Что такое фотоны в физике. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона

21.09.2019

Фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности металла под действием света.

В
1888 г. Г. Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Фотоэффект можно наблюдать в следующих случаях:

1. Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, го заряд пластины не изменится.

2
. Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительный электрод, попадаютна отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны,которые устремляются к сетке, создавая фототок, регистрируемый чувствительным гальванометром.

Законы фотоэффекта

Количественные закономерности фотоэффекта (1888–1889) были установлены А. Г. Столетовым. Он использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами.

П
ервый закон

Исследуя зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них, он установил первый закон фотоэффекта .

Фототок насыщения пропорционален световому поток у , падающему на металл : I =ν∙ Φ, гдеν – коэффициент пропорциональности, называемый фоточувствительностью вещества.

Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество .

Второй закон

Изменяя условия освещения на этой же установке, А. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Е
сли к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором напряжении фототок прекратится. Это явление не зависит от величины светового потока.

Используя закон сохранения энергии
, гдеe – заряд;m – масса электрона;v – скорость электрона;U з – запирающее напряжение, устанавливают, что если частоту лучей, которыми облучают электрод, увеличить, тоU з2 >U з1 , поэтомуE к2 >E к1 . Следовательно,ν 2 > ν 1 .

Т
аким образом,кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света .

Третий закон

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. существует наименьшая частота ν min , при которой еще возможен фотоэффект. Приν <ν min ни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.

Четвертый закон

Фотоэффект практически безынерционен (t = 10 −9 с).

Теория фотоэффекта

А.Эйнштейн, развив идею М.Планка (1905), покачал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

Явление фотоэффекта экспериментально доказывает: свет имеет прерывистую структуру .

Излученная порция Е =hν сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.

На основании закона сохранения энергии
.

Так как
,
,
,
.

Фотон и его свойства

Фотон – материальная, электрически нейтральная частица.

Энергия фотона E =hν илиЕ =ħω , так как
, ω = 2πν . Еслиh = 6,63∙10 −34 Дж∙с, тоħ ≈ 1,55∙10 −34 Дж∙с.

Согласно теории относительности E =mc 2 =hν , отсюда
, гдеm – масса фотона, эквивалентная энергии.

Импульс
, так какc =νλ . Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Основные свойства фотона

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется сv =с , либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Эффект Комптона (1923)

А.Комптон подтвердил квантовую теорию света. Взаимодействие между фотоном и связанным в атоме электроном:

1. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах:

ν рас. =ν пад, что опытом не подтверждается.

2. Фотоэффект – полное поглощение фотона.

3
. При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А.Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны (λ ) рассеянного излучения по сравнению с длиной волны (λ ) падающего излучения. Чем больше φ , тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты ν (увеличение λ ). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А.Комптона можно объяснить: фотон частотой ν обладает энергией E = h ν , массой
и импульсом
.

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон-электрон: h ν +m 0 c 2 = h ν" +mc 2 ,
,где m 0 c 2 – энергия неподвижною электрона; h ν – энергия фотона до столкновения; h ν" – энергия фотона после cтолкновенияс фотоном;
и
– импульсы фотона до и после столкновения;m v – импульсы электрона посте столкновения с фотоном.

Решение уравнений для энергии и импульса дает формулу для изменения длины волны при рассеянии фотона на элек гронах:
, где– комптоновская длина волны.

Фотон - элементарная частица, квант электромагнитного излучения.энергии кванта (то есть дискретно), где - постоянная Планка. импульс.Если приписать фотону наличие т. н. «релятивистской массы» исходя из соотношения то она составит Массы покоя фотона нет.Фотоэффе́кт - это испускание электронов вещества под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения).формула Эйнштейна для фотоэффекта:

h ν = A вых + E k

где A out - т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), E k -кинетическая энергия вылетающего электрона (в зависимости от скорости может вычисляться как кинетическая энергия релятивистской частицы, так и нет), ν - частота падающего фотона с энергией h ν, h - постоянная Планка.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. 1) Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой. 2) Существует минимальная частота, при которой возможен фотоэффект(красная граница) 3) Ток насыщения зависит от интенсивности света, падающего на образец 4) Фотоэффект – безинерционное явление. Для прекращения фототока надо падать на анод отрицательное напряжение(напряжение запирания). Внутренний фотоэффект – изменение электронной проводимости вещества под действием света. Фотопроводимость свойственна полупроводникам. Электропроводность полупроводников ограничена нехваткой носителей заряда. При поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Оба носителя заряда при приложении к полупроводнику напряжения создают электрический ток.

