Фотон: определение, свойства и квантовая теория света

Фотон (по-древнегречески φῶς, фос — свет) — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света) в форме поперечных электромагнитных волн и посредник электромагнитного взаимодействия.

Она лишена массы и способна существовать лишь при скорости света. Электрический заряд фотона равен нулю.

Фотон обладает всего двумя спиновыми состояниями с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1.

Что такое фотон, квантовая теория света

К концу XIX в. сложилось общепринятое мнение, что свет имеет волновую природу. Подобно обычной волне световая, т. е. электромагнитная, волна характеризуется определенной частотой своих колебаний, не изменяющейся при переходе излучения из одной среды в другую.

Длина электромагнитной волны λ и ее частота v связаны между собой простым соотношением:

λ = с/ν

где с — скорость света.

С точки зрения волновой теории, обычный дневной свет представляет собой набор электромагнитных волн с различными λ.

При прохождении через треугольную стеклянную призму он разлагается на составные цвета образуя радужный спектр.

Волновой природой свет легко объясняются очень многие оптические явления, например отражение, рассеяние, лучепреломление и интерференция.

Однако с помощью таких представлений не удается объяснить закономерности, наблюдаемые при фотоэффекте.

Если металлическую поверхность облучать светом достаточно малой длиной волны, например ультрафиолетовым, из нее начинают вылетать электроны — явление, называемое фотоэффектом.

Испускание электронов происходит только в том случае, когда длина волны падающего света меньше определенной величины λ₀, при чем эта граница зависит только от природы металла.

При λ<λ₀ вылетевшие из металла электроны обладаю кинетической энергией.

Т = (mυ²)/2

По законам классической физики кинетическая энергия должна зависеть от интенсивности падающего света.

В действительности же этого не наблюдается.

Теория Планка

В 1900 г. профессор Берлинского университета Мак Планк, изучив лучеиспускание раскаленных тел, пришёл к выводу, что световая энергия излучается и поглощается отдельными порциями — квантами.

Энергия Е отдельного кванта выражается уравнением:

E = hv,

где h — постоянная Планка, равная 6,625•10^-34 дж/сек.

Вскоре Альберт Эйнштейн сделал из полученных Планком результатов следующий логический вывод:

Не только процесс испускания и поглощения световой энергии происходит скачкообразно, но и само это излучение представляет собой поток фотонов — квантов энергии hv, которое можно рассматривать как атомы света.

Масса движения фотона

Фотоны летят в пустоте со скоростью 300 000 км/сек и обглодают определенной массой. Массу движущегося фотона можно рассчитать с помощью уравнений Эйнштейна (Е = тс²) и Планка (E=hv).

Приравнивая правые части этих уравнений друг другу, получаем:

т_фс² = hv,

откуда

т_ф = hv/с²

или

т_фс² = (h/c)•(1/λ)

Фотон существует только в процессе движения, его масса покоя равна нулю. В этом коренное отличие фотонов от электронов, протонов и некоторых других материальных частиц.

С помощью квантовой теории А. Эйнштейн объяснил наблюдаемые при фотоэффекте закономерности.

Чтобы выбить электрон из металла, необходимо затратить определенное количество энергии Е₀ (работа выхода).

Падающий на металлическую поверхность свет состоит из фотонов с энергией hv. Энергия каждого поглощенного атомом металла фотона полностью передается электрону.

Можно составить уравнение энергетического баланса:

hv = Е₀ + (1/2)mυ²

Где hv энергия поглаженного фотона, Е₀ Работа выхода электрона из металла, (1/2) mυ²  кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Если падающие на поверхность фотоны имеют энергию, меньшую, чем Е₀, электрон не покидает металл.

Если же Е_Ф>Е₀, то электрон вылетает из металла и обладает кинетической энергией Т, величина которой не зависит от интенсивности облучения, т. е. «концентрации» фотонов в пучке падающего света.

Вывод

Волновая теория света успешно объяснила множество оптических явлений, таких как отражение, лучепреломление или интерференция.

Однако, когда дело доходит до фотоэффекта, волновая теория оказывается бессильной. Именно в этот момент квантовая теория света, предложенная Максом Планком и развитая Альбертом Эйнштейном, приходит на помощь.

Согласно квантовой теории, свет обладает дуализмом частица-волна и представляет собой поток квантов энергии, или фотонов.

При взаимодействии их с металлической поверхностью происходит фотоэффект, при котором электроны вырываются из металла, обладая кинетической энергией, не зависящей от интенсивности света.

Этот феномен не только объясняет наблюдаемые закономерности при фотоэффекте, но и подтверждает квантовую природу света и его частиц — фотонов.

В результате, квантовая теория света успешно решает противоречия, возникшие при попытках волновой теории объяснить все оптические явления.

Быстрые ответы?