymystä fotonista. Ja tänään heillä ei ole selkeitä vastauksiaan. Jokaisella niistä on omat ongelmansa. Ongelmat, joita yritämme pohtia tänään.

Matkoillamme "Breath of the Universe", "Depths of the Universe" ja "Power of the Universe" universumin rakenteen ja toiminnan prisman läpi pohdimme kaikkia näitä asioita melko syvällisesti. Olemme jäljittäneet koko fotonien muodostumisreitin perushiukkasten - eetteripyörrehyytymien - ilmaantumisesta galakseihin ja niiden klustereihin. Uskallan toivoa, että meillä on melko looginen ja systemaattisesti järjestetty kuva maailmasta. Siksi olettamuksesta fotonin rakenteesta tuli looginen askel universumimme tietojärjestelmässä.

Fotonirakenne

Fotoni ei ilmestynyt edessämme hiukkasena tai aaltona, vaan pyörivänä kartion muotoisena jousena, jolla on laajeneva alku ja kapeneva loppu.

Fotonin jousisuunnittelu antaa meille mahdollisuuden vastata lähes kaikkiin luonnonilmiöitä ja koetuloksia tutkittaessa herääviin kysymyksiin.

Olemme jo maininneet, että fotonit ovat erityyppisen sähkömagneettisen säteilyn kantajia. Samaan aikaan huolimatta siitä, että tiede tietää erilaisia sähkömagneettinen säteily: gammasäteily, röntgensäteily, ultravioletti, näkyvä, infrapuna, mikroaaltosäteily ja radiosäteily, näihin prosesseihin osallistuvilla kantajafotoneilla ei ole omia lajikkeitaan. Toisin sanoen joidenkin tutkijoiden mukaan kaiken tyyppistä säteilyä siirtävät tietyntyyppiset fotonit, jotka ilmenevät yhtä menestyksekkäästi gammasäteilyn prosesseissa ja radiosäteilyn prosesseissa ja kaikissa muissa säteilytyypeissä.

En voi yhtyä tähän kantaan, koska luonnolliset ilmiöt osoittavat, että kaikki tunnetut sähkömagneettiset säteilyt eroavat merkittävästi toisistaan ​​paitsi parametrien (aallonpituus, taajuus, energiaominaisuudet) mutta myös ominaisuuksiensa suhteen. Esimerkiksi gammasäteily läpäisee helposti kaikki esteet, ja näkyvä säteily pysäytetään yhtä helposti näillä esteillä.

Näin ollen yhdessä tapauksessa fotonit voivat siirtää säteilyä esteiden läpi, ja toisessa tapauksessa samat fotonit ovat jo voimattomia voittamaan mitään. Tämä tosiasia saa meidät ihmettelemään, ovatko fotonit todella niin universaaleja vai onko niillä omat lajinsa, jotka ovat yhdenmukaisia ​​universumin erilaisten sähkömagneettisten säteilyjen ominaisuuksien kanssa.

Luulen oikein, määritä jokainen säteilytyyppi oma lajike fotonit. Valitettavasti tällainen asteikko on edelleen olemassa moderni tiede ei saatavilla. Mutta tämä ei ole vain helppoa, vaan myös erittäin välttämätöntä korjata. Ja tämä on täysin ymmärrettävää, koska säteily ja sen parametrit muuttuvat, ja nykyaikaisessa tulkinnassa fotoneja edustaa vain yksi yleinen käsite - "fotoni". On kuitenkin myönnettävä, että säteilyparametrien muutoksilla lähdekirjat Myös fotoniparametrit muuttuvat.

Tilanne on samanlainen kuin sovelluksessa yleinen käsite"auto" kaikille sen merkeille. Mutta nämä merkit ovat erilaisia. Voimme ostaa Ladan, Mercedesin, Volvon tai Toyotan. Ne kaikki sopivat "auton" käsitteeseen, mutta ne ovat kaikki erilaisia ​​sekä ulkonäöltään että ulkonäöltään tekniset tiedot, ja omakustannushintaan.

