Een foton heeft geen massa. Fotonenenergie en het gebruik ervan

Mensen zijn er al lang aan gewend dat een van de kenmerken van elke materie massa is. Het is niet alleen inherent aan zulke grote objecten als planeten en sterren, maar ook aan hun analogen uit de onzichtbare microwereld: protonen en elektronen. Sir heeft ooit op briljante wijze de relatie tussen de massa’s die een lichaam heeft, bewezen. Binnen het raamwerk van zijn theorie worden berekeningen van de hemelmechanica nog steeds met succes uitgevoerd. Enige tijd na het ontstaan ​​van de theorie van Newton ontstond de behoefte aan belangrijke wijzigingen ervan, aangezien sommige verschijnselen onverklaarbaar bleven. A. Einstein loste dit probleem op door zijn ‘speciale theorie’ te formuleren. Tegelijkertijd verscheen de beroemde formule E=m*(c*c), die de relatie aangeeft tussen energie, massa en. Door de formule toe te passen op deeltjes werd al snel duidelijk dat de massa van het foton nul is. Op het eerste gezicht is dit in tegenspraak met het gezond verstand, maar zo is het precies. De massa van een foton bij nulsnelheid van zijn beweging is nul. Maar wanneer een deeltje een snelheid van 300.000 km/s overschrijdt, krijgt het zijn gebruikelijke massa. Echter, binnen De laatste tijd Er wordt aangenomen dat de massa van het foton nog steeds nul is. En de waarde die volgt uit de formule H*v = m*(c*c) is Dus waar is de fotonmassa eigenlijk gelijk aan? Er is echt een formule. Alleen is het complexer en wordt de berekening uitgevoerd via de waarde van het momentum van een bepaald deeltje.

Omdat de energie E voor een foton gelijk is aan H*v, kan de massa worden bepaald met de formule:

m = (H*v) / (c*c)

Maar aangezien het foton in feite licht is, kan het in principe niet bestaan ​​bij snelheden lager dan “s” (300.000 km/s), dus de hierboven gevonden massa is alleen correct voor de bewegingstoestand.

De impuls kan worden gevonden via

p=(m*v) / sqrt (1- (v*v) / (c*c))

De aanwezigheid van momentum duidt op energie. Als u op een zomerdag uw hand onder de zonnestralen legt, voelt u duidelijk de warmte. Dit fenomeen kan worden verklaard door de overdracht van energie door een deeltje met een bepaalde massa dat meebeweegt hoge snelheid. Dit is precies wat wordt waargenomen met betrekking tot licht. Daarom zijn de massa en het momentum van een foton zo belangrijk, hoewel het in dit geval niet altijd mogelijk is om met bekende concepten te werken.

Op talloze internetfora worden debatten gevoerd over de aard van licht en hoe berekeningen moeten worden uitgevoerd. Het is duidelijk dat de vraag wat de massa van een foton is, nog niet als afgerond kan worden beschouwd. Nieuwe modellen maken het mogelijk om waargenomen processen op een heel andere manier te verklaren. In de wetenschap gebeurt dit altijd: zo werd de theorie van Newton aanvankelijk als compleet en logisch beschouwd, maar al snel werd duidelijk dat er een aantal wijzigingen nodig waren. Desondanks belet niets mensen om gebruik te maken van de bekende eigenschappen die mensen met behulp van instrumenten in het donker hebben leren zien; supermarktdeuren gaan automatisch open voor bezoekers; optische netwerken hebben het mogelijk gemaakt om voorheen ongekende digitale datatransmissiesnelheden te bereiken; A speciale apparaten maakte het mogelijk om zonlicht om te zetten in elektriciteit.

Waarom heeft een foton in rust geen massa (en bestaat het helemaal niet)? Hiervoor zijn verschillende verklaringen. Ten eerste volgt deze conclusie uit de formules. Ten tweede, omdat licht een tweeledig karakter heeft (het is zowel een golf als een stroom deeltjes), is het concept van massa uiteraard volkomen niet van toepassing op straling. De derde is logisch: stel je een snel roterend wiel voor. Als je er doorheen kijkt, zie je in plaats van spaken een soort mist, waas. Maar zodra je de rotatiesnelheid begint te verlagen, verdwijnt de waas geleidelijk en na een volledige stop blijven alleen de spaken over. IN in dit voorbeeld De waas is een deeltje dat een "foton" wordt genoemd. Het kan alleen in beweging worden waargenomen, en met een strikt gedefinieerde snelheid. Als de snelheid onder de 300.000 km/s daalt, verdwijnt het foton.

In zijn moderne interpretatie stelt de kwantumhypothese dat energie E trillingen van een atoom of molecuul gelijk kunnen zijn H v, 2 H v, 3 Hν, enz., maar er zijn geen oscillaties met energie in het interval tussen twee opeenvolgende gehele getallen die een veelvoud zijn van . Dit betekent dat energie niet continu is, zoals eeuwenlang werd aangenomen, maar gekwantiseerd , d.w.z. bestaat alleen in strikt gedefinieerde afzonderlijke delen. Het kleinste deel wordt gebeld kwantum van energie . De kwantumhypothese kan ook worden geformuleerd als een bewering dat er op atomair-moleculair niveau geen trillingen met enige amplitude optreden. Aanvaardbare amplitudewaarden houden verband met de oscillatiefrequentie ν .