При возбуждении фотопроводимости в собственном полупроводнике энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны. В полупроводнике с примесями поглощение фотона может сопровождаться переходом из расположенного в запрещённой зоне уровня, что позволяет увеличить длину волны света, который вызывает фотопроводимость. Это обстоятельство важно для детектирования инфракрасного излучения. Условием высокой фотопроводимости является также большой коэффициент поглощения света, который реализуется в прямозонных полупроводниках.

16.Давление света.

Давление света - это давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела. Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом. Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен. Световое давление:. - коэффициент отражения, - объёмная плотность энергии излучения. Классическаятеория

17.Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

Рентге́новскоеизлуче́ние - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовымизлучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −2 до 10 3 Å (от 10 −12 до 10 −7 м). Схематическое изображение рентгеновской трубки. X - рентгеновские лучи, K - катод, А - анод (иногда называемый антикатодом), С - теплоотвод, U h -напряжение накала катода, U a - ускоряющее напряжение, W in - впуск водяного охлаждения, W out - выпуск водяного охлаждения. Когда энергия бомбардирующих анод электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения. Частоты этих линий зависят от природы вещества анода, поэтому их и назвали характеристическими.

Тормозное излучение - электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле. dp/dλ hvне может быть больше, чем энергия eU. иззаконасохраненияэнергии Самым распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов, например W или Pt), испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10 –12 -10 –8 м. Волновая природа рентгеновского излучения доказана опытами по его дифракции, рассмотренными в § 182.

Исследование спектрального состава рентгеновского излучения показывает, что его спектр имеет сложную структуру (рис. 306) и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода. Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей  min , называемой границей сплошного спектра, и линейчатого спектра - совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

Исследования показали, что характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов. Детальное исследование свойств этого излучения показало, что оно испускается бомбардирующими анод электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Сплошной рентгеновский спектр поэтому называют тормозным спектром. Этот вывод находится в согласии с классической теорией излучения, так как при торможении движущихся зарядов должно действительно возникать излучение со сплошным спектром.

Из классической теории, однако, не вытекает существование коротковолновой границы сплошного спектра. Из опытов следует, что чем больше кинетическая энергия электронов, вызывающих тормозное рентгеновское излучение, тем меньше  min . Это обстоятельство, а также наличие самой границы объясняются квантовой теорией. Очевидно, что предельная энергия кванта соответствует такому случаю торможения, при котором вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта, т. е.

где U - разность потенциалов, за счет которой электрону сообщается энергия Е max ,  max - частота, соответствующая границе сплошного спектра. Отсюда граничная длина волны

Свет и тепло, вкус и запах, цвет и информация - все это неразрывно связано с фотонами. Более того, жизнь растений, животных и человека невозможна без этой удивительной частицы.

Считается, что во Вселенной около 20 миллиардов фотонов приходится на каждый протон или нейтрон. Это фантастически огромная цифра.

Но что мы знаем об этой самой распространённой частице в окружающем нас мире?

Одни учёные считают, что скорость движения фотона равна скорости света в вакууме, т.е. примерно 300 000 км/сек и это максимально возможная скорость во Вселенной.

Другие учёные полагают, что во Вселенной достаточно примеров, в которых скорости частиц выше, чем скорость света.

Одни учёные считают, что фотон электрически нейтрален.

Другие - полагают, что фотон имеет электрический заряд (по некоторым данным, менее 10 -22 эВ/сек 2).

Одни учёные считают, что фотон является безмассовой частицей и по их мнению масса фотона в состоянии покоя равна нулю.

Другие - полагают, что у фотона есть масса. Правда, очень и очень небольшая. Этой точки зрения придерживается и ряд исследователей, по разному определяя массу фотона: менее чем 6 х 10 -16 эВ, 7 х 10 -17 эВ, 1 х 10 -22 эВ и даже 3 х 10 -27 эВ, что в миллиарды раз меньше массы электрона.

Одни учёные считают, что в соответствии с законами отражения и преломления света, фотон представляет собой частицу, т.е. корпускулу. (Евклид, Лукреций, Птолемей, И. Ньютон, П. Гассенди)

Другие (Р. Декарт, Р. Гук, Х. Гюйгенс, Т. Юнг и О. Френель), опираясь на явления дифракции и интерференции света, полагают, что фотон имеет волновую природу.

При излучении или поглощении атомными ядрами и электронами, а также при фотоэффекте фотон ведет себя как частица.

А при прохождении через стеклянную призму или небольшое отверстие в преграде фотон демонстрирует свои яркие волновые свойства.