Siksi olisi loogista, jos ehdotamme gammasäteilyn fotoneja, röntgenfotoneja gammasäteilyn kantajiksi, UV-säteily- ultraviolettisäteilyn fotonit jne. Kaikki tämäntyyppiset fotonit eroavat toisistaan ​​kierrosten pituuden (aallonpituuden), pyörimisnopeuden (värähtelytaajuuden) ja niiden kuljettaman energian suhteen.

Gammasäteilyn fotonit ja röntgensäteet ovat puristettu jousi minimikoot ja keskittyneellä energialla tässä pienessä tilavuudessa. Siksi niillä on hiukkasten ominaisuuksia ja ne ylittävät helposti esteitä liikkuessaan molekyylien ja aineatomien välillä.

Ultraviolettifotonit, näkyvä valo ja fotonit infrapunasäteily- tämä on sama jousi, vain venytettynä. Näiden fotonien energia pysyi samana, mutta se jakautui pitkänomaisempaan fotonin runkoon. Fotonin pituuden lisääminen mahdollistaa sen, että se näyttää aallon ominaisuuksia. Fotonin halkaisijan kasvu ei kuitenkaan anna sen tunkeutua aineen molekyylien väliin.

Mikroaalto- ja radiofotoneilla on vieläkin venytetty rakenne. Radioaaltojen pituus voi olla useita tuhansia kilometrejä, mutta niillä on pienin energia. Ne tunkeutuvat helposti esteiden läpi, ikään kuin kiertyessään esteen aineeseen ohittaen aineen molekyylit ja atomit.

Universumissa kaikenlaiset fotonit muuttuvat vähitellen gammasäteilyn fotoneista. Gammasäteen fotonit ovat ensisijaisia. Avaruudessa liikkuessaan niiden pyörimisnopeus laskee ja ne muuttuvat peräkkäin röntgensäteilyn fotoneiksi ja ne puolestaan ​​ultraviolettisäteilyn fotoneiksi, jotka muuttuvat näkyvän valon fotoneiksi jne.

Siksi gammasäteilyfotonit muunnetaan röntgenfotoneiksi. Näillä fotoneilla on pidempi aallonpituus ja pienempi spinnopeus. Sitten röntgenfotonit muunnetaan ultraviolettifotoneiksi, jotka muunnetaan näkyväksi valoksi ja niin edelleen.

Suurin osa loistava esimerkki Voimme tarkkailla tätä muutosta dynamiikassa ydinräjähdyksen aikana.

Ydinräjähdys ja sen vahingollisen vaikutuksen vyöhykkeet

Käynnissä ydinräjähdys muutamassa sekunnissa gammasäteilyn fotonivirta tunkeutuu ympäristöön noin 3 km:n etäisyydellä. Seuraavaksi gammasäteily pysähtyy, mutta röntgensäteilyä havaitaan. Uskon, että tässä tapauksessa gammasäteilyn fotonit muuttuvat röntgensäteilyn fotoneiksi ja ne peräkkäin ultravioletti-, näkyvä- ja infrapunasäteilyn fotoneiksi. Fotonien virtaus aiheuttaa vastaavasti ulkonäön haitallisia tekijöitä ydinräjähdys - läpäisevä säteily, valosäteily ja tulipalot.

"Universumin syvyyksissä" tarkastelimme yksityiskohtaisesti fotonien rakennetta ja niiden muodostumis- ja toimintaprosesseja. Meille kävi selväksi, että fotonit koostuvat halkaisijaltaan erikokoisista renkaanmuotoisista energiafraktioista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa.

Fotonirakenne

Fraktiot muodostuvat perushiukkasista - pienimmät eetteripyörrehyytymät, jotka ovat eetteritiheitä awn. Nämä eetteritiheydet ovat täysin aineellisia, aivan kuten eetteri ja koko maailma ympärillämme ovat aineellisia. Eetteritiheydet määrittävät eetteripyörrehyytymien massaindikaattorit. Möykkyjen massa muodostaa fraktioiden massan ja ne muodostavat fotonin massan. JA sillä ei ole väliä, onko hän liikkeessä vai levossa. Siksi fotoni on täysin materiaalia ja sillä on oma hyvin määritelty massa sekä levossa että liikkeessä.