In 1905 bracht Einstein een gedurfd idee naar voren dat de kwantumhypothese generaliseerde en er de basis van maakte nieuwe theorie licht (kwantumtheorie van het foto-elektrisch effect). Volgens de theorie van Einstein , licht met frequentieν Niet alleen uitgezonden, zoals Planck aannam, maar ook verspreidt zich en wordt in afzonderlijke porties door de stof opgenomen (quanta), wiens energie. De voortplanting van licht moet dus niet worden beschouwd als een continu golfproces, maar als een stroom van discrete lichtkwanta gelokaliseerd in de ruimte, die beweegt met de snelheid van de lichtvoortplanting in vacuüm ( Met). Het kwantum van elektromagnetische straling wordt genoemd foton .

Zoals we al hebben gezegd, komt de emissie van elektronen vanaf het oppervlak van een metaal onder invloed van straling die erop valt overeen met het idee van licht als een elektromagnetische golf, omdat elektrisch veld De elektromagnetische golf beïnvloedt de elektronen in het metaal en schakelt een aantal ervan uit. Maar Einstein vestigde de aandacht op het feit dat de details van het foto-elektrische effect voorspeld door de golftheorie en de fotonentheorie (kwantumcorpusculaire theorie) van licht aanzienlijk verschillen.

We kunnen dus de energie van het uitgezonden elektron meten op basis van de golf en fotonen theorie. Laten we, om de vraag te beantwoorden welke theorie de voorkeur verdient, enkele details van het foto-elektrische effect bekijken.

Laten we beginnen met de golftheorie en daarvan uitgaan de plaat wordt verlicht met monochromatisch licht. De lichtgolf wordt gekenmerkt door de volgende parameters: intensiteit en frequentie(of golflengte). De golftheorie voorspelt dat wanneer deze kenmerken veranderen, de volgende verschijnselen optreden:

· met toenemende lichtintensiteit zou het aantal uitgestoten elektronen en hun maximale energie moeten toenemen, omdat hogere lichtintensiteit betekent grotere amplitude elektrisch veld, en een sterker elektrisch veld trekt elektronen met hogere energie naar buiten;

uitgeschakelde elektronen; kinetische energie hangt alleen af ​​van de intensiteit van het invallende licht.

De fotonentheorie (corpusculaire theorie) voorspelt iets heel anders. Allereerst merken we op dat in een monochromatische bundel alle fotonen dezelfde energie hebben (gelijk aan H v). Het verhogen van de intensiteit van een lichtstraal betekent een toename van het aantal fotonen in de straal, maar heeft geen invloed op hun energie als de frequentie onveranderd blijft. Volgens de theorie van Einstein wordt een elektron van het oppervlak van een metaal geslagen wanneer een enkel foton ermee in botsing komt. In dit geval wordt alle energie van het foton overgedragen naar het elektron en houdt het foton op te bestaan. Omdat elektronen worden door aantrekkingskrachten in het metaal vastgehouden; er is minimale energie nodig om een ​​elektron uit het metaaloppervlak te slaan A(die de werkfunctie wordt genoemd en voor de meeste metalen in de orde van enkele elektronvolt ligt). Als de frequentie ν van het invallende licht klein is, zijn de energie en energie van het foton niet voldoende om een ​​elektron van het oppervlak van het metaal te verwijderen. Als , dan vliegen elektronen uit het oppervlak van het metaal, en energie in zo’n proces behouden blijft, d.w.z. foton energie ( Hν) is gelijk aan de kinetische energie van het uitgezonden elektron plus de arbeid die nodig is om het elektron uit het metaal te slaan:

(2.3.1)

Vergelijking (2.3.1) wordt genoemd Einsteins vergelijking voor het externe foto-elektrische effect.

Op basis van deze overwegingen voorspelt de fotonische (corpusculaire) theorie van licht het volgende.

1. Een toename van de lichtintensiteit betekent een toename van het aantal invallende fotonen, die meer elektronen van het metaaloppervlak uitschakelen. Maar omdat de fotonenergie hetzelfde is, zal de maximale kinetische energie van het elektron niet veranderen ( bevestigd I wet op het foto-elektrisch effect).

2. Naarmate de frequentie van het invallende licht toeneemt, neemt de maximale kinetische energie van elektronen lineair toe volgens Einsteins formule (2.3.1). ( Bevestiging II wet op het foto-elektrisch effect). De grafiek van deze afhankelijkheid wordt weergegeven in figuur 2. 2.3.

,

Rijst. 2.3

3. Als de frequentie ν kleiner is dan de kritische frequentie, worden er geen elektronen uit het oppervlak geslagen (III wet).

We zien dus dat de voorspellingen van de corpusculaire (fotonen) theorie heel anders zijn dan de voorspellingen van de golftheorie, maar heel goed samenvallen met de drie experimenteel vastgestelde wetten van het foto-elektrische effect.