Компромиссное решение французского ученого Луи де Бройля, в основе которого лежит корпускулярно-волновой дуализм, утверждающий, что фотоны обладают и свойствами частицы, и свойствами волны, не является ответом на этот вопрос. Корпускулярно-волновой дуализм - это лишь временная договорённость , основанная на абсолютном бессилии учёных ответить на этот крайне важный вопрос.

Конечно, эта договорённость несколько успокоила ситуацию, но не решила проблемы.

Исходя из этого, мы можем сформулировать первый вопрос , связанный с фотоном

Вопрос первый .

Фотоны - это волны или частицы? А, может быть, и то, и другое или не то и не другое?

Далее. В современной физике фотон - это элементарная частица, представляющая собой квант (порцию) электромагнитного излучения . Свет также является электромагнитным излучением и фотон принято считать переносчиком света. В нашем сознании это достаточно твердо укрепилось и фотон, прежде всего, связывают со светом.

Вместе с тем, кроме света существуют другие виды электромагнитного излучения: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучения. Они отличаются друг от друга длиной волны, частотой, энергией и имеют свои особенности.

Виды излучений и их краткие характеристики

Переносчиком всех видов электромагнитного излучения является фотон. Он, по мнению ученых, един для всех. Вместе с тем, каждый вид излучения характеризуется разной длиной волны, частотой колебания и разной энергией фотонов. Значит, разными фотонами? Казалось бы, количеству различных видов электромагнитных волн должно соответствовать равное количество различных видов фотонов. Но фотон в современной физике пока только один.

Получается научный парадокс - излучения разные, их свойства тоже разные, а фотон, который переносит эти излучения, единый.

Например, гамма-излучение и рентгеновское излучение преодолевают преграды, а ультрафиолетовое и инфракрасное излучения и видимый свет, имея большую длину волны, но меньшую энергию - нет. Вместе с тем, микроволновое и радиоволновое излучения имеют еще большую длину волны и еще меньшую энергию, но преодолевает толщу воды и бетонные стены. Почему?

Проникающие способности фотонов при различных излучениях

Здесь возникают сразу два вопроса.

Вопрос второй .

Действительно ли все фотоны одинаковы во всех видах излучений?

Вопрос третий .

Почему фотоны одних видов излучений преодолевают преграды, а других видов излучений - нет? В чем дело - в излучениях или в фотонах?

Существует мнение, что фотон - это мельчайшая бесструктурная частица во Вселенной. Наука пока ещё не смогла определить что-либо, что было бы меньше фотона. Но так ли это? Ведь в свое время и атом считался неделимым и мельчайшим в окружающем нас мире. Поэтому логичен и четвёртый вопрос:

Вопрос четвёртый .

Является ли фотон мельчайшей и бесструктурной частицей или он состоит из ещё более мелких образований?

Кроме того, считается, что масса покоя фотона равна нулю, а в движении у него проявляется и масса, и энергия. Но тогда возникает и

вопрос пятый:

фотон - это материальная частица или нет? Если фотон материален, то куда пропадает его масса в покое? Если он не материален, то почему фиксируются его вполне материальные взаимодействия с окружающим нас миром?

Итак, перед нами пять загадочных вопросов, связанных с фотоном. И они на сегодняшний день не имеет своих четких ответов. За каждым из них стоят свои проблемы. Проблемы, которые мы постараемся сегодня рассмотреть.

В своих путешествиях «Дыхание Вселенной», «Глубины Вселенной» и «Силы Вселенной» мы через призму устройства и функционирования Вселенной достаточно глубоко рассматривали все эти вопросы. Мы проследили весь путь формирования фотонов от возникновения фундаментальных частиц - эфирных вихревых сгустков до галактик и их скоплений. Смею надеяться, что у нас получилась достаточно логичная и системно обустроенная картина мира. Поэтому предположение о строении фотона стало логическим шагом в системе знаний о нашей Вселенной.

Строение фотонов

Фотон предстал перед нами не как частица и не как волна, а как вращающаяся конусообразная пружинка, с расширяющимся началом и с сужающимся концом .

Пружинная конструкция фотона позволяет ответить практически на все вопросы, возникающие при изучении явлений природы и результатов экспериментов.

Мы уже упоминали, что переносчиками различных видов электромагнитного излучения являются фотоны. Вместе с тем, несмотря на то, что науке известны различные виды электромагнитного излучения: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, микроволновое излучение и радиоизлучение, фотоны-переносчики, которые задействованы в этих процессах не имеют своих разновидностей. То есть, по мнению некоторых ученых любой вид излучения переносится неким универсальным видом фотонов, который одинаково успешно проявляет себя и в процессах гамма-излучения, и в процессах радиоизлучения, и в любых других видах излучений.

