Вікіпедія

Фотон: відмінності між версіями

Інтерактивний перегляд історії
(Переглянути усі неперевірені зміни)
[перевірена версія][перевірена версія]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
Немає опису редагування
Немає опису редагування
Рядок 12:
| частинка =
| античастинка = <math>~\gamma</math> ({{нп|Істинно нейтральні частинки|істинно нейтральна частинка|ru|Истинно нейтральные частицы}})
| статус =
| передбачена = [[Макс Планк|М.&nbsp;Планк]] ([[1900]]);<br /> [[Альберт Ейнштейн|А.&nbsp;Ейнштейн]] ({{nobr|[[1905]]—}}[[1917]])
| відкрита = [[1923]] (остаточне підтвердження)
| символ = <math>~\gamma,</math> іноді <math>~\gamma^0, h\nu</math>
| маса = 0 (&lt; 10<sup>−22</sup> [[Питання еквівалентності маси та енергії|еВ/c<sup>2</sup>]])<ref>{{стаття|автор=Pani Paolo, Cardoso Vitor, Gualtieri Leonardo, Berti Emanuele, Ishibashi Akihiro|назва=Black-Hole Bombs and Photon-Mass Bounds|посилання=http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.109.131102|мова=en|видання=[[Physical Review Letters]]|рік=2012|том=109|випуск=13|сторінки=131102 (5 p.)|doi=10.1103/PhysRevLett.109.131102}}</ref>
| час_життя = стабільний
| розпадається_на =
| заряд = 0 (&lt;10<sup>−35</sup> [[елементарний електричний заряд|e]])<ref name="DPG">[http://pdg.lbl.gov/2009/tables/rpp2009-sum-gauge-higgs-bosons.pdf Particle Data Group] (2008)</ref><ref name="chargeless">
{{cite journal
Рядок 29:
| volume = 31
| pages = 147—151
|doi = 10.1134/1.1883345 }} {{en icon}}<br />
{{cite journal
| last = Altschul
Рядок 38:
| volume = 98
| pages = 261801}} {{en icon}}</ref>
| кольоровий_заряд =
| спін = 1
| число_спінових_станів = 2
}}
 
Рядок 205:
| year = 1678
| title = Traité de la lumière
}} {{fr icon}}. An [http://www.gutenberg.org/etext/14725 English translation] is available from Project Gutenberg ([[проект «Гутенберг»]])</ref>.
Однак моделі, що базувалися на ідеї дискретної будови світла, залишалися домінуючими, значною мірою через вплив авторитета [[Ісаак Ньютон|Ісаака Ньютона]], який притримувався цих теорій.<ref name="Newton1730">
{{cite book
Рядок 446:
|сторінок = 448
}}{{ref-ru}}</ref>:
# ''Енергія та імпульс зберігаються лише [[статистика|статистично]] (в середньому) у взаємодіях між матерією та випромінюванням.'' В окремих елементарних процесах, таких як випромінювання і поглинання, закони [[закон збереження енергії|збереження енергії]] та [[закон збереження імпульсу|імпульсу]] не виконуються.<br />Це припущення дозволило узгодити східчастість зміни енергії атома (переходи між енергетичними рівнями) з неперервністю зміни енергії самого випромінювання.
# ''Механізм випромінювання має специфічний характер.'' Зокрема, [[спонтанне випромінювання]] розглядалося як випромінювання, [[Вимушене випромінювання|стимульоване]] «віртуальним» електромагнітним полем.
 
Рядок 479:
| volume = 13
| pages = 27—69
}} {{en icon}}</ref> продовжували розробляти напівкласичні моделі, в яких [[електромагнітне випромінювання]] не вважалося квантованим, але проблема отримала своє вирішення тільки в рамках [[квантова механіка|квантової механіки]]. Ідея фотонів при поясненні фізичних та хімічних експериментів стала загальноприйнятою до 70-х років XX століття. Всі напівкласичні теорії більшістю фізиків стали вважатися остаточно спростованими в 70-х і 80-х роках в експериментах по фотонній кореляції<ref>Результати цих експериментів не можуть бути пояснені класичною теорією світла, оскільки в них даються взнаки антикореляції, пов'язані з особливостями {{нп|Вимірювання (квантова механіка)|квантових вимірювань|ru|Измерение (квантовая механика)}}. В [[1974]] році перший подібний експеримент був проведений Клаузером, результати експерименту виявили порушення [[нерівність Коші — Буняковського|нерівності Коші &nbsp;— Буняковського]]. В [[1977]] році Кімбл продемонстрував подібний ефект для однаково поляризованих фотонів, які проходили через аналізатор. Деякі з цих фотонів проходили крізь аналізатор, інші відбивалися, причому абсолютно випадковим чином({{cite web
| author = Л. Э. Паргаманик.
| url = http://psylib.org.ua/books/koncelo/txt08.htm
Рядок 494:
Фотон&nbsp;— безмасова нейтральна частинка. [[Спін]] фотона дорівнює 1 (частинка є [[бозон]]ом), але через нульову масу спокою більш придатною характеристикою є [[Спіральність частинки|спіральність]], проекція спіну частинки на напрямок руху. Фотон може перебувати тільки у двох спінових станах зі спіральністю, рівною <math>\pm1</math>. Цій властивості в [[Класична електродинаміка|класичній електродинаміці]] відповідає циркулярна поляризація [[Електромагнітна хвиля|електромагнітної хвилі]].<ref name="physicaldictionary" />
 