De vergelijking van Einstein werd bevestigd door de experimenten van Millikan die in 1913–1914 werden uitgevoerd. Het belangrijkste verschil met het experiment van Stoletov is dat het metalen oppervlak in een vacuüm werd gereinigd. De afhankelijkheid van de maximale kinetische energie van de frequentie werd bestudeerd en de constante van Planck werd bepaald H.

In 1926 ontdekten de Russische natuurkundigen P.I. Loekirski en S.S. Prilezhaev gebruikte de methode van een vacuüm-sferische condensator om het foto-elektrische effect te bestuderen. De anode bestond uit de verzilverde wanden van een glazen bolvormige cilinder, en de kathode was een bal ( R≈ 1,5 cm) van het onderzochte metaal, in het midden van de bol geplaatst. Deze vorm van de elektroden maakte het mogelijk om de helling van de stroom-spanningskarakteristiek te vergroten en daardoor de vertragingsspanning nauwkeuriger te bepalen (en bijgevolg H). Waarde van de constante van Planck H, verkregen uit deze experimenten, komt overeen met de waarden gevonden door andere methoden (van straling van zwarte lichamen en van de kortegolflengterand van het continue röntgenspectrum). Dit alles is een bewijs van de juistheid van Einsteins vergelijking, en tegelijkertijd van zijn kwantumtheorie van het foto-elektrisch effect.

Om thermische straling te verklaren, stelde Planck voor dat licht werd uitgezonden door quanta. Toen Einstein het foto-elektrische effect uitlegde, suggereerde hij dat licht wordt geabsorbeerd door quanta. Einstein suggereerde ook dat licht zich voortplant door kwanta, d.w.z. in porties. Het kwantum van lichtenergie wordt genoemd foton . Die. opnieuw kwamen we bij het concept van lichaampje (deeltje).

De meest directe bevestiging van Einsteins hypothese werd geleverd door het experiment van Bothe, waarbij gebruik werd gemaakt van de toevalsmethode (Fig. 2.4).

Rijst. 2.4

Dunne metaalfolie F geplaatst tussen twee gasontladingstellers SCH. De folie werd verlicht door een zwakke bundel röntgenstralen, onder invloed waarvan deze zelf een bron van röntgenstralen werd (dit fenomeen wordt röntgenfluorescentie genoemd). Vanwege de lage intensiteit van de primaire bundel was het aantal door de folie uitgezonden quanta klein. Toen quanta op de toonbank terechtkwam, werd het mechanisme geactiveerd en werd er een markering op de bewegende papieren rompslomp gemaakt. Als de uitgezonden energie gelijkmatig in alle richtingen zou worden verdeeld, zoals volgt uit golfconcepten, zouden beide tellers gelijktijdig moeten werken en zouden de markeringen op de band tegenover elkaar staan. In werkelijkheid was er sprake van een volledig willekeurige rangschikking van cijfers. Dit kan alleen worden verklaard door het feit dat bij individuele emissiehandelingen lichtdeeltjes verschijnen die in de ene of de andere richting vliegen. Zo werd het bestaan ​​van bijzondere lichtdeeltjes – fotonen – experimenteel bewezen.

Een foton heeft energie . Voor zichtbaar licht geldt golflengte λ = 0,5 µm en energie E= 2,2 eV, voor röntgenstralen λ = µm en E= 0,5 eV.

Het foton heeft een traagheidsmassa , die kan worden gevonden uit de relatie:

;

(2.3.2)

Foton reist met de snelheid van het licht C= 3·10 8 m/s. Laten we deze snelheidswaarde vervangen door de uitdrukking voor de relativistische massa:

.

Een foton is een deeltje dat geen rustmassa heeft. Het kan alleen bestaan ​​als het beweegt met de snelheid van het licht c .

Laten we het verband vinden tussen energie en fotonmomentum.

We kennen de relativistische uitdrukking voor momentum:

.

(2.3.3)

En voor energie:

.

(2.3.4)

Het foton is een massaloos deeltje en kan alleen in een vacuüm bestaan. Het heeft ook geen elektrische eigenschappen, dat wil zeggen dat de lading nul is. Afhankelijk van de context van beschouwing zijn er verschillende interpretaties van de beschrijving van een foton. Klassiek (elektrodynamica) stelt het voor als een elektromagnetische golf met circulaire polarisatie. Het foton vertoont ook de eigenschappen van een deeltje. Dit dubbele idee ervan wordt golf-deeltjes dualiteit genoemd. Aan de andere kant beschrijft de kwantumelektrodynamica het fotondeeltje als een ijkboson dat de vorming van elektromagnetische interactie mogelijk maakt.

Van alle deeltjes in het heelal heeft het foton het maximale aantal. De spin (intrinsiek mechanisch moment) van het foton is gelijk aan eenheid. Bovendien kan een foton zich slechts in twee kwantumtoestanden bevinden, waarvan er één een spinprojectie in een bepaalde richting heeft die gelijk is aan -1, en de andere gelijk is aan +1. Deze kwantumeigenschap van het foton wordt weerspiegeld in zijn klassieke uitvoering als de dwarsheid van een elektromagnetische golf. De rustmassa van een foton is nul, wat betekent dat de voortplantingssnelheid gelijk is aan de lichtsnelheid.