Не могу согласиться с этой позицией, так как природные явления свидетельствуют о том, что все известные электромагнитные излучения существенно отличаются друг от друга не только параметрами (длиной волны, частотой, энергетическими возможностями), но и своими свойствами. Например, гамма-излучение легко проникает сквозь любые преграды, а видимое излучение этими преградами так же легко останавливается.

Следовательно, в одном случае фотоны могут переносить излучение сквозь преграды, а в другом, те же фотоны уже бессильны что-либо преодолеть. Этот факт заставляет задуматься о том, действительно ли фотоны столь универсальны или же они имеют свои разновидности, согласующиеся со свойствами различных электромагнитных излучений во Вселенной.

Полагаю правильным, каждому виду излучения определить свою разновидность фотонов. К сожалению, такой градации пока в современной науке не имеется. Но это не только легко, но и крайне необходимо исправить. И это вполне понятно, так как излучения и их параметры изменяются, а фотоны в современной интерпретации представлены лишь одним общим понятием - «фотоном». Хотя, надо признать, что с изменением параметров излучений в справочной литературе изменяются и параметры фотонов.

Ситуация подобна применению общего понятия «автомобиль» ко всем его маркам. Но эти марки различны. Мы можем приобрести «Ладу», «Мерседес», «Вольво» или «Тойоту». Все они подходят под понятие «автомобиль», но все они разные и по виду, и по техническим характеристикам, и по стоимости.

Поэтому, будет логично, если в качестве переносчиков гамма-излучения мы предложим фотоны гамма-излучения, рентгеновского излучения - фотоны рентгеновского излучения, ультрафиолетового излучения - фотоны ультрафиолетового излучения и т.д. Все эти виды фотонов будут отличаться друг от друга длиной витков (длиной волны), скорости вращения (частотой колебания) и энергией, которую они переносят.

Фотоны гамма-излучения и рентгеновского излучения представляют собой сжатую пружинку с минимальными размерами и с концентрированной энергией в этом маленьком объеме. Поэтому они проявляют свойства частицы и легко преодолевают препятствия, продвигаясь между молекулами и атомами вещества.

Фотоны ультрафиолетового излучения, видимый свет и фотоны инфракрасного излучения - это та же пружинка, только растянутая. Энергия в этих фотонах осталась прежней, но она распределилась по более вытянутому телу фотона. Увеличение длины фотона позволяет ему проявлять свойства волны. Однако, увеличение диаметра фотона не позволяет ему проникать между молекулами вещества.

Фотоны микроволнового и радиоизлучений имеют ещё более растянутую конструкцию. Длина радиоволн может достигать нескольких тысяч километров, но они имеют самую небольшую энергию. Они легко проникают сквозь преграды, как бы вкручиваясь в вещество преграды, обходя молекулы и атомы вещества.

Во Вселенной все виды фотонов постепенно преобразуется из фотонов гамма-излучения. Фотоны гамма-излучения первичны. При движении в пространстве уменьшается скорость их вращения и они последовательно преобразуются в фотоны рентгеновского излучения, а те, в свою очередь - в фотоны ультрафиолетового излучения, которые преобразуются в фотоны видимого света и т.д.

Поэтому, фотоны гамма-излучения преобразуются в фотоны рентгеновского излучения. Эти фотоны будут иметь более протяженную длину волны и меньшую частоту вращения. Затем, фотоны рентгеновского излучения преобразуются в фотоны ультрафиолетового излучения, а они - в видимый свет и т.д.

Наиболее яркий пример этого преобразования в динамике мы можем наблюдать при ядерном взрыве.

Ядерный взрыв и зоны его поражающего действия

В процессе ядерного взрыва в течение нескольких секунд поток фотонов гамма-излучения проникает в окружающую среду на расстояние примерно 3 км. Далее, гамма-излучение прекращается, но фиксируется рентгеновское излучение. Полагаю, что при этом фотоны гамма-излучения преобразовываются в фотоны рентгеновского излучения, а они, последовательно, в фотоны ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Поток фотонов соответственно вызывает возникновение поражающих факторов ядерного взрыва - проникающую радиацию, световое излучение и пожары.

В работе «Глубины Вселенной» мы детально рассмотрели строение фотонов и процессы их формирования и функционирования. Нам стало понятным, что фотоны состоят из разного диаметра кольцеобразных энергетических фракций, соединенных друг с другом.