Olemme jo kokeiden aikana saaneet suoraa vahvistusta ajatuksellemme fotonin rakenteesta ja sen koostumuksesta. Toivon, että julkaisemme lähitulevaisuudessa kaikki saadut tulokset. Lisäksi samanlaisia ​​tuloksia saatiin ulkomaisissa laboratorioissa. On siis syytä uskoa, että olemme oikealla tiellä.

Olemme siis vastanneet useisiin fotoneja koskeviin kysymyksiin.

Fotoni ei käsityksemme mukaan ole hiukkanen tai aalto, vaan jousi, joka voi eri olosuhteissa puristua hiukkasen kokoisiksi tai voi myös venyä osoittaen aallon ominaisuuksia.

Fotoneilla on omat lajikkeensa säteilyn tyypistä riippuen ja ne voivat olla gammasäteilyfotoneja, röntgenfotoneja, ultravioletti-, näkyvä-, infrapuna- ja mikroaaltofotoneja sekä radiofotoneja.

Fotoni on materiaalia ja sillä on massa. Hän ei ole pienin hiukkanen universumissa, mutta se koostuu eteerisistä pyörrehyytymistä ja energiafraktioista.

Ymmärrän, että tämä on jonkin verran odottamaton ja epätavallinen tulkinta fotonista. En kuitenkaan noudata yleisesti hyväksyttyjä sääntöjä ja oletuksia, jotka on hyväksytty monta vuotta sitten ilman yhteyttä prosesseihin yleistä kehitystä rauhaa. Ja logiikasta, joka tulee maailman rakenteen laeista, jotka ovat avain Totuuteen johtavaan oveen.

Samaan aikaan vuonna 2013 heidät palkittiin Nobelin palkinnot fyysikot Peter Higgs ja Francois Engler, jotka vuonna 1964 ehdottivat itsenäisesti toisen hiukkasen olemassaoloa luonnossa - neutraalin bosonin, joka kevyellä kädellä nobelisti L. Ledermania kutsuttiin "Jumalan hiukkaseksi", eli tuoksi perusperiaatteeksi, ensimmäiseksi tiileksi, josta koko meidän maailma. Vuonna 2012 suoritettiin kokeita törmäävillä protonisäteillä suurilla nopeuksilla, kaksi jälleen itsenäistä tieteellinen yhteisö taas lähes samanaikaisesti he ilmoittivat löytäneensä hiukkasen, jonka parametrit olivat samat ja vastasivat P. Higgsin ja F. Englerin ennustamia arvoja.

Tällainen hiukkanen oli kokeiden aikana rekisteröity neutraali bosoni, jonka elinikä oli enintään 1,56 x 10 -22 sekuntia ja jonka massa oli yli 100 kertaa protonin massa. Tälle hiukkaselle uskottiin kyky siirtää massaa kaikkeen materiaaliin, joka on olemassa tässä maailmassa - atomista galaksijoukkoon. Lisäksi oletettiin, että tämä hiukkanen on suora todiste tietyn hypoteettisen kentän olemassaolosta, jonka läpi kaikki hiukkaset saavat painon. Tämä on niin maaginen löytö.

Yleinen euforia tästä löydöstä ei kuitenkaan kestänyt kauan. Koska ilmaantui kysymyksiä, joita ei voinut muuta kuin ilmaantua. Todellakin, jos Higgsin bosoni todella on "Jumalan hiukkanen", niin miksi sen "elämä" on niin ohikiitävää? Jumalan ymmärtäminen on aina liitetty ikuisuuteen. Mutta jos Jumala on ikuinen, niin minkä tahansa hiukkasen Hänestä täytyy myös olla ikuinen. Se olisi loogista ja ymmärrettävää. Mutta sekunnin murto-osan kestävän bosonin ”elämä”, jossa on kaksikymmentäkaksi nollaa desimaalipilkun jälkeen, ei todellakaan sovi ikuisuuteen. Sitä on vaikea edes hetkeksi kutsua.