Een fotondeeltje heeft geen elektrische eigenschappen (lading) en is redelijk stabiel, dat wil zeggen dat het foton niet in een vacuüm spontaan kan vervallen. Dit deeltje wordt bij veel fysieke processen uitgezonden, bijvoorbeeld tijdens de beweging van een elektrische lading met versnelling, maar ook tijdens energiesprongen van de kern van een atoom of het atoom zelf van de ene toestand naar de andere. Ook kan een foton worden geabsorbeerd tijdens omgekeerde processen.

Golf-deeltje dualiteit van het foton

De dualiteit van golven en deeltjes die inherent is aan het foton komt tot uiting in talloze fysieke experimenten. Fotonische deeltjes nemen deel aan golfprocessen zoals diffractie en interferentie, wanneer de grootte van obstakels (spleten, diafragma's) vergelijkbaar is met de grootte van het deeltje zelf. Dit is vooral merkbaar bij experimenten met de diffractie van afzonderlijke fotonen door een enkele spleet. Ook komt de puntaard en corpusculariteit van het foton tot uiting in de processen van absorptie en emissie door objecten waarvan de afmetingen veel kleiner zijn dan de golflengte van het foton. Maar aan de andere kant is de weergave van een foton als deeltje ook niet compleet, omdat deze wordt weerlegd door correlatie-experimenten gebaseerd op verstrengelde toestanden van elementaire deeltjes. Daarom is het gebruikelijk om een ​​fotondeeltje te beschouwen, ook als een golf.

Video over het onderwerp

Bronnen:

• Photon 1099: alles over de auto

Voornaamst quantum nummer- dit is een geheel nummer, wat een definitie is van de toestand van een elektron op energieniveau. Een energieniveau is een reeks stationaire toestanden van een elektron in een atoom met vergelijkbare energiewaarden. Voornaamst quantum nummer bepaalt de afstand van een elektron tot de kern, en karakteriseert de energie van de elektronen die dit niveau bezetten.

De reeks getallen die de toestand karakteriseren, worden kwantumgetallen genoemd. De golffunctie van een elektron in een atoom, zijn unieke toestand, wordt bepaald door vier kwantumgetallen - hoofd-, magnetisch, orbitaal en splin - het bewegingsmoment van een elementair, uitgedrukt in een kwantitatieve waarde. Voornaamst quantum nummer heeft n .If het hoofdkwantum nummer neemt toe, dan nemen de baan en de energie van het elektron dienovereenkomstig toe. Hoe kleiner de waarde van n, hoe kleiner de waarde van n meer waarde energie-interactie van een elektron. Als de totale energie van elektronen minimaal is, wordt de toestand van het atoom niet-aangeslagen of grond genoemd. Staat van het atoom met hoge waarde energie heet opgewonden. Op het hoogste niveau nummer elektronen kunnen worden bepaald met de formule N = 2n2. Wanneer een elektron van het ene energieniveau naar het andere overgaat, wordt het hoofdkwantum nummer In de kwantumtheorie wordt gesteld dat de energie van een elektron gekwantiseerd is, dat wil zeggen dat het alleen discrete, specifieke waarden kan aannemen. Om de toestand van een elektron in een atoom te kennen, is het noodzakelijk rekening te houden met de energie van het elektron, de vorm van het elektron en andere parameters. Uit de omgeving natuurlijke cijfers, waarbij n gelijk kan zijn aan 1 en 2 en 3 enzovoort, het hoofdkwantum nummer kan elke waarde aannemen. In de kwantumtheorie worden energieniveaus aangegeven met letters, en de waarde n met cijfers. Het nummer van de periode waarin het element zich bevindt is gelijk aan het aantal energieniveaus in het atoom in de grondtoestand. Alle energieniveaus bestaan ​​uit subniveaus. Het subniveau bestaat uit atomaire orbitalen, die worden bepaald en gekenmerkt door het hoofdkwantum nummer m n, orbitaal nummer ml en kwantum nummer mml. Het aantal subniveaus van elk niveau overschrijdt de waarde n niet. De Schrödinger-golfvergelijking is het handigst voor de elektronische structuur van het atoom.

De kwantumfysica werd een enorme impuls voor de ontwikkeling van de wetenschap in de 20e eeuw. Een poging om de interactie van de kleinste deeltjes op een heel andere manier te beschrijven met behulp van de kwantummechanica, terwijl sommige problemen van de klassieke mechanica al onoplosbaar leken, veroorzaakte een echte revolutie.