Строение фотона

Фракции формируются из фундаментальных частиц - мельчайших эфирных вихревых сгустков, которые представляют собой эфирные плотн ости. Эти эфирные плотности вполне материальны, как материален эфир и весь окружающий нас мир. Эфирные плотности определяют показатели массы эфирных вихревых сгустков. Масса сгустков составляет массу фракций, а они массу фотона. И не важно в движении или в покое он находится . Поэтому фотон вполне материален и имеет свою вполне определенную массу и в покое, и в движении .

Мы уже получили прямое подтверждение нашего представления о строении фотона и о его составе в ходе экспериментов. Надеюсь, что в скором будущем мы опубликуем все полученные результаты. Более того, подобные результаты были получены и в заграничных лабораториях. Так что, есть основания предполагать, что мы находимся на верном пути.

Итак, мы ответили на ряд вопросов о фотоне.

Фотон, в нашем понимании, - это не частица и не волна, а пружинка, которая в различных условиях может сжиматься до размеров частиц, а может и растягиваться, проявляя свойства волны.

Фотоны имеют свои разновидности в зависимости от вида излучений и могут быть фотонами гамма-излучения, фотонами рентгеновского излучения, фотонами ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и микроволнового излучений, а также фотонами радиоизлучения.

Фотон материален и имеет массу. Он не является мельчайшей частицей во Вселенной, а состоит из эфирных вихревых сгустков и энергетических фракций.

Понимаю, что это несколько неожиданная и непривычная трактовка фотона. Однако, я исхожу не из общепринятых правил и постулатов, принятых уже много лет назад без связи с процессами общего развития мира. А из логики, которая исходит из законов устройства мира, которые являются ключом от двери, ведущей к Истине.

Вместе с тем, в 2013 году были вручены Нобелевские премии по физике Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, которые в 1964 году независимо друг от друга предположили существование в природе еще одной частицы - нейтрального бозона, который с легкой руки нобелевского лауреата Л. Ледермана была названа «частицей Бога», то есть той первоосновы, того первого кирпичика, из которого был сконструирован весь наш окружающий мир. В 2012 году, проводя эксперименты по сталкиванию на больших скоростях пучков протонов два опять же независимых научных сообщества опять же практически одновременно проанонсировали обнаружение частицы, параметры которой совпали между собой и соответствовали значениям, предсказанным П. Хиггсом и Ф. Энглером.

В качестве такой частицы выступал зарегистрированный в ходе экспериментов нейтральный бозон, время жизни которого было не более 1,56 х 10 -22 секунд, а масса более чем в 100 раз превышала массу протона. Этой частице приписывали возможность сообщать массу всему тому материальному, что есть в этом мире - от атома до скопления галактик. Более того, предполагалось, что эта частица является прямым свидетельством наличия некого гипотетического поля, проходя через которое все частицы приобретают вес. Вот такое волшебное открытие.

Однако, всеобщая эйфория от этого открытия длилась недолго. Потому что появились вопросы, которые не могли не появиться. Действительно, если бозон Хиггса реально является «частицей Бога», то почему его «жизнь» столь скоротечна? Понимание Бога всегда связывалось с вечностью. Но если вечен Бог, то и любая Его частица тоже должна быть вечна. Это было бы логично и понятно. Но «жизнь» бозона длительностью в долю секунды с двадцатью двумя нулями после запятой не очень вяжется с вечностью. Даже мгновением это назвать трудно.

Более того, если уж и говорить о «частице Бога», то необходимо четко понимать, что она должна находиться во всем, что нас окружает и представлять собой самостоятельную, долгоживущую и минимально возможную объемную сущность, составляющую все известные частицы нашего мира.

Из этих божественных частиц постепенно шаг за шагом должен был бы строиться наш мир. Из них должны состоять частицы, из частиц - атомы и так до звезд, галактик и Вселенной. Все известные и неизвестные поля так же должны быть связаны с этой волшебной частицей и передавать не только массу, но и любое другое взаимодействие. Думаю, это логично и не противоречит здравому смыслу. Потому что, коль уж мы связываем эту частицу с божественным началом, то должны иметь и адекватный ответ на наши ожидания.

Однако, мы уже видели, что масса бозона Хиггса значительно превосходит даже массу протона. Но как же из большого можно построить малое? Как уместить слона в мышинной норке?! Никак.

Вся эта тема, честно признаться, не очень прозрачна и обоснованна. Хотя, может быть я что-то и не совсем понимаю в силу своей недостаточной компетенции, но тем не менее, бозон Хиггса, по моему глубокому убеждению, под «частицу Бога» не очень-то подходит.

