Фотон

Фотон является одной из элементарных частиц, которая отвечает за распространение электромагнитного излучения. Фотоны окружают нас повсюду — будь то свет от Солнца, электрической лампочки или костра. И даже в полной темноте они заполняют пространство в виде радиоволн.

Открытие фотона поспособствовало развитию науки, в частности, теоретической и экспериментальной физики. Понимание его природы и свойств позволило специалистам создавать все более сложные технические устройства и открыло новые возможности в энергетике. Сегодня мы поговорим о том, что представляет собой фотон, определим его характеристики и узнаем, как человечество использует эту частицу.

Что такое фотон

Фотон — это элементарная фундаментальная частица, которую, по современным представлениям, невозможно разделить на части. Также он является квантом электромагнитного поля, то есть неделимой единицей энергии. В соответствии со Стандартной моделью физики, объясняющей все фундаментальные взаимодействия, кроме гравитационного, фотон относится к бозонным частицам. Фотон — это калибровочный бозон, обеспечивающий электромагнитное взаимодействие между фермионами, составными частями атомных ядер. То есть фотон представляет собой фундаментальную частицу, переносящую электромагнитную энергию.

Кто открыл и исследовал фотоны

Перед тем, как перейти к открытию фотона, обратимся к истории и вспомним, как ученые прошлого объясняли природу света. В III веке древнегреческий математик Евклид написал трактат «Оптика», в котором объяснил, что свет распространяется по прямой линии, пока не отразится от объекта. Именно Евклид вывел закон, согласно которому угол падения света равен углу отражения. В то время считалось, что лучи света представляют собой непрерывную тончайшую материю.

В XVI и XVII веке преобладали атомарные теоретические модели, согласно которым свет состоит из частиц. Этого мнения придерживались такие ученые, как Исаак Ньютон и Иоганн Кеплер. Однако корпускулярные («частичные») гипотезы не могли объяснить преломление (изменение направления света при переходе в другую среду) и дифракцию (возможность света огибать препятствия).

В 1637 году французский ученый Рене Декарт разработал альтернативную гипотезу. Опираясь на аналогию с распространением звука, он предположил, что свет распространяется как волна. Несмотря на ошибки (Декарт утверждал, что в более плотной среде свет распространяется быстрее), волновая теория положила начало физической оптике.

Развитие возможностей экспериментальной физики привело к тому, что в XIX веке ученые начали находить связь между светом и электромагнетизмом. В 1845 году Майкл Фарадей проводил эксперименты с поляризованным светом, то есть светом, имеющим определенную векторную ориентацию вследствие отражения или преломления. Он заметил, что при прохождении через магнитное поле плоскость поляризации света меняется в соответствии с направлением силовых линий. Так Фарадей предположил, что свет представляет собой некую форму электромагнитных вибраций, способных распространяться в любой прозрачной среде.

В предыстории открытия фотона нельзя не упомянуть и о достижениях шотландского физика Джеймса Максвелла. Отметим, что в то время уже была измерена скорость света с погрешностью около 5% относительно современного значения (315 000 км/с против современных 299 792 км/с). В 1865 году Максвелл измерил скорость распространения электромагнитных волн и обнаружил, что она постоянна и точно соответствует скорости света. Дополнив идеи Фарадея, он математически доказал, что свет является видом электромагнитного излучения.

Решающий шаг вперед к открытию фотона сделал немецкий физик Макс Планк. В 1900 году он попытался объяснить проблему излучения абсолютно черного тела — идеализированного непрозрачного объекта, который полностью поглощает попадающее на него электромагнитное излучение. Основываясь на том факте, что характер излучения зависит от температуры тела, Планк предположил, что волны могут отдавать и получать энергию порциями в зависимости от их частоты. Одну порцию энергии он назвал световым квантом — в переводе с латинского «quantum» означает «сколько».

В 1905 году Альберт Эйнштейн с помощью квантов света смог объяснить фотоэлектрический эффект, о котором мы поговорим подробно чуть ниже. Согласно его вычислениям, световые кванты имеют дуальную природу — они представляют собой частицы, которые проявляют себя как волны. Таким образом, Эйнштейн вернул давно забытую корпускулярную теорию и объединил ее с волновой. В 1921 году теория Эйнштейна была подтверждена экспериментально, а сам он — удостоен Нобелевской премии за объяснение фотоэлектрического эффекта. Сам термин «фотон» в 1926 году ввел американский ученый Гильберт Льюис, который был восхищен идеями Эйнштейна и всячески продвигал их в научном сообществе.