Redenen voor de opkomst van de kwantumfysica

Natuurkunde – beschrijft de wetten waarmee de wereld functioneert. Newtoniaans, of klassiek, ontstond in de Middeleeuwen, en de uitgangspunten ervan waren al in de oudheid te zien. Het verklaart perfect alles wat er gebeurt op een schaal die door mensen wordt waargenomen, zonder extra's meetinstrumenten. Maar mensen kwamen veel tegenstrijdigheden tegen toen ze de micro- en macrowereld begonnen te bestuderen, om zowel de kleinste deeltjes waaruit materie bestaat als de gigantische sterrenstelsels rond onze geboorteland Melkweg te onderzoeken. Het bleek dat de klassieke natuurkunde niet voor alles geschikt is. Dit is hoe de kwantumfysica verscheen: de wetenschap van kwantummechanische en kwantumveldsystemen. Techniek voor de studie van de kwantumfysica – dit zijn de kwantummechanica en de kwantumveldentheorie. Ze worden ook gebruikt in andere verwante gebieden van de natuurkunde.

Basisprincipes van de kwantumfysica, in vergelijking met de klassieke

Voor degenen die net kennis maken met de kwantumfysica lijken de bepalingen ervan vaak onlogisch of zelfs absurd. Als je er echter dieper op ingaat, is het veel gemakkelijker om de logica te traceren. De eenvoudigste manier om de basisprincipes van de kwantumfysica te leren, is door deze te vergelijken met de klassieke natuurkunde.

Als men in de klassieke oudheid gelooft dat de natuur onveranderlijk is, hoe wetenschappers het ook beschrijven, dan is dat zo kwantumfysica het resultaat van waarnemingen zal sterk afhangen van welke meetmethode wordt gebruikt.

Volgens de mechanicawetten van Newton, die de basis vormen van de klassieke natuurkunde, heeft een deeltje (of materieel punt) op elk moment een bepaalde positie en snelheid. In de kwantummechanica is dit niet het geval. Het is gebaseerd op het principe van superpositie van afstanden. Dat wil zeggen, als een kwantumdeeltje zich in de ene en de andere toestand kan bevinden, dan kan het zich ook in een derde toestand bevinden - de som van de voorgaande twee (dit wordt een lineaire combinatie genoemd). Daarom is het onmogelijk om precies te bepalen waar het deeltje zich op een bepaald moment zal bevinden. Je kunt alleen de waarschijnlijkheid berekenen dat ze ergens is.

Als het in de klassieke natuurkunde mogelijk is om het traject van een fysiek lichaam te construeren, dan is het in de kwantumfysica alleen mogelijk om een ​​waarschijnlijkheidsverdeling te construeren die in de loop van de tijd zal veranderen. Bovendien ligt het maximum van de verdeling altijd daar waar het bepaald wordt door de klassieke mechanica! Dit is erg belangrijk, omdat het ten eerste het mogelijk maakt om het verband tussen de klassieke en de kwantummechanica te traceren, en ten tweede aantoont dat ze elkaar niet tegenspreken. We kunnen zeggen dat de klassieke natuurkunde een speciaal geval van de kwantumfysica is.

Waarschijnlijkheid in de klassieke natuurkunde verschijnt wanneer de onderzoeker bepaalde eigenschappen van een object niet kent. In de kwantumfysica is waarschijnlijkheid fundamenteel en altijd aanwezig, ongeacht de mate van onwetendheid.

In de klassieke mechanica zijn alle waarden van energie en snelheid voor een deeltje toegestaan, maar in de kwantummechanica zijn alleen bepaalde waarden, ‘gekwantiseerd’, toegestaan. Dit worden eigenwaarden genoemd, die elk hun eigen toestand hebben. Een kwantum is een ‘deel’ van een hoeveelheid die niet in componenten kan worden verdeeld.

Een van de fundamentele principes van de kwantumfysica is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Het punt hier is dat er geen manier is om tegelijkertijd zowel de snelheid als de positie van een deeltje te bepalen. Je kunt maar één ding meten. Bovendien geldt dat hoe beter het apparaat de snelheid van een deeltje meet, hoe minder er bekend zal zijn over de positie ervan, en omgekeerd.

Feit is dat je, om een ​​deeltje te meten, ernaar moet ‘kijken’, dat wil zeggen een lichtdeeltje – een foton – in zijn richting moet sturen. Dit foton, waar de onderzoeker alles over weet, zal botsen met het te meten deeltje en de eigenschappen ervan veranderen. Dit is ongeveer hetzelfde als het meten van de snelheid van een rijdende auto door een andere auto met een bekende snelheid ernaartoe te sturen en vervolgens, gebruikmakend van de gewijzigde snelheid en het traject van de tweede auto, de eerste te onderzoeken. De kwantumfysica bestudeert objecten die zo klein zijn dat zelfs fotonen (lichtdeeltjes) hun eigenschappen veranderen.

Minder dan een atoom

Een foton is een subnucleair micro-object dat niet in zijn samenstellende delen kan worden verdeeld. Het heeft geen eigen massa en is elektrisch neutraal. Dit is het kleinste, ondeelbare deeltje van elektromagnetische straling. Foton

beweegt met de snelheid van het licht en bestaat alleen in beweging. Het is onmogelijk om hem tegen te houden. De rustmassa is nul, dus beweegt het met de snelheid van het licht of bestaat het helemaal niet. Hij kan niet buiten beweging zijn. Volgens sommige wetenschappers is een foton geen deeltje, maar een elektromagnetische golf. Deze mening is echter controversieel.