Другое дело фотон. Эта замечательная частица полностью преобразила жизнь человека на планете.

Благодаря фотонам различных излучений мы видим окружающий нас мир, наслаждаемся солнечным светом и теплом, мы слушаем музыку и смотрим телевизионные новости, диагностируем и лечим, проверяем и дефектуем металлы, заглядываем в космос и проникаем в глубь вещества, общаемся друг с другом на расстоянии по телефону… Жизнь без фотонов была бы немыслима. Они не просто часть нашей жизни. Они - наша жизнь.

Фотоны, по сути, - главный инструмент общения Человека с окружающим его миром. Только они позволяют нам окунуться в окружающий нас мир и при помощи зрения, обоняния, осязания и вкуса понять его и восхититься его красотой и многокрасочностью. Все это, благодаря им - фотонам.

И еще. Это, наверное, главное. Только фотоны несут свет! А по всем религиозным канонам Бог и породил этот свет. Более того, Бог - и есть свет!

Ну, как здесь пройти мимо искушения и не назвать фотон реальной «частицей Бога»! Фотон и только фотон может претендовать на это высочайшее звание! Фотон - это свет! Фотон - это тепло! Фотон - это все буйство красок мира! Фотон - это благоуханные запахи и тонкие вкусы! Жизни без фотонов - не бывает! А если и бывает, то кому она нужна такая жизнь. Без света и тепла, без вкуса и запаха. Никому.

Поэтому, если уж и говорить о частице Бога , то надо говорить только о фотоне - об этом удивительном подарке, переданном нам Высшими Силами. Но и то, только аллегорически. Потому что у Бога не может быть частиц. Бог един и целостен и Его нельзя разделить ни на какие частицы.

Как отмечалось в § 184, законы фотоэффекта были объяснены в 1905 г. А. Эйнштейном с помощью представления о световых квантах (фотонах). Согласно этим представлениям энергия электромагнитного поля не может делиться на произвольные части, а излучается и поглощается всегда определенными порциями, равными . Здесь - частота колебаний для излучения, а - постоянная Планка. Именно эти порции энергии электромагнитного поля и получили название световых квантов или фотонов.

Квантовый характер электромагнитного излучения обычно проявляется в таких опытах, когда энергия каждого фотона достаточно велика, а число фотонов не слишком большое. Но во многих оптических экспериментах, в которых отчетливо наблюдаются волновые свойства света, мы встречаемся с противоположной ситуацией, когда энергии фотонов малы, а их число очень велико (см. пример в § 184). Именно поэтому квантовая природа света долго ускользала от внимания исследователей.

Как уже говорилось ранее, в опытах по фотоэффекту на проводниках было обнаружено, что максимальная кинетическая энергия электронов, вылетающих под действием света (так называемых фотоэлектронов), связана с работой выхода и частотой облучающих проводник электромагнитных волн соотношением

Это соотношение в 1916 г. было подтверждено американским физиком Р. Милликеном. Тонкие и тщательные измерения Милликена, выполненные по схеме опытов, описанных в § 183, позволили установить линейную зависимость между максимальной энергией, получаемой электроном от света, и частотой этого света, определить универсальный характер постоянной Планка и измерить эту величину . В дальнейших опытах частота падающего на поверхность металла излучения изменялась в широких пределах - от видимого света до рентгеновского и во всем исследованном интервале частот результаты измерений оказались в превосходном согласии с теорией.

В экспериментах с рентгеновским излучением представления о квантах были подвергнуты особенно тщательной и разносторонней проверке. Действительно, кванты видимого света (фотоны) обладают очень малой энергией - так, для желтого света и . Поэтому для регистрации такого света в большинстве опытов приходится иметь дело с большим числом фотонов в единицу времени. В соответствии с этим, действие, производимое летящими по всем направлениям световыми квантами, распределенными случайным образом, трудно отличить от действия волны, равномерно распространяющейся во все стороны. Чем больше энергия квантов, тем легче наблюдать действие отдельного кванта и легче, следовательно, осуществить опыт по наблюдению распространения энергии излучения не во все стороны равномерно, а вспышками то по одному, то по другому направлению. Энергия фотонов в рентгеновской области спектра значительно превышает энергию фотонов видимого света. Кроме того, в опытах с рентгеновским излучением легче осуществить условия для испускания небольшого числа квантов в единицу времени.

Для получения рентгеновского излучения нужно бомбардировать электронами анод рентгеновской трубки (см. §§ 151, 153). Всякая остановка (торможение) электронов в веществе анода сопровождается испусканием рентгеновского излучения. Теория световых квантов предсказывает, что в самом благоприятном случае вся кинетическая энергия электрона после его остановки перейдет полностью в один-единственный фотон, энергия которого определяется из условия . Если электрон разгонялся разностью потенциалов , то .