[[Маса спокою|Масу спокою]] фотона вважають рівною нулю, базуючись на експерименті (відмінність маси фотона від нуля призвела б до дисперсії електромагнітних хвиль у вакуумі, що розмазало б по небі спостережувані зображення галактик) та теоретичних обґрунтуваннях (у квантовій теорії поля доводиться, що якщо б маса фотона не дорівнювала нулю, то електромагнітні хвилі мали б три, а не два поляризаційних стани).<ref>{{книга | автор = [[Широков Юрій Михайлович|Широков Ю. М.]], Юдин Н. П. | назва = Ядерная физика | місце = {{comment|М.|Москва}} | видавництво = Наука | рік = 1972 | сторінок = 240 | isbn = | ref = Широков }}{{ref-ru}}</ref>
Тому швидкість фотона, як і швидкість будь-якої безмасової частинки, дорівнює [[швидкість світла|швидкості світла]]. З цієї причини (не існує системи відліку, в якій фотон перебуває у стані спокою) {{нп|P-симетрія|внутрішня парність|ru|P-симметрия}} частинки не визначена.<ref name="physicaldictionary" />
Якщо приписати фотону наявність т.&nbsp;зв. «[[Маса|релятивістської маси]]» (термін виходить із вжитку) виходячи з співвідношення <math>m = \tfrac{E}{c^2},</math>
Рядок 510:
 
Фотон перебуває частину часу у вигляді [[віртуальна частинка|віртуальної частинки]] {{нп|Векторні мезони|векторного мезона|ru|Векторные мезоны}} або віртуальної пари [[адрон]]-антиадрон. За рахунок цього явища фотон здатний брати участь у [[Сильна взаємодія|сильних взаємодіях]]. Свідченням участі фотона у сильних взаємодіях є процеси фотонародження {{nobr|<math>\pi</math>-мезонів}} на протонах і нейтронах, а також численні утворення нуклонів на протонах і ядрах.
Перетини процесів фотонародження нуклонів на протонах і нейтронах дуже близькі один до одного. Це пояснюється тим, що у фотона є адронна складова, за рахунок чого фотон бере участь у сильних взаємодіях.<ref>Денисов С. &nbsp;П. &nbsp;Превращение излучения в вещество, {{нп|Соросівський освітній журнал|Соросовский образовательный журнал|ru|Соросовский образовательный журнал}}, 2000, № &nbsp;4, c. 84-89{{ref-ru}}</ref><ref>[[Річард Філіпс Фейнман|Фейнман Р.]] Взаимодействие фотонов с адронами, {{comment|М.|Москва}}, Мир, 1975{{ref-ru}}</ref><ref>Физика микромира, под ред. {{нп|Дмитро Васильович Ширков|Д. В. Ширкова|ru|Ширков, Дмитрий Васильевич}}, {{comment|М.|Москва}}, [[Велика російська енциклопедія (видавництво)|Советская энциклопедия]], 1980, статья «Фотон»{{ref-ru}}</ref>
 
Фотон не має [[електричний заряд|електричного заряду]] і не розпадається спонтанно у [[вакуум]]і, стабільний. Може мати один із двох станів [[Поляризація хвиль|поляризації]] та описується трьома просторовими параметрами&nbsp;— складовими [[хвильовий вектор|хвильового вектора]], який визначає його довжину хвилі <math>~\lambda</math> та напрямок поширення.
Рядок 571:
|year=2002
|isbn=5-9221-0058-0
}} {{ru icon}} &nbsp;— § &nbsp;3, c. 26—27 і § &nbsp;4, c. 29.</ref>
 