Историческое развитие концепции фотона

Существенный вклад в развитие концепции фотонов внес американский физик Артур Комптон. В 1923 году он проводил эксперименты, в рамках которых направлял рентгеновские лучи на мишень из графита (кристаллической формы углерода), от которой они отражались сначала в кристалл, а затем в ионизационный детектор, показывающий количество энергии. Комптон установил, что энергия рассеянных фотонов оказывалась значительно ниже изначальной. При этом с увеличением угла рассеяния увеличивалась и длина электромагнитных волн. Благодаря открытию комптон-эффекта было получено еще одно весомое подтверждение реальности корпускулярно-волновой (дуальной) природы электромагнитного излучения.

Физические свойства фотона

Важным физическим свойством фотона является отсутствие массы покоя. В соответствии со специальной теорией относительности Эйнштейна тела, обладающие массой покоя, не могут достичь скорости света. Это объясняется тем, что масса и энергия объектов повышаются одновременно с увеличением скорости их движения. В случае достижения скорости света масса и энергия увеличатся до бесконечных значений, что попросту невозможно. Из-за отсутствия массы на фотоны это ограничение не распространяется, поэтому они всегда движутся со скоростью света, зависящей от показателя преломления среды. В вакууме и воздухе скорость света достигает своего предела — почти 300 000 км/с, однако в средах с более высокой плотностью этот показатель меняется. Рассмотрим некоторые округленные значения (в км/с).

• Лед — 229 000.
• Вода — 225 000.
• Бензин — 214 000.
• Стекло — 200 000.
• Кварц — 195 000.
• Рубин — 170 000.
• Алмаз — 124 000.

Несмотря на то, что фотон является квантом электромагнитного поля, сам по себе он не имеет электрического заряда. Электромагнитное взаимодействие происходит вследствие того, что заряженные частицы обмениваются фотонами. Понять этот процесс можно с помощью упрощенной аналогии. Давайте представим, что мы бросаем в воду камень, и от него исходят волны. Так же как камню нет необходимости следовать за волнами для их поддержания, заряженные частицы не следуют за электромагнитными волнами. Важно отметить, что фотоны возникают только в том случае, если заряженные частицы движутся с ускорением, а при равномерном движении излучение не происходит.

Энергия и импульс фотона

Каждый фотон переносит определенное количество энергии. Этот показатель прямо пропорционален частоте волны и обратно пропорционален ее длине. Эта взаимосвязь происходит посредством квантовой константы — постоянной Планка. Она была выведена Максом Планком путем подбора — так, чтобы в точности соответствовать экспериментальным данным (впоследствии еще более точные расчеты повысили постоянную Планка на 1,5%). Таким образом, энергию фотона можно вычислить по формулам \[ E = frac{hc}{lambda} ], где:

• E — энергия фотона;
• h — постоянная Планка;
• ν — частота волны;
• λ — длина волны;
• c — скорость света в вакууме.

В системе СИ энергия фотона измеряется в джоулях, но значительно чаще этот показатель выражают в электронвольтах. Эти внесистемные единицы показывают количество энергии, необходимой для переноса заряда в электрическом поле с напряжением 1 вольт. Для перевода единиц используется достаточно сложная пропорция: \[ 1 , text{эВ} = 1.602 , 176 , 634 cdot 10^{-19} , text{Дж} \]

Фотоны имеют не только энергию, но и импульс. Это векторная величина, которая позволяет определить количество движения фотона. При этом направление импульса совпадает с направлением движения волны. В классической механике импульс считается через произведение массы и скорости тела. Однако, как мы уже знаем, фотон не имеет массы. С учетом закона эквивалентности массы и энергии \[ E = mc^2 \], импульс фотона (p) рассчитывают через отношение его энергии к скорости света: \[ p = frac{E}{c}\]

Давление света и его влияние

Наличие у фотона импульса делает возможным такой удивительный эффект, как давление света или электромагнитного излучения. Взаимодействуя с другими телами, например, во время отражения или поглощения света, фотоны передают им свой импульс, а значит, и создают давление. Экспериментальным способом это удалось подтвердить еще до открытия самого фотона. В 1899 году российский ученый Петр Лебедев, проверяя гипотезу Максвелла, смог измерить давление, которое световые лучи оказывают на твердые тела, а затем подтвердил полученные данные в экспериментах с газами.