Lisäksi, jos aiomme puhua "Jumalan hiukkasesta", on ymmärrettävä selvästi, että sen on sijaittava kaikessa meitä ympäröivässä ja sen on edustettava itsenäistä, pitkäikäistä ja mahdollisimman vähän mahdollista tilavuutta, joka muodostaa kaiken maailmamme tunnettuja hiukkasia.

Näistä jumalallisista hiukkasista maailmamme täytyisi vähitellen rakentaa askel askeleelta. Hiukkasten on koostuttava niistä, atomien on koostuttava hiukkasista ja niin edelleen tähtiin, galaksiin ja maailmankaikkeuteen. Kaikki tunnetut ja tuntemattomat kentät on myös yhdistettävä tähän maagiseen hiukkaseen ja välittää paitsi massaa, myös kaikkea muuta vuorovaikutusta. Mielestäni tämä on loogista eikä ole ristiriidassa terveen järjen kanssa. Koska yhdistämme tämän hiukkasen jumalalliseen periaatteeseen, meillä on oltava riittävä vastaus odotuksillemme.

Olemme kuitenkin jo nähneet, että Higgsin bosonin massa ylittää merkittävästi jopa protonin massan. Mutta kuinka voit rakentaa jotain pientä suuresta? Kuinka saada norsu hiiren reikään?! Ei onnistu.

Tämä koko aihe, rehellisesti sanottuna, ei ole kovin avoin ja perusteltu. Vaikka en ehkä osaakaan pätevyyden puutteestani aivan ymmärrä jotakin, Higgsin bosoni ei kuitenkaan minun syvän vakaumukseni mukaan oikein mahdu "Jumalan hiukkasen" alle.

Toinen asia on fotoni. Tämä upea hiukkanen on muuttanut täysin ihmisen elämän planeetalla.

Eri säteilyn fotonien ansiosta näemme ympäröivän maailman, nautimme auringonvalosta ja lämmöstä, kuuntelemme musiikkia ja katsomme televisiouutisia, diagnosoimme ja hoitamme, tarkistamme ja vioittelemme metalleja, katsomme avaruuteen ja tunkeudumme aineen syvyyksiin, kommunikoimme toisiaan etäältä puhelimitse… Elämä ilman fotoneja olisi mahdotonta ajatella. Ne eivät ole vain osa elämäämme. He ovat elämämme.

Itse asiassa fotonit ovat tärkein kommunikaatioväline ihmisen ja häntä ympäröivän maailman välillä. Vain ne antavat meille mahdollisuuden sukeltaa ympäröivään maailmaan ja näön, hajun, kosketuksen ja maun avulla ymmärtää sitä ja ihailla sen kauneutta ja monimuotoisuutta. Kaikki tämä on heidän - fotonien - ansiosta.

Ja kauemmas. Tämä on luultavasti pääasia. Vain fotonit kuljettavat valoa! Ja kaikkien uskonnollisten kanonien mukaan Jumala synnytti tämän valon. Lisäksi Jumala on valo!

No, kuinka voidaan päästä yli kiusauksesta ja olla nimeämättä fotonia? todellinen "Jumalan hiukkanen"! Fotoni ja vain fotoni voivat väittää tämän korkein arvo! Fotoni on kevyt! Fotoni on lämpöä! Fotonit ovat kaikki maailman värien mellakka! Photon on tuoksuva tuoksu ja hienovarainen maku! Ei ole elämää ilman fotoneja! Ja jos niin tapahtuu, niin kuka sellaista elämää tarvitsee? Ilman valoa ja lämpöä, ilman makua ja hajua. Ei kukaan.

Siksi, jos puhumme Jumalan hiukkanen, sitten meidän tarvitsee vain puhua fotone- tästä meille annetusta upeasta lahjasta Korkeampien voimien toimesta. Mutta silloinkin vain allegorisesti. Koska Jumalalla ei voi olla hiukkasia. Jumala on yksi ja kokonainen, eikä sitä voi jakaa mihinkään osaan.