Over de aard van licht

De eerste wetenschapper die op het idee kwam dat licht uit kleine onzichtbare deeltjes bestaat, was de Arabische functionaris Abu al-Haytham. Hij verwoordde dit idee in 1021 in zijn ‘Book of Optics’. Honderden jaren later, in 1873, zorgde Maxwell, een Britse wetenschapper, voor een revolutie op dit gebied. Hij kwam tot de conclusie dat licht elektromagnetische golven zijn. Toegegeven, op dat moment was zijn theorie in sommige opzichten

was niet waar. Verder kwam hij tijdens het bestuderen van verschillende elektromagnetische verschijnselen tot een andere logische conclusie. Zijn belangrijkste ontdekking was dat licht onvermijdelijk druk uitoefent op een obstakel. Dit fenomeen is gebaseerd op het feit dat bewegende fotonen hun momentum overbrengen op moleculen of atomen die ze onderweg tegenkomen. Deze verklaring van Maxwell werd bevestigd door N.P. Lebedev. Het momentum van een foton is gelijk aan de verhouding tussen de constante van Planck en de golflengte van het licht. Dit kan worden uitgedrukt via de formule p=h/λ.

Met behulp van... fotonen

Misschien zal de mensheid na enige tijd volledig overschakelen naar de nieuwe soort een energiebron die veel goedkoper en efficiënter zal zijn dan gas, olie of steenkool. Het volstaat te zeggen dat het al bijna overal wordt gevonden. Deze energiebron kan onder andere niet worden gemonopoliseerd, wat veel voordelen zal opleveren ten opzichte van het gebruik van gas, elektriciteit, enz. Wat is het? Dit is fotonenenergie. Er wordt al gebruik gemaakt van zonne-energie

batterijen. Fotonenenergie is het product van de constante van Planck en de stralingsfrequentie. Dit kan worden uitgedrukt via de formule: e=hv. De letter v geeft in dit geval de frequentie van het foton aan. Dikte zonnestraling op grondniveau is ongeveer duizend watt per vierkante meter. Deze krachtige en continue stroom fotonen afkomstig van de ster die het dichtst bij onze planeet staat, kan worden omgezet in elektrische energie. Hoe? Stel je een plat vierkant voor met afgeschuinde hoeken, gemaakt van silicium, waarvan de diameter meestal 12,5 cm is, dit is een foto-elektrische omzetter. Het kan mono- of multikristallijn zijn. Deze onderdelen worden gebruikt om te maken zonnepanelen. Ze zetten fotonenenergie om in elektriciteit. Het rendement van de converter kan variëren van 5 tot 17 procent, afhankelijk van het type en de structuur. Desondanks is zonlicht (lees fotonenenergie) een veelbelovende bron van gratis elektriciteit. In veel huizen in Europa zijn speciale panelen geïnstalleerd die het recyclen. Er kan een indrukwekkender voorbeeld worden gegeven: in onze tijd zijn er auto's verschenen met batterijen die zijn opgeladen door zonlicht.

Licht en warmte, smaak en geur, kleur en informatie: dit alles is onlosmakelijk verbonden met fotonen. Bovendien is het leven van planten, dieren en mensen onmogelijk zonder dit verbazingwekkende deeltje.

Er wordt aangenomen dat er voor elk proton of neutron ongeveer 20 miljard fotonen in het heelal zijn. Dit is een fantastisch groot aantal.

Maar wat weten we over dit meest voorkomende deeltje in de wereld om ons heen?

Sommige wetenschappers geloven dat de snelheid van een foton gelijk is aan de lichtsnelheid in een vacuüm, d.w.z. ongeveer 300.000 km/sec en dit is de maximaal mogelijke snelheid in het heelal.

Andere wetenschappers zijn van mening dat er in het heelal genoeg voorbeelden zijn waarin de snelheid van deeltjes groter is dan de snelheid van het licht.

Sommige wetenschappers geloven dat het foton elektrisch neutraal is.

Anderen geloven dat het foton een elektrische lading heeft (volgens sommige bronnen minder dan 10 -22 eV/sec 2).

Sommige wetenschappers geloven dat een foton een massaloos deeltje is en dat de massa van een foton in rust naar hun mening nul is.

Anderen geloven dat het foton massa heeft. Toegegeven, heel, heel klein. Een aantal onderzoekers hangt dit standpunt aan en definieert de fotonmassa op verschillende manieren: minder dan 6 x 10 -16 eV, 7 x 10 -17 eV, 1 x 10 -22 eV en zelfs 3 x 10 -27 eV, dat is miljarden keren minder elektronenmassa.

Sommige wetenschappers geloven dat een foton, in overeenstemming met de wetten van reflectie en breking van licht, een deeltje is, d.w.z. lichaampje. (Euclides, Lucretius, Ptolemaeus, I. Newton, P. Gassendi)

Anderen (R. Descartes, R. Hooke, H. Huygens, T. Jung en O. Fresnel), vertrouwend op de verschijnselen van diffractie en interferentie van licht, geloven dat het foton een golfkarakter heeft.