Итак, максимальная частота рентгеновского излучения задается соотношением

Действительно, измерения подтвердили, что рентгеновский спектр в таких экспериментах характеризуется коротковолновой границей

где - скорость света, а максимальная частота излучения согласуется с условием (209.2). Более короткие волны (большие значения частоты ) никогда при этом не наблюдаются, а более длинные волны соответствуют превращению лишь части кинетической энергии электрона в рентгеновское излучение. Определение коротковолновой границы рентгеновского спектра может быть выполнено весьма надежно. Поэтому такие опыты использовались для определения значения постоянной Планка (в соответствии с (209.2)). Наилучшие измерения, выполненные этим методом, дали . Эти данные согласуются с результатами измерения в опытах по фотоэффекту. Таким образом, теория квантов хорошо подтверждается не только опытами по поглощению энергии излучения (фотоэффект), но и опытами по ее испусканию.

Регулируя число электронов, бомбардирующих анод рентгеновской трубки, мы можем изменять число излучаемых рентгеновских фотонов. Если теперь подвергнуть металлическую пластинку воздействию рентгеновским излучением, вызывая тем самым выход фотоэлектронов, то, как показывают опыты, кинетическая энергия этих электронов будет равняться энергии рентгеновских квантов (так как энергия электронов и рентгеновских квантов в таких опытах составляет десятки киловольт, то работой выхода электронов из металла - несколько электронвольт - можно пренебречь).

Таким образом, весь цикл превращений энергии в этих опытах выглядит так: 1) превращение работы электрического поля в кинетическую энергию электрона в рентгеновской трубке; 2) превращение кинетической энергии электрона в энергию излучаемого электроном при резком торможении рентгеновского кванта; 3) поглощение фотона электроном и превращение его энергии в кинетическую энергию фотоэлектрона:

Такие опыты можно сильно разнообразить, пользуясь удобными условиями экспериментов с рентгеновским излучением. Все они показывают, что энергия передается в этих явлениях концентрированными порциями, а не накапливается постепенно, как это имело бы место при непрерывной передаче энергии в виде электромагнитной волны. Один из самых убедительных опытов такого типа был поставлен Абрамом Федоровичем Иоффе (1880-1960). Были выполнены также прямые эксперименты по регистрации отдельных фотонов, показывающие, что энергия рентгеновского излучения распространяется от анода трубки в разные стороны не одновременно, а в виде порций (квантов), летящих то в ту, то в другую сторону.

Таким образом, исследование фотоэффекта и опыты с рентгеновским излучением убедительно показали, что свет ведет себя в этих явлениях не как волна, а как некоторая частица - фотон, которая образуется при излучении, летит в каком-то направлении и, поглощаясь, целиком отдает свою энергию другой частице. Но если фотон ведет себя как частица с полной энергией , то он должен иметь и определенный импульс. Фотон имеет скорость, равную скорости света. Поэтому из общих формул релятивистской механики (см. §§ 199, 200) следует ожидать, что он будет обладать импульсом

(209.3)

Как мы уже видели раньше (§ 200), отличительной особенностью фотона является равенство нулю его массы покоя: фотон всегда движется со скоростью света и не может существовать, как покоящаяся частица.

То, что фотоны обладают импульсом, косвенным образом следует уже из опытов по световому давлению (§ 65). Способность света оказывать давление на отражающую или поглощающую поверхность следует интерпретировать как результат передачи импульса фотонов, подобно тому как отражающиеся от стенки сосуда молекулы газа передавая ей импульс, оказывают на нее давление (см. том I).

Очень важную роль в развитии представлений о фотонах как некоторых элементарных частицах сыграли опыты американского физика Артура Комптона (1892-1962), в которых непосредственно было показано, что фотоны при соударениях с электронами ведут себя, как частицы с энергией и импульсом, связанными между собой соотношением (209.3).

Исследуя рассеяние рентгеновского излучения в веществе из легких атомов (рис. 371) Комптон в 1923 г. обнаружил, что при этом происходит изменение длины волны рентгеновского излучения, и установил связь между изменением длины волны и углом рассеяния :

(209,4)

Рис. 371. а) Схема опыта Комптона. б) Спектор рассеянного рентгеновского излучения

Здесь постоянная была первоначально определена из опыта. Результаты этих опытов противоречат классическим представлениям о рассеянии электромагнитных волн атомами, согласно которым атом под действием падающего излучения должен испытывать вынужденные колебания и становиться источником рассеянных волн, имеющих ту же частоту (т. е. ту же длину волны), что и падающая волна.