Fotoni - kvantti elektromagneettinen kenttä, alkuainehiukkanen, jonka lepomassa on nolla ja spin on yhtä suuri. Fotoni on yleisin alkuainehiukkasista. Sitä löytyy näkyvän valon virroista ja röntgensäteistä sekä radioaaltojen muodossa ja laserpulsseista. Vuonna 1964 amerikkalaiset radiotähtitieteilijät A. Penzias ja R. Wilson havaitsivat, että kosminen avaruus on täynnä millimetriä radioaaltoja, joita voidaan pitää kylmänä fotonikaasuna lämpötilassa 2,7 K. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan tämä säteily (se on ns. jäännesäteily) on peräisin vuonna alkuvaiheessa maailmankaikkeuden kehitys, kun aine oli valtavassa lämpötilassa ja paineessa (ks. Kosmologia). Jäännösfotonien keskimääräinen tiheys on noin 500 per . Tätä lukua voidaan verrata protonien runsauteen, josta ympärillämme oleva maailma on rakennettu: universumissa ei ole keskimäärin enempää kuin yksi protoni per . Siten fotonit ovat maailmankaikkeudessa miljardi kertaa yleisempiä kuin protonit.

Fotonin historiallinen kohtalo on epätavallinen; ehkä tämä on ainoa alkuainehiukkanen, jonka kokeellisen löydön tekijää on mahdotonta osoittaa. Fotonin löysi teoreettisesti M. Planck, joka 14. joulukuuta 1900 Berliinin fyysisen seuran kokouksessa ilmaisi hypoteesinsa säteilyenergian kvantisoinnista. Siitä hetkestä lähtien fysiikassa alkoi kvanttiaikakausi.

Planckin ideaa kehittäessään A. Einstein ehdotti vuonna 1905, että valo ei ainoastaan ​​säteile ja absorboi yksittäisiä osia, vaan se myös koostuu niistä. Tämä oli rohkea ja epätavallinen yleistys. Esimerkiksi juomme vettä aina annoksina, kulauksina, mutta tästä ei seuraa, että vesi koostuisi yksittäisistä kulauksista. Einsteinin teorian mukaan sähkömagneettinen aalto alkoi näyttää kvanttivirralta.

Planckin hypoteesi teki mahdolliseksi selittää valosähköisen vaikutuksen, luminesenssin ja monien muiden ilmiöiden lait. Sähkömagneettisen säteilyn korpuskulaariset ominaisuudet ilmenivät selkeimmin A. Comptonin kokeissa röntgensäteiden sironnasta vapailla elektroneilla (1922). Compton-ilmiö vahvisti kvanttikäsitteiden oikeellisuuden noin elektromagneettinen säteily ja fysiikkaan 1920-luvulla. uusi alkuainehiukkanen nimeltä fotoni tuli vihdoin sisään (alkaen Kreikan sana, joka tarkoittaa "valoa").

Fotonilla, kuten kaikilla muillakin kvanttihiukkasilla, on samanaikaisesti sekä aalto- että korpuskulaarisia ominaisuuksia, joten lähes kaksi vuosisataa kestäneessä kiistassa aallon kannattajien ja korpuskulaaristen valoteorioiden välillä kaikki osoittautuivat oikeiksi. omalla tavalla. SISÄÄN tavallinen elämä valon korpuskulaariset ominaisuudet eivät näy, koska kyseessä ei ole yksitellen fotoneista, vaan suuresta määrästä kerralla, havaittuna valoaalto. Tiedetään, että sähkömagneettiselle aallolle on tunnusomaista ympyrätaajuus o), intensiteetti ja etenemisnopeus c, joilla on perusmerkitys vuorovaikutusten etenemisnopeuden rajoittamiseksi ( moderni merkitys). Aaltoa vastaavilla fotoneilla on energiaa ja liikemäärää (Planckin vakion J s nykyarvo). Esimerkiksi Auringon maksimisäteily osuu valoon, jonka aallonpituus on K cm, mikä vastaa Hz:n ympyrätaajuutta. Tällaisten fotonien energia on J. Aurinkovakio, eli energiamäärä aikayksikköä kohden pinta-alayksikköä kohti maanpinta, on yhtä suuri kuin , josta voimme laskea, että 1 sekunnissa valtava määrä fotoneja, noin . Samanaikaisesti alkuainehiukkasilla tehdyissä kokeissa ilmaisimet tallentavat fotoneja yksitellen, ja jopa ihmissilmä pystyy periaatteessa tähän.

