Фотон: відмінності між версіями
| [перевірена версія] | [перевірена версія] |
Вилучено вміст Додано вміст
Немає опису редагування |
Виправлено джерел: 23; позначено як недійсні: 0. #IABot (v2.0beta14) |
||
Рядок 56:
| видавництво = [[Большая Российская энциклопедия (издательство)|Советская энциклопедия]]
| рік = 1988
| том = 1}}{{ref-ru}}</ref><ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>
Їм приписується [[спін]] 1.
Рядок 128 ⟶ 131:
Введення поняття фотона сприяло створенню нових теорій та фізичних приладів, а також стимулювало розвиток експериментальної та теоретичної бази квантової механіки. Наприклад, були винайдені [[мазер]], [[лазер]], відкрите явище [[Конденсація Бозе — Ейнштейна|конденсації {{nobr|Бозе —}} Ейнштейна]], сформульована [[квантова теорія поля]] та ймовірнісна інтерпретація квантової механіки. У сучасній [[Стандартна модель|Стандартній моделі]] [[Фізика елементарних частинок|фізики елементарних частинок]] існування фотонів є наслідком того, що фізичні закони інваріантні відносно локальної [[Калібрувальна інваріантність|калібрувальної симетрії]] у будь-якій точці [[Простір-час|простору-часу]] (див. детальніший опис нижче в розділі [[#Фотон як калібрувальний бозон|Фотон як калібрувальний бозон]]). Цією ж симетрією визначаються внутрішні властивості фотона, такі як [[електричний заряд]], [[маса]] та [[спін]].
Концепція фотонів застосовується у [[фотохімія|фотохімії]]<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>,
[[відеотехніка|відеотехніці]], [[Комп'ютерна томографія|комп'ютерній томографії]], мікроскопії високої роздільності та вимірюванні міжмолекулярних відстаней. Фотони також використовуються як елементи [[квантовий комп'ютер|квантових комп'ютерів]]<ref>
{{cite web|author=С. Фролов.|url=http://pekines.fizteh.ru/f_v1ldj/a_20yjj.esp|title=Принцип квантового компьютера|accessdate=2009-04-08|archiveurl=https://web.archive.org/web/20021019184641/http://pekines.fizteh.ru/f_v1ldj/a_20yjj.esp|archivedate=2002-10-19|deadurl=no}}{{ref-ru}}
</ref>
і наукомістких приладів для передачі даних (див. [[квантова криптографія]]).
=== Історія назви та позначення ===
[[Альберт Ейнштейн]] спочатку назвав фотон «світловим квантом» ({{lang-de|das Lichtquant}}).<ref name="Einstein1905" /> Сучасна назва, яку фотон отримав від [[Грецька мова|грецького]] слова {{polytonic|φῶς}}, «phōs» («світло»), була введена в [[1926]] хіміком [[Гілберт Ньютон Льюїс|Гілбертом Льюїсом]]<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>,
який опублікував свою теорію<ref name="Lewis1926">{{cite journal
| last = Lewis
Рядок 217 ⟶ 223:
| publisher = Dover Publications
| isbn=0-486-60205-2
}} {{en icon}}</ref><ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>
На початку XIX століття [[Томас Юнг]] та [[Огюстен Жан Френель|Огюстен Френель]] наочно продемонстрували у своїх дослідах явища інтерференції та дифракції світла, після чого приблизно до 1850 року хвильові моделі стали загальноприйнятими.<ref>
{{cite book
Рядок 280 ⟶ 289:
Дослідження властивостей випромінювання [[абсолютно чорне тіло|абсолютно чорного тіла]], яке здійснювалося протягом майже сорока років (1860—1900)<ref name="Wien1911">
{{cite web
|
|
|
|
|
|
|
|accessdate = 2016-03-26
|deadurl = no
}} {{en icon}}
</ref>,
завершились висуненням {{нп|Гіпотеза Планка|гіпотези||Planck postulate}} [[Макс Планк|Макса Планка]]<ref name="Planck1901">
{{cite journal
Рядок 299 ⟶ 311:
}} {{de icon}}</ref><ref name="Planck1918">
{{cite web
|
|
|
|
|
|
|accessdate = 2016-03-26
|deadurl = no
}} {{en icon}}
</ref>
про те, що енергія будь-якої системи при випромінюванні чи поглинанні електромагнітного випромінювання частоти <math>~\nu </math> може змінюватися лише на величину, кратну енергії кванта <math>~E = h\nu </math> (тобто [[дискретність|дискретно]]), де {{nobr|<math>~h</math> —}} [[стала Планка]].<ref>{{книга
|автор = А. А. Детлаф, Б. М. Яворский.