Конечно, световое давление очень мало, и мы не можем его ощутить в обычных условиях. Однако оно имеет важное значение при планировании дальних космических полетов. Помимо гравитации, давление электромагнитного излучения является единственной внешней силой, которая воздействует на космические аппараты. Показателен пример миссии «Викинг», в рамках которой два посадочных модуля были отправлены на Марс. Если бы расчет траектории проводился без учета давления света, погрешность составила бы порядка 15 000 километров, и аппараты не смогли бы выйти на орбиту планеты.

Фотоэффект: объяснение и значение

Как и давление света, фотоэлектрический эффект был открыт раньше, чем объяснен с помощью фотонов. Еще в 1873 году британский инженер Уиллоуби Смит открыл явление фотопроводимости — под воздействием солнечного света электрическое сопротивление селена уменьшилось сразу в 1 000 раз относительно результатов тестов в темной закрытой емкости.

Спустя 14 лет Генрих Герц непосредственно открыл фотоэффект — под воздействием электромагнитных волн в катушке с искровым разрядником появилась искра. При этом на свету искра была значительно больше, чем в затемненной коробке, которую Герц использовал, чтобы лучше рассмотреть открытое им явление. Так ученые установили, что при воздействии световых волн может создаваться электрический ток.

Первый такой прибор (фотоэлемент) в 1888 году сконструировал российский ученый Александр Столетов. Он представлял собой стеклянную колбу с двумя подключенными электродами, на которые подавалось постоянное напряжение. Под воздействием ультрафиолета в цепи возникал фотоэлектрический ток.

Как мы уже упоминали в начале статьи, фотоэлектрический эффект смог объяснить Альберт Эйнштейн. Он рассчитал, что при достаточно высоких показателях энергии кванты света, взаимодействуя с атомами вещества проводников, передают мощный импульс и выбивают из них электроны. При этом столкновении фотон поглощается, а оставшаяся кинетическая энергия передается свободному электрону. В результате атом приобретает положительный заряд, то есть становится положительным ионом.

Технические применения фотонов

В этом разделе мы не будем говорить о световых приборах, которые являются источниками электромагнитного излучения, а посмотрим, как в технике используются непосредственно сами фотоны. Одним из классических примеров является электронно-лучевая трубка, созданная российским ученым Владимиром Зворыкиным, и ставшая основой первых электронных телевизоров. Высвобождаемые благодаря фотоэффекту пучки электронов улавливает люминофор — экран, способный преобразовывать поглощаемую энергию в видимый свет.

Рассмотрим основные способы технического применения фотонов в современности.

• Интернет. Электромагнитное излучение, которое передается по оптоволоконным кабелям, позволяет моментально обмениваться информацией.
• Энергетика. Солнечные панели улавливают фотоны и преобразуют их в постоянный электрический ток.
• Медицина. Высокочастотные рентгеновские и гамма-лучи используют для диагностики заболеваний, а лазеры — для проведения хирургических операций.
• Строительство и промышленность. Энергия фотонов используется для сварки материалов, обработки и резки поверхностей, сверления отверстий.
• Авиация и космическая отрасль. Специальные кристаллические преобразователи, способные создавать сверхвысокочастотное излучение, являются основой фотонных радаров.
• Автопилотирование. Лидары, испускающие и принимающие электромагнитные импульсы, позволяют автомобилям ориентироваться в пространстве, точно определяя расстояние до окружающих объектов.

Вопрос-ответ

Для чего применяется фотон?

Фотон применяется для работы сложных технических устройств в таких сферах, как телекоммуникации, медицина, промышленность, авиация и автопилотирование.

Почему фотон так называется?

Название «фотон» происходит от греческого слова «φῶς» — «свет». Его предложил американский ученый Гильберт Льюис.

Является ли фотон атомом?

Фотон не является ни атомом, ни составной частью атома. Это элементарная частица, переносящая электромагнитное излучение.

Что за бренд «Фотон»?

Под брендом «Фотон» выпускают самые разные товары, в том числе:

• световые приборы;
• аккумуляторы;
• сетевые адаптеры;
• грузовые автомобили и спецтехнику.

Изображение на обложке: Freepik