Fotonien lukumäärä ei ole vakio, ne voivat syntyä ja tuhoutua vuorovaikutusprosesseissa, esimerkiksi tuhoutumisprosessissa (katso Antimateria, - elektronin ja positroni symbolit, - fotonin symboli, gamma-kvantti). Sekä tässä että Compton-ilmiössä fotonit toimivat todellisina havaittavissa olevina hiukkasina. Lisäksi fotonit voivat esiintyä havaitsemattomassa, virtuaalisessa tilassa, kuljettaen sähkömagneettista vuorovaikutusta.

Fotonien ominaisuudet kuten alkeishiukkanen Ne juurtuvat klassiseen sähködynamiikkaan. Fotoni on sähköisesti neutraali, sen varaus on nolla. (Muuten kaksi sähkömagneettista aaltoa voisivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, ja kahden varauksen kenttä ei enää olisi kummankin kenttien summa erikseen.) Fotonilla ei myöskään ole muita varauksia: sen sanotaan olevan todella neutraali ja identtinen sen antihiukkasen kanssa (katso Antimateria). Fotonin varauspariteetti on -1, mikä seuraa ilmeinen tosiasia muuttuu sähkö- ja magneettikenttien suunnassa vastakkaisiin, kun minkä tahansa järjestelmän kaikkien varausten merkit muuttuvat. Varauspariteetin säilyminen sähkömagneettisissa vuorovaikutuksissa, joka liittyy elektronien ja niiden antihiukkasten - positronien - väliseen symmetriaan, johtaa tiettyihin reaktioiden rajoituksiin. Esimerkiksi jotkut hiukkasjärjestelmät voivat hajota vain parilliseen lukumäärään fotoneja, kun taas toiset voivat hajota vain parittomaksi luvuksi (katso Antimateria).

Erityisen hyvin on tutkittu fotonien vuorovaikutusprosessit elektronien ja positronien kanssa - tämä on ns. kvanttielektrodynamiikka, jonka ennusteita on testattu kokeissa erittäin tarkasti.

Fotonin loppumassa on nolla. Tämä tarkoittaa, että fotonia ei voida pysäyttää eikä hidastaa. Energiastaan ​​huolimatta se on tuomittu liikkumaan perusnopeudella c. Jos oletetaan, että fotonilla on pieni, mutta silti rajallinen massa, voimme tutkia havaittuja vaikutuksia. Kuten tavallisten hiukkasten kohdalla, fotonien nopeus riippuisi tällöin niiden energiasta (eli säteilyn aallonpituudesta) ja olisi aina pienempi kuin c. Sähkömagneettisten aaltojen dispersion vaikutus tyhjiössä voitaisiin periaatteessa havaita pulsareiden säteilyllä. Kuvannollisesti sanottuna siniset säteet saavuttavat havaitsijan ennen punaisia. Ottaen huomioon valtavat etäisyydet, jotka erottavat meidät pulsareista, saapumisaikojen tulisi erota huomattavasti jopa pienistä eroista eri säteiden nopeuksissa.

Rajallisen lepomassan läsnäolo fotonissa johtaisi sähkömagneettisten voimien rajallisen toiminta-alueen ilmenemiseen. Itse asiassa, jos varaus lähettää virtuaalisen fotonin, niin energiaan syntyy epävarmuutta, ja epävarmuussuhteen mukaan tällainen fotoni voi olla olemassa vain tietyn ajan. Tänä aikana se kulkee matkaa, joka ei ole suurempi kuin , minkä jälkeen sen on absorboitava toinen varaus.