Открытое Комптоном явление было, однако, прекрасно интерпретировано с помощью представления о фотонах. Опыты Комптона проводились с рентгеновскими квантами с энергией . Эта энергия велика по сравнению с энергией связи электронов в легких атомах (несколько электрон вольт). Поэтому можно считать, что в опытах происходило столкновение фотона со свободным электроном (а не с атомом как целым), напоминающее соударение упругих шаров. Применяя законы сохранения энергии и импульса (рис. 372) к этому соударению, мы получим

(209.5)

Рис. 372. Упругое столкновение фотона и электрона. До столкновения электрон покоится: - импульс падающего фотона, - импульс рассеянного фотона, - импульс электрона, - угол рассеяния фотона

При определении следует учитывать векторный характер закона сохранения импульса и использовать тригонометрическую теорему о связи между длинами сторон треугольника (рис. 372).

При рассеянии рентгеновских фотонов высоких энергии электроны отдачи, получившие от этих фотонов импульс, могут иметь скорости, сравнимые со скоростью света. Поэтому следует учитывать релятивистский рост их массы и пользоваться законами релятивистской механики (см §§ 199, 200), как это и было сделано в (209.5). Решение системы уравнений (209.5) приводит после некоторых преобразований к количественному объяснению соотношения для эффекта Комптона (209.4), установленного ранее экспериментальным путем (см. упражнение 19 в конце главы) В дальнейшем в опытах с квантами очень высоких энергий было обнаружено комптоновское рассеяние не только при взаимодействиях с электронами, но и с другими частицами, например с протонами и нейтронами. Таким образом, в этих экспериментах непосредственно установлено, что фотон ведет себя как элементарная частица не только в явлениях фотоэффекта и при излучении, но и в процессах взаимодействия с электронами и другими частицами.

Последующие опыты подтвердили представления о том, что фотон - это некоторая частица. Были найдены процессы, в которых фотон при взаимодействии с атомными ядрами исчезает, а вместо него образуется пара элементарных частиц: электрон и позитрон (частица, имеющая массу электрона и положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона), причем ядро остается при этом без изменений (см. § 223). В этих опытах было доказано, что электроны и позитроны не выделяются из ядра, ибо ядро остается неизменным, а возникают под действием света. Разлетевшиеся электрон, позитрон и ядро обладают энергиями и импульсами, которые они заимствуют у исчезнувшего фотона.

Был обнаружен и обратный процесс, когда электрон и позитрон, взаимодействуя друг с другом, перестают существовать как элементарные заряженные частицы: их заряды взаимно нейтрализуются, а их энергии покоя переходят в энергию образующейся в таком процессе пары фотонов, разлетающихся со скоростью света.

Как мы увидим в дальнейшем (гл. XXV), такие взаимные превращения одних частиц в другие являются очень важным и характерным их свойством, и в этом смысле фотон ничем не отличается от других микрочастиц, таких, как электроны, протоны и т. д.

Наконец, следует сказать, что фотоны, как и все другие частицы, могут испытывать на себе действие гравитационного поля. Так, точные наблюдения во время полных солнечных затмений за положением звезд, свет от которых проходит вблизи Солнца, показывают, что этот свет подвергается притяжению Солнца и отклоняется от своего первоначального пути. Качественно это можно понять, если учесть, что фотоны обладают энергией , которой соответствует «масса движения» до уровня поверхности Земли, удалось наблюдать изменение частоты фотонов, которое прекрасно совпало с теоретическими предсказаниями:

подтвердив тем самым, что фотоны подвержены гравитационному воздействию.

Таким образом, как мы смогли убедиться, рассмотрев многочисленные и разнообразные эксперименты, в ряде случаев свет надо рассматривать как поток корпускул - фотонов, обладающих свойствами, присущими другим микрочастицам. Однако для объяснения таких явлений, как интерференция и дифракция, приходится исходить из волновых свойств электромагнитного излучения. Оба аспекта природы - и волновой и корпускулярный - оказываются одинаково существенными. Поэтому для объяснения всех особенностей поведения излучения оказалось необходимым признать, что электромагнитные волны в известных условиях проявляют свойства потоков частиц. С равным правом можно высказать и обратное утверждение: частицы электромагнитного поля - фотоны - проявляют волновые свойства. Такой корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) фотонов противоречит сложившимся классическим, обособленным друг от друга представлениям о волнах и частицах.