Рядок 317 ⟶ 332:
|isbn = 5-7695-2312-3
}}{{ref-ru}}</ref>
[[Альберт Ейнштейн]] показав, що таке уявлення про квантування енергії повинно бути прийняте, щоб пояснити спостережувану теплову рівновагу між речовиною та електромагнітним випромінюванням.<ref name="Einstein1905" /><ref name="Einstein1909" /> На цій же основі ним був теоретично описаний [[Фотоефект|фотоелектричний ефект]], за цю роботу Ейнштейн отримав у [[1921]] році [[Нобелівська премія з фізики|Нобелівську премію з фізики]].<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}
</ref>
Теорія Максвелла, навпаки, припускає, що електромагнітне випромінювання може мати яку завгодно енергію (тобто не квантується).
Рядок 395 ⟶ 413:
Як згадується в нобелівській лекції [[Роберт Ендрюс Міллікен|Роберта Міллікена]], передбачення, зроблені в [[1905]] році Ейнштейном, були перевірені експериментально кількома незалежними способами у перші два десятиліття [[XX століття]]<ref
name="Millikan1923">
{{cite web | url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/millikan-lecture.html
| title = Robert A. Millikan’s Nobel Lecture
| archiveurl =
| archivedate = 2011-08-11
| accessdate = 2016-03-26
| deadurl = no
}} {{en icon}} Опубліковано 23 травня 1924 року.
</ref>.
Тим не менш, до знаменитого експерименту Комптона<ref name="Compton1923"/>
ідея квантової природи електромагнітного випромінювання не була серед фізиків загальноприйнятою (див., наприклад, Нобелівські лекції [[Вільгельм Він|Вільгельма Віна]]<ref name="Wien1911"/>,
Рядок 414 ⟶ 436:
|сторінок = 152
}}{{ref-ru}}</ref>
(правда, отримати спектри інших атомів у цих моделях не вдавалося)<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>.
Тільки [[Комптонівське розсіювання|розсіювання фотона вільним електроном]], який не мав (за тодішніми уявленнями) внутрішньою структури, а, отже, і енергетичних рівнів, змусило багатьох фізиків визнати квантову природу світла.
Рядок 450 ⟶ 475:
Тем не менш, крах БКС-моделі надихнув [[Вернер Гейзенберг|Вернера Гейзенберга]] на створення [[матрична механіка|матричної механіки]]<ref name="Heisenberg1932">
{{cite web
|
|
|
|
|
|
|accessdate = 2016-03-26
|deadurl = no
}}{{ref-en}}
</ref>.
Одним із експериментів, які підтверджували квантування поглинання світла, став дослід [[Вальтер Боте|Вальтера Боте]], виконаний ним у [[1925]] році. У цьому досліді тонка металічна фольга опромінювалася [[рентгенівське випромінювання|рентгенівським випромінюванням]] низької інтенсивності. При цьому фольга сама ставала джерелом слабкого вторинного випромінювання. Виходячи з класичних хвильових уявлень, це випромінювання повинно розподілятися у просторі рівномірно в усіх напрямках. У цьому випадку два лічильники, розташовані зліва та справа від фольги, повинні були фіксувати його одночасно. Однак результат досліду виявився прямо протилежним: випромінювання фіксувалося або правим, або лівим лічильником і ніколи обома одночасно. Отже, поглинання відбувається окремими квантами. Дослід, таким чином, підтвердив вихідне положення фотонної теорії випромінювання, і став, тим самим, ще одним експериментальним доказом квантових властивостей електромагнітного випромінювання<ref>{{cite web
Рядок 477 ⟶ 505:
| 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||Measurement in quantum mechanics}}. В [[1974]] році перший подібний експеримент був проведений Клаузером, результати експерименту виявили порушення [[нерівність Коші — Буняковського|нерівності Коші — 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 |
|
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}). Цей підхід був спрощений Торном у [[2004]] році.