Wanneer uitgestoten of geabsorbeerd atoomkernen en elektronen, evenals tijdens het foto-elektrische effect gedraagt ​​het foton zich als een deeltje.

En wanneer een foton door een glazen prisma of een klein gaatje in een obstakel gaat, demonstreert het zijn heldere golfeigenschappen.

De compromisoplossing van de Franse wetenschapper Louis de Broglie, die gebaseerd is op het golf-deeltjes dualisme, dat stelt dat fotonen zowel deeltjes- als golfeigenschappen hebben, is niet het antwoord op deze vraag. De dualiteit van golven en deeltjes is slechts tijdelijk overeenkomst, gebaseerd op de absolute onmacht van wetenschappers om deze uiterst belangrijke vraag te beantwoorden.

Uiteraard kalmeerde deze overeenkomst de situatie enigszins, maar loste het probleem niet op.

Op basis hiervan kunnen we formuleren eerste vraag geassocieerd met een foton

Vraag één.

Zijn fotonen golven of deeltjes? Of misschien allebei, of geen van beide?

Verder. In de moderne natuurkunde is een foton een elementair deeltje dat een kwantum (een deel) van elektromagnetische straling vertegenwoordigt. Licht is ook elektromagnetische straling en het foton wordt beschouwd als een drager van licht. Dit is behoorlijk stevig verankerd in ons bewustzijn en het foton wordt in de eerste plaats geassocieerd met licht.

Naast licht bestaan ​​er echter nog andere vormen van elektromagnetische straling: gammastraling, röntgenstraling, ultraviolette straling, zichtbare straling, infraroodstraling, microgolfstraling en radiostraling. Ze verschillen van elkaar in golflengte, frequentie, energie en hebben hun eigen kenmerken.

Soorten straling en hun korte kenmerken

De drager van alle soorten elektromagnetische straling is het foton. Volgens wetenschappers is het voor iedereen hetzelfde. Tegelijkertijd wordt elk type straling gekenmerkt door een andere golflengte, trillingsfrequentie en verschillende fotonenergieën. Dus verschillende fotonen? Het lijkt erop dat het aantal verschillende typen is elektromagnetische golven er moeten een gelijk aantal verschillende soorten fotonen zijn. Maar er is nog steeds maar één foton in de moderne natuurkunde.

Het blijkt een wetenschappelijke paradox: de straling is verschillend, hun eigenschappen zijn ook verschillend, maar het foton dat deze straling draagt ​​is hetzelfde.

Gammastraling en röntgenstraling overwinnen bijvoorbeeld barrières, maar ultraviolette en infrarode straling en zichtbaar licht, met een langere golflengte maar lagere energie, doen dat niet. Tegelijkertijd hebben microgolf- en radiogolfstraling een nog langere golflengte en nog minder energie, maar overwinnen ze de waterkolom en betonnen muren. Waarom?

Doordringend vermogen van fotonen onder verschillende stralingen

Er rijzen hier twee vragen.

Vraag twee.

Zijn alle fotonen werkelijk hetzelfde in alle soorten straling?

Vraag drie.

Waarom overwinnen fotonen van sommige soorten straling barrières, maar die van andere soorten straling niet? Wat is er aan de hand: straling of fotonen?

Er wordt aangenomen dat een foton het kleinste structuurloze deeltje in het heelal is. De wetenschap heeft nog niets kunnen identificeren dat kleiner is dan een foton. Maar is dat zo? Ooit werd het atoom immers als ondeelbaar beschouwd en als het kleinste ter wereld om ons heen. Daarom is de vierde vraag logisch:

Vraag vier.

Is een foton een klein en structuurloos deeltje of bestaat het uit nog kleinere formaties?

Bovendien wordt aangenomen dat de rustmassa van een foton nul is, maar dat het tijdens beweging zowel massa als energie vertoont. Maar dan is er

vraag vijf:

Is een foton een materieel deeltje of niet? Als een foton materieel is, waar verdwijnt zijn massa dan in rust? Als het niet materieel is, waarom worden de volledig materiële interacties met de wereld om ons heen dan vastgelegd?

Voor ons liggen dus vijf raadselachtige vragen met betrekking tot het foton. En vandaag hebben ze geen duidelijke antwoorden. Elk van hen heeft zijn eigen problemen. Problemen die we vandaag zullen proberen te overwegen.

Tijdens onze reizen “Adem van het Universum”, “Diepten van het Universum” en “Kracht van het Universum”, door het prisma van de structuur en het functioneren van het Universum, hebben we al deze kwesties behoorlijk diepgaand overwogen. We hebben het hele pad van fotonvorming gevolgd, vanaf het ontstaan ​​van fundamentele deeltjes – etherische vortexstolsels tot sterrenstelsels en hun clusters. Ik durf te hopen dat we een redelijk logisch en systematisch georganiseerd beeld van de wereld hebben. Daarom werd de aanname over de structuur van het foton een logische stap in het kennissysteem over ons universum.

Fotonen structuur

Het foton verscheen niet voor ons als deeltje of als golf, maar als een roterende kegelvormige veer, met een uitzettend begin en een taps toelopend uiteinde.