[[Файл:Gamma-ray-microscope.svg|thumb|200px|right|[[Уявний експеримент]] [[Вернер Гейзенберг|Гейзенберга]] по визначенню положення [[електрон]]а (зафарбований синім) з допомогою [[Гамма-промені|гамма-променевого]] мікроскопа високої роздільності. Падаючі гамма-промені (показані зеленим) розсіюються на електроні і потрапляють в апертурний кут мікроскопа {{math|θ}}. Розсіяні гамма-промені показані на рисунку червоним кольором. [[Оптика|Класична оптика]] показує, що положення електрона може бути визначене тільки з точністю до певного значення {{math|Δ''x''}}, яке залежить від кута {{math|θ}} і від [[довжина хвилі|довжини хвилі]] {{math|λ}} падаючих променів.]]
Рядок 656:
|year=2002
|isbn=5-9221-0058-0
}} {{ru icon}} &nbsp;— § &nbsp;5 c. 29</ref>
Були запропоновані змінені варіанти хвильової функції для фотонів<ref>
{{cite journal
Рядок 700:
але вони не стали загальноприйнятими. Замість цього у фізиці використовується теорія [[Вторинне квантування|вторинного квантування]] ([[квантова електродинаміка]]), в якій фотони розглядаються як квантовані збурення електромагнітних {{нп|Нормальні хвилі|мод|ru|Нормальные волны}}.
 
== Модель фотонного газу Бозе &nbsp;— Ейнштейна ==
{{Main|Статистика Бозе — Ейнштейна|Газ Бозе}}
Квантова статистика, яка застосовується до систем частинок з цілочисловим [[спін]]ом, була запропонована в [[1924]] році індійським фізиком [[Шатьєндранат Бозе|Ш.&nbsp;Бозе]] для квантів світла і розвинута [[Альберт Ейнштейн|А.&nbsp;Ейнштейном]] для всіх бозонів. Електромагнітне випромінювання всередині деякого об'єму можна розглядати як [[ідеальний газ]], що складається з сукупності фотонів, які практично не взаємодіють один з одним.
Рядок 769:
| pmid=17789847
}} {{en icon}}</ref>
У сучасному розумінні бозони, якими є і фотони, підпорядковуються [[Статистика Бозе — Ейнштейна|статистиці Бозе&nbsp; &nbsp;— Ейнштейна]], а [[ферміон]]и, наприклад, [[електрон]]и,&nbsp;— [[статистика Фермі — Дірака|статистиці Фермі&nbsp;— Дірака]].<ref>
{{Cite book
|last=Streater
Рядок 1170:
| archivedate = 2011-08-21
}}{{ref-ru}}</ref>
Поглинання фотона може навіть спричинити руйнування хімічних зв'язків, як при [[Фотоліз|фотодисоціації]] [[хлор]]у; такі процеси є об'єктом вивчення [[фотохімія|фотохімії]].<ref>Розділ 11-5 &nbsp;°C в {{Cite book
|last=Pine
|first=S. H.
Рядок 1188:
== Технічне застосування ==
<!-- Потрібно буде замінити на {{main|Застосування лазерів|Спектральний аналіз}}, як тільки з'явиться стаття «Застовування лазерів» -->
: <div class="noprint">'' Докладніше: {{нп|Застосування лазерів||ru|Применение лазеров}} та [[Спектральний аналіз|Спектральний аналіз]]''</div>
 
Існує багато технічних пристроїв, які так чи інакше використовують у своїй роботі фотони. Нижче для ілюстрації наведені лише деякі з них.
Рядок 1195:
 