</ref>.
Таким чином, ідея Планка про квантові властивості електромагнітного випромінювання і розвинута на її основі гіпотеза Ейнштейна вважаються доведеними.
Рядок 495 ⟶ 526:
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 так званої «[[Маса|релятивістської маси]]» (термін виходить із вжитку) виходячи з співвідношення <math>m = \tfrac{E}{c^2},</math>
то вона складе <math>m = \tfrac{h\nu}{c^2}.</math> Фотон — {{нп|Істинно нейтральні частинки|істинно нейтральна частинка|ru|Истинно нейтральные частицы}} (тотожний до своєї [[античастинка|античастинки]])<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>,
тому його [[Зарядове спряження|зарядова парність]] від'ємна і дорівнює −1. Через закон збереження зарядової парності та її мультиплікативність в електромагнітних процесах неможливе перетворення парної кількості фотонів у непарну і навпаки ({{нп|теорема Фаррі||ru|Теорема Фарри}}).
Рядок 514 ⟶ 548:
Фотони випромінюються у багатьох природних процесах, наприклад, при русі електричного заряду з [[прискорення]]м, при переході атома або ядра зі збудженого стану в стан із меншою енергією, або при [[анігіляція|анігіляції]] пари [[електрон]]-[[позитрон]].<ref>Відмітимо, що при анігіляції випромінюється два фотона, а не один, оскільки в [[Система центру мас|системі центра мас]] частинок, що зіштовхуються, їхній сумарний імпульс дорівнює нулю, а один випромінений фотон завжди буде мати ненульовий імпульс. [[Закон збереження імпульсу]] вимагає випромінювання, як мінімум, двох фотонів з нульовим загальним імпульсом. [[Енергія]] фотонів, а, отже, і їхня [[частота]], визначається [[закон збереження енергії|законом збереження енергії]].</ref> При обернених процесах — збудження атома, народження електрон-позитронних пар — відбувається поглинання фотонів.<ref>Цей процес переважає при поширенні [[гамма-промені]]в високих енергій через речовину.</ref>
Якщо [[енергія]] фотона дорівнює <math>~E</math>, то [[Імпульс (механіка)|імпульс]] <math>\vec{p}</math> пов'язаний з енергією співвідношенням <math>~E=cp</math>, де {{nobr|<math>~c</math> —}} [[швидкість світла]] (швидкість, з якою в будь-який момент часу рухається фотон як безмасова частинка). Для порівняння, для частинок з ненульовою масою спокою зв'язок маси та імпульсу з енергією визначається формулою {{nobr|<math>~E^{2}=c^{2}p^{2}+m^{2}c^{4}</math>,}} як показано в [[спеціальна теорія відносності|спеціальній теорії відносності]].<ref>
{{cite web|author=Александр Берков.|url=http://www.krugosvet.ru/articles/118/1011819/1011819a4.htm|title=Относительности теория специальная|publisher=[[Кругосвет]]|accessdate=2009-03-13|archiveurl=https://web.archive.org/web/20070315232453/http://www.krugosvet.ru/articles/118/1011819/1011819a4.htm|archivedate=2007-03-15|deadurl=no}}{{ref-ru}}
</ref>
У вакуумі енергія та імпульс фотона залежать тільки від його [[частота|частоти]] <math>~\nu</math> (або, що еквівалентно, від [[довжина хвилі|довжини хвилі]] <math>~\lambda=c/\nu</math>):
Рядок 1140 ⟶ 1170:
В залежності від частоти світло поширюється в речовині з різною швидкістю. Це явище в [[оптика|оптиці]] називається [[дисперсія світла|дисперсією]]. При створенні певних умов можна добитися того, що швидкість поширення світла в речовині стане надзвичайно малою (так зване «[[повільне світло]]»). Суть методу в тому, що використовуючи ефект [[електромагнітно-індукована прозорість|електромагнітно-індукованої прозорості]] вдається отримати середовище з дуже вузьким провалом в її [[спектр поглинання|спектрі поглинання]].