Het veerontwerp van het foton stelt ons in staat bijna alle vragen te beantwoorden die zich voordoen bij het bestuderen van natuurlijke verschijnselen en experimentele resultaten.

We hebben al vermeld dat fotonen dragers zijn van verschillende soorten elektromagnetische straling. Tegelijkertijd, ondanks het feit dat de wetenschap het weet verschillende soorten elektromagnetische straling: gammastraling, röntgenstraling, ultraviolet, zichtbaar, infrarood, microgolfstraling en radiostraling, dragerfotonen die bij deze processen betrokken zijn, hebben geen eigen variëteiten. Dat wil zeggen dat volgens sommige wetenschappers elk type straling wordt overgedragen door een bepaald universeel type fotonen, dat zich even succesvol manifesteert in de processen van gammastraling, en in de processen van radio-emissie, en in alle andere soorten straling.

Ik kan het niet eens zijn met dit standpunt, omdat natuurlijk fenomeen geven aan dat alle bekende elektromagnetische straling aanzienlijk van elkaar verschilt, niet alleen in parameters (golflengte, frequentie, energiemogelijkheden), maar ook in hun eigenschappen. Gammastraling dringt bijvoorbeeld gemakkelijk door obstakels heen, en zichtbare straling wordt net zo gemakkelijk tegengehouden door deze barrières.

Bijgevolg kunnen fotonen in het ene geval straling door barrières heen transporteren, en in het andere geval dezelfde fotonen zijn al machteloos om iets te overwinnen. Dit feit doet ons afvragen of fotonen werkelijk zo universeel zijn of dat ze hun eigen variëteiten hebben, consistent met de eigenschappen van verschillende electromagnetische straling in het universum.

Volgens mij wel correct, bepaal elk type straling zijn eigen variëteit fotonen. Helaas is deze gradatie nog steeds in opkomst moderne wetenschap niet beschikbaar. Maar dit is niet alleen eenvoudig, maar ook uiterst noodzakelijk om op te lossen. En dit is heel begrijpelijk, omdat straling en de parameters ervan veranderen, en fotonen moderne interpretatie worden weergegeven door slechts één algemeen concept: "foton". Hoewel moet worden toegegeven dat met veranderingen in de stralingsparameters in de referentieliteratuur ook de parameters van fotonen veranderen.

De situatie is vergelijkbaar met de aanvraag algemeen concept"auto" voor al zijn merken. Maar deze merken zijn anders. We kunnen een Lada, Mercedes, Volvo of Toyota kopen. Ze passen allemaal in het concept van ‘auto’, maar ze zijn allemaal verschillend, zowel qua uiterlijk als qua uiterlijk technische specificaties, en tegen kostprijs.

Daarom zou het logisch zijn als we gammastralingsfotonen voorstellen, röntgenfotonen als dragers van gammastraling, ultraviolette straling- fotonen van ultraviolette straling, enz. Al deze soorten fotonen zullen van elkaar verschillen in de lengte van de windingen (golflengte), de rotatiesnelheid (trillingsfrequentie) en de energie die ze transporteren.

Fotonen van gammastraling en röntgenstraling vormen een samengedrukte veer minimale maten en met geconcentreerde energie in dit kleine volume. Daarom vertonen ze de eigenschappen van deeltjes en overwinnen ze gemakkelijk obstakels, terwijl ze zich tussen moleculen en materieatomen bewegen.

Fotonen van ultraviolette straling, zichtbaar licht en fotonen van infraroodstraling zijn dezelfde veer, alleen uitgerekt. De energie in deze fotonen blijft hetzelfde, maar wordt over meer fotonen verdeeld langwerpig lichaam foton. Door de lengte van een foton te vergroten, kan het de eigenschappen van een golf vertonen. Door een toename van de diameter van het foton kan het echter niet tussen de moleculen van de stof doordringen.

Microgolf- en radiofotonen hebben een nog uitgerekte structuur. De lengte van radiogolven kan enkele duizenden kilometers bedragen, maar ze hebben de kleinste energie. Ze dringen gemakkelijk door barrières heen, alsof ze in de substantie van de barrière schroeven, waarbij ze de moleculen en atomen van de substantie omzeilen.

In het heelal worden allerlei soorten fotonen geleidelijk omgezet uit gammastralingsfotonen. Gammastralingfotonen zijn primair. Wanneer ze zich in de ruimte verplaatsen, neemt de snelheid van hun rotatie af en worden ze achtereenvolgens omgezet in fotonen van röntgenstraling, en die op hun beurt in fotonen van ultraviolette straling, die worden omgezet in fotonen van zichtbaar licht, enz.

Daarom worden gammafotonen omgezet in röntgenfotonen. Deze fotonen hebben een langere golflengte en een lagere spinsnelheid. Vervolgens worden röntgenfotonen omgezet in ultraviolette fotonen, die worden omgezet in zichtbaar licht, enzovoort.

Het meest opvallende voorbeeld van deze transformatie in de dynamiek kan worden waargenomen tijdens een nucleaire explosie.

Nucleaire explosie en zones van het schadelijke effect ervan

Bezig nucleaire explosie binnen een paar seconden dringt een stroom