Важливим технічним пристроєм, що використовує фотони, є [[лазер]]. Його робота базується на явищі [[вимушене випромінювання|вимушеного випромінювання]], розглянутого вище. Лазери застосовуються в багатьох областях технології. Технологічні процеси ([[зварювання]], {{нп|Різання|різка|ru|Резание}} і [[плавлення]] металів) здійснюються, переважно, газовими лазерами, які мають високу середню [[потужність]]. В [[металургія|металургії]] вони дозволяють отримати надчисті метали.
Надстабільні лазери є основою оптичних стандартів частоти, лазерних [[сейсмограф]]ів, [[гравіметр]]ів та інших точних фізичних приладів. Лазери з перестроюваною частотою (наприклад, {{нп|лазер на барвниках||ru|Лазер на красителях}}) здійснили революцію в [[спектроскопія|спектроскопії]], суттєво підвищили [[Роздільна здатність (оптика)|роздільну здатність]] та чутливість методу аж до спостереження [[спектр]]ів окремих атомів.<ref>Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. &nbsp;М. &nbsp;Прохоров. Ред. кол. Д. &nbsp;М. &nbsp;Алексеев, А. &nbsp;М. &nbsp;Бонч-Бруевич, А. &nbsp;С. &nbsp;Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. &nbsp;— 340 с.{{ref-ru}}</ref> Лазери також застосовуються в медицині як {{нп|Лазерний скальпель|безкровні скальпелі|ru|Лазерный скальпель}}, при лікуванні очних та шкірних захворювань.
[[Лідар|Лазерна локація]] сприяла уточненню систем {{нп|космічна навігація|космічної навігації|ru|Космическая навигация}}, розширила знання про атмосфери і будову поверхні планет, дозволила виміряти швидкість обертання [[Венера (планета)|Венери]] та [[Меркурій (планета)|Меркурія]], суттєво уточнила характеристики руху [[Місяць (супутник)|Місяця]] і планети Венера у порівнянні з астрономічними даними. З використанням лазерів намагаються вирішити проблему [[Керований термоядерний синтез|керованого термоядерного синтезу]].<ref>{{cite web
| url = http://www.astronet.ru/db/msg/1175822/page4.html
Рядок 1207:
 
Випромінювання і поглинання фотонів речовиною використовується в [[спектральний аналіз|спектральному аналізі]]. [[Атом]]и кожного [[хімічний елемент|хімічного елемента]] мають строго визначені [[резонанс|резонансні частоти]], в результаті чого саме на цих частотах вони випромінюють або поглинають світло. Це призводить до того, що спектри випромінювання і поглинання атомів та молекул індивідуальні, подібно до [[дактилоскопія|відбитків пальців]] у людей.
[[Файл:Emission spectrum-Fe.png|center|frame|[[Емісійний спектр]] (спектр випромінювання) [[залізо|заліза]].]]<br clear=left />
За застосовуваними методами розрізняють декілька типів спектрального аналізу<ref>{{книга
|автор = А. А. Бабушкин, П. А. Бажулин, Ф. А. Королев, Л. В. Левшин, В. К. Прокофьев, А. Р. Стриганов.
Рядок 1267:
 
== Взаємодії ==
Реальна електромагнітна хвиля є [[суперпозиція|суперпозицією]] великого числа різних фотонів, які можуть [[Інтерференція хвиль|інтеферувати]] між собою, збільшуючи чи зменшуючи амплітуду хвилі в різних 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&nbsp;— [[електромагнітна взаємодія]]. Розповсюджуючись як хвилі, фотони взаємодіють з речовиною як корпускули, що відображає їхню подвійну [[корпускулярно-хвильовий дуалізм|корпускулярно-хвильову природу]]. [[Електричний заряд]] є тією характеристикою, яка зумовлює взаємодію частинок з фотонами. Це не означає, що нейтральні тіла з фотонами не взаємодіють&nbsp;— у фізичних системах складної структури важливий не тільки загальний заряд, важливий також його розподіл.
Рядок 1273:
=== Елементарні акти взаємодії ===
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:
: <math> E_i - E_f = \hbar \omega </math>,
 
де <math> E_i </math> -&nbsp;— енергія початкового стану, <math> E_f </math> -&nbsp;— енергія кінцевого стану. Імовірність акту випромінювання пропорційна <math> n +1 </math>, де ''n'' -&nbsp;— кількість фотонів відповідної частоти в полі. Отже, випромінювання може відбутися і в тому випадку, коли фотонів немає. Таке випромінювання називається [[спонтанне випромінювання|спонтанним]].
Випромінювання при <math> n \neq 0 </math> називається [[Вимушене випромінювання|вимушеним]]. Вимушене випромінювання використовується в [[лазер]]ах. 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:
: <math> E_f - E_i = \hbar \omega </math>.
 
Поглинання фотона має [[резонанс]]ний характер. Фотон з енергією <math> \hbar \omega </math> 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 [[Ефект Комптона|комптоновим]].
 
=== Фотон у гравітаційному полі ===
Фотон розповсюджується таким чином, щоб подолати шлях між двома точками в просторі за найменший час, тобто вздовж [[Геодезична лінія|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 [[загальна теорія відносності|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 [[Гравітаційне червоне зміщення|гравітаційним червоним зміщенням]].
Отримано з https://uk.wikipedia.org/wiki/Фотон