Фотон

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
фотон
склад: фундаментальна частинка
родина: бозон
група: калібрувальні бозони
покоління: перше
взаємодії: Електромагнітна
Гравітаційна
античастинка: істинно нейтральна
статус: стабільний
символ:  \gamma \,
Маса: 0
Електричний заряд: 0
спін: 1

Фото́н (грец. Φωτόνιο) — квант електромагнітного випромінювання, елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії. З фотонів складається електромагнітна хвиля, її енергія визначається характеристиками та числом фотонів. Фотони належать до бозонів, тобто в світі може існувати як завгодно багато фотонів з однаковими квантовими числами. Фотони є істинно нейтральними частинками, і не мають античастинок. Фотон є власною античастинкою[к 1]. У квантовій електродинаміці фотони описуються векторним полем, а тому їм приписується спін 1.

Характеристики[ред.ред. код]

Фотон відповідає монохроматичній плоскій електромагнітній хвилі, й зберігає такі її характеристики як хвильовий вектор та поляризація. Із хвильовим вектором  \mathbf{k} пов'язаний імпульс фотона  \mathbf{p}  :

 \mathbf{p} = \hbar \mathbf{k} ,

де  \hbar  — зведена стала Планка. Хвильовий вектор електромагнітної хвилі визначається довжиною і напрямком розповсюдження.

Енергія фотона  E зв'язана з частотою електромагнітної хвилі  \omega за допомогою формули

 E = \hbar \omega .

Це віповідає лінійному закону дисперсії електромагнітної хвилі  \omega = c k , де c — швидкість світла. Закон дисперії для фотона:

 E = cp ,

а тому імпульс фотона можна визначити за формулою

 p = \frac{E}{c} = \frac{\hbar \omega}{c} .

Лінійність закону дисперсії фотонів означає, що вони безмасові частинки, і завжди рухаються зі швидкістю світла[к 2].

Взаємодії[ред.ред. код]

Реальна електромагнітна хвиля є суперпозицією великого числа різних фотонів, які можуть інтеферувати між собою, збільшуючи чи зменшуючи амплітуду хвилі в різни точках простору. Однак, крім інтерференції у вакуумі фотони не взаємодіють між собою: не розсіюються один на одному, не народжуються і не поглинаються.

Механізм взаємодії фотонів з іншими частинками — електромагнітна взаємодія. Розповсюджуючись як хвилі, фотони взаємодіють з речовиною як корпускули, що відображає їхню подвійну корпускулярно-хвильову природу. Електричний заряд є тією характеристикою, яка зумовлює взаємодію частинок з фотонами. Це не означає, що нейтральні тіла з фотонами не взаємодіють — у фізичних системах складної структури важливий не тільки загальний заряд, важливий також його розподіл.

Елементарні акти взаємодії[ред.ред. код]

Елементарними актами взаємодії фізичних систем із фотонами є випромінювання, поглинання та розсіяння. При акті випромінювання кількість фотонів в електромагнітному полі збільшується на одиницю, відповідно збільшується й енергія поля, і за законом збереження енергії зменшується енергія фізичної системи:

 E_i - E_f = \hbar \omega ,

де  E_i - енергія початкового стану,  E_f - енергія кінцевого стану. Імовірність акту випромінювання пропорційна  n +1 , де n - кількість фотонів відповідної частоти в полі. Отже, випромінювання може відбутися і в тому випадку, коли фотонів немає. Таке випромінювання називаєтся спонтанним. Випромінювання при  n \neq 0 називається вимушеним. Вимушене випромінювання використовується в лазерах. Якщо фізична система перебуває в стані з найнижчою енергією (основному), то вона не може випромінити фотон.

При акті поглинання кількість фотонів в електромагнітному полі зменшується на одиницю, а фізична система, що взаємодіє з полем збільшує свою енергію:

 E_f - E_i = \hbar \omega .

Поглинання фотона має резонансний характер. Фотон з енергією  \hbar \omega поглинається тоді, коли система має збуджений стан із відповідною енергією. Імовірність поглинання фотона пропорційна числу фотонів, тобто енергії електромагнітного поля.

При розсіянні початковий фотон зникає, але народжується інший. Якщо новий фотон має ту ж енергію, що й початковий, але змінює напрямок, таке розсіяння називається пружним. Розсіяння, при якому змінюється енергія фотона називається непружним.

Вільна заряджена частинка, наприклад, електрон, що рухається зі сталою швидкістю, не може випромінити чи поглинути фотон через неможливість одночасного виконання законів збереження енергії та імпульсу. Непружне розсіяння фотона на електроні можливе, якщо енергія фотона перевищує певну межу. Таке розсіяння називається комптоновим.

Фотон у гравітаційному полі[ред.ред. код]

Фотон розповсюджується таким чином, щоб подолати шлях між двома точками в просторі за найменший час, тобто вздовж геодезичної. У викривленому просторі поблизу масивних тіл, геодезична не збігається із прямою лінією Евклідового простору. Як наслідок, пролітаючи поблизу зірок, траєкторія фотона може викривлюватися. Це один із висновків загальної теорії відносності, й є одним з її експериментальних підтверджень.

В гравітаційному полі енергія фотона змінюється, а, отже, змінюється частота електромагнітної хвилі. Це явище називають гравітаційним червоним зміщенням.

Фотони різних енергій[ред.ред. код]

Фотони видимого світла мають енергії в діапазоні від 1,7 до 3 еВ; вони з'являються при переходах атомів і молекул із збуджених станів в стани з меншою енергією. Гамма-фотони появляються в результаті аналогічних процесів, що відбуваються в середині атомних ядер. При гальмуванні електронів високих енергій можуть бути отримані фотони дуже великих енергій — до 1000 МеВ, що майже в 2000 разів перевищує власну енергію нерухомого електрона. Фотони високих енергій можуть перетворитися в пару заряджених частинок — електрон й позитрон. При цьому енергія фотона, що зникає, повинна бути більшою за суму власних енергій частинок, що з'явилися.

Модель фотонного газу Бозе — Ейнштейна[ред.ред. код]

Квантова статистика, що застосовується до систем частинок з цілим спіном, була запропонована у 1924 році індійським фізиком Бозе для квантів світла та розвинена Альбертом Ейнштейном для усіх бозонів. Електромагнітне випромінення в середині деякого об'єму можна розглядати як ідеальний газ, який складається з сукупності фотонів, що практично не взаємодіють один з одним. Термодинамічна рівновага цього фотонного газу досягається шляхом взаємодії зі стінками порожнини. Вона наступає тоді, коли стінки випромінюють у одиницю часу стільки ж фотонів, скільки поглинають[1].

Коментарі[ред.ред. код]

  1. Існують нейтральні частинки, які мають античастинки, наприклад, нейтрино.
  2. Швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі в середовищі відрізняється від швидкості світла у вакуумі тому, що в середовищі фотони багаторазово поглинаються і перевипромінюються, що їх сповільнює.

Посилання[ред.ред. код]

  1. А. С. Василевский, В. В. Мултановский. Статистическая физика и термодинамика = Статистическая физика и термодинамика. — Москва: Просвещение, 1985. — Т. 2. — С. 163—167.