При цьому в області цього провалу спостерігається надзвичайно крутий хід показника заломлення. Тобто на цій ділянці поєднуються величезна дисперсія середовища (з нормальною спектральною залежністю — зростанням показника заломлення у бік зростання частоти) та його прозорість для випромінювання. Це забезпечує значне зниження [[групова швидкість|групової швидкості]] світла (за деяких умов до 0,091 [[міліметр|мм]]/[[секунда|с]]).<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>
Фотони також можуть бути поглинуті [[Ядро атома|ядрами]], [[атом]]ами чи [[молекула]]ми, спровокувавши таким чином перехід між їхніми [[енергетичний рівень|енергетичними станами]]. Показовим є класичний приклад, пов'язаний з поглинанням фотонів зоровим пігментом паличок [[сітківка|сітківки]] [[родопсин]]ом, до складу якого входить ретиналь, похідна [[ретинол]]у (вітаміну A), відповідального за [[Зір|людський зір]], як було встановлено у [[1958]] році американським [[біохімік]]ом, нобелівським лауреатом [[Джордж Уолд|Джорджем Уолдом]] та його співробітниками.<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>
Поглинання фотона молекулою родопсину викликає реакцію транс-ізомеризації ретиналю, що призводить до розкладу родопсину. Таким чином, у поєднанні з іншими [[фізіологія|фізіологічними]] процесами, енергія фотона перетворюється в енергію [[нервовий імпульс|нервового імпульсу]].<ref>
{{cite web
|author = И. Б. Федорович.
|url = http://bse.sci-lib.com/article097361.html
|title = Родопсин
|publisher = [[Большая советская энциклопедия]]
|accessdate = 2009-05-31
|archiveurl = https://www.webcitation.org/615l8rLnW?url=http://bse.sci-lib.com/article097361.html
|archivedate = 2011-08-21
|deadurl = no
}}{{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 °C в {{Cite book
|last=Pine
Рядок 1193 ⟶ 1232:
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||Cutting}} 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|||Dye laser}}) 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. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. — 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 |
|
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref> Лазери широко використовуються в побуті ([[лазерний принтер|лазерні принтери]], [[DVD]], [[лазерна указка|лазерні указки]] та ін.).
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.
Рядок 1217 ⟶ 1259:
# ''[[Спектр поглинання|Абсорбційний]]'', який використовує спектр поглинання, головним чином молекул, але може бути застосований і для атомів. Тут пробу цілком переводять в газоподібний стан і пропускають через неї світло від джерела [[Спектр|суцільного випромінювання]]. На виході на фоні суцільного спектра спостерігається спектр поглинання випаруваної речовини.
# ''[[Рентгенівська спектроскопія|Рентгенівський]]'', що використовує рентгенівські спектри атомів, а також дифракцію [[рентгенівське випромінювання|рентгенівських променів]] при проходженні їх через досліджуваний об'єкт для вивчення його структури. Головна перевага методу полягає в тому, що рентгенівські спектри містять небагато ліній, що значно полегшує вивчення складу проби. Серед недоліків можна виділити невисоку чутливість і складність апаратури.
В ''якісному'' спектральному аналізі визначається лише склад проби без вказування кількісного співвідношення компонентів. Остання проблема вирішується в ''кількісному'' спектральному аналізі, на основі того, що інтенсивність ліній у спектрі залежить від вмісту відповідної речовини у досліджуваній пробі.<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref> Таким чином за [[спектр]]ом речовини може бути визначений її [[хімічний склад]]. Спектральний аналіз — чутливий метод, він широко використовується в [[аналітична хімія|аналітичній хімії]], [[астрофізика|астрофізиці]], [[металургія|металургії]], [[Машинобудування|машинобудуванні]], [[Геологорозвідувальні роботи|геологічній розвідці]] та інших галузях науки.
Робота багатьох [[Апаратний генератор випадкових чисел|апаратниї генераторів випадкових чисел]] базується на визначенні положення одиночних фотонів. Спрощений принцип дії одного з них зводиться до наступного. Для того, щоб згенерувати кожен [[біт]] випадкової послідовності, фотон направляється на променедільник. Для будь-якого фотона існує лише дві рівноймовірні можливості: пройти променедільник або відбитися від його грані. В залежності від того, чи пройшов фотон променедільник, наступним бітом у послідовності записується «0» або «1».<ref>
Рядок 1402 ⟶ 1447:
Найбільша точність, з якою вдалося виміряти заряд фотона дорівнює {{nowrap|5{{e|−52}} [[Кулон (одиниця)|Кл]]}} (або {{nowrap|3{{e|−33}} [[елементарний електричний заряд|e]]}}); для маси — {{nowrap|1,1{{e|−52}} [[кілограм|кг]]}} ({{nowrap|6{{e|−17}} [[електронвольт|еВ]]/[[швидкість світла|c]]<sup>2</sup>}} чи {{nowrap|1{{e|−22}} [[маса електрона|''m''<sub>e</sub>]]}}).<ref name="Particle_table">[http://pdg.lbl.gov/2005/tables/gxxx.pdf Official particle table for gauge and Higgs bosons] Retrieved 24 October 2006{{ref-en}}</ref>
Багато сучасних досліджень присвячено застосуванню фотонів в області [[квантова оптика|квантової оптики]]. Фотони видаються придатними частинками для створення на їх основі надпродуктивних [[квантовий комп'ютер|квантових комп'ютерів]]. Вивчення [[Квантова заплутаність|квантової заплутаності]] та пов'язаної з нею [[квантова телепортація|квантової телепортації]] також є пріоритетним напрямком сучасних досліджень.<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>
Крім того відбувається вивчення [[нелінійна оптика|нелінійних оптичних процесів та систем]], зокрема, явища двохфотонного поглинання, синфазної модуляції та оптичних параметричних осциляторів. Однак подібні явища та системи переважно не потребують використання в них саме фотонів. Вони часто можуть бути змодельовані шляхом розгляду атомів як нелінійних осциляторів. [[Нелінійна оптика|Нелінійний оптичний]] процес {{нп|Спонтанне параметричне розсіювання|спонтанного параметричного розсіювання||Spontaneous parametric down-conversion}} часто використовується для створення [[квантова заплутаність|заплутаних станів]] фотонів<ref>{{книга
|відповідальний = Под ред. Д. Боумейстера, А. Экерта, А. Цайлингера
Рядок 1418 ⟶ 1466:
|рік = 2002
|сторінки = 79—85
}}{{ref-ru}}</ref>. Фотони також використовуються в оптичній комунікації, зокрема в [[квантова криптографія|квантовій криптографії]].<ref>
{{cite web |
|
|
|
|
|
|
|deadurl = no
}}{{ref-ru}}
</ref>
== Див. також ==
Рядок 1489 ⟶ 1540:
* {{cite web
| url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2005/glauber-lecture.html
| title = Нобелівська лекція Рея Глаубера «100 років кванту світла»
| archiveurl =
| archivedate = 2011-08-21
| accessdate = 2016-03-26
| deadurl = no
}} 8 грудня 2005 року. {{en icon}} Ще один виклад історії фотона, ключові фігури, які створили теорію когерентних станів фотона.
== Посилання ==
* [http://pdg.lbl.gov/2007/listings/s000.pdf Всі експериментально виміряні властивості фотона на сайті Particle Data Group]{{ref-en}}
* [
* [http://physicsweb.org/articles/world/11/3/9/1/world%2D11%2D3%2D9%2D3 How to entangle photons experimentally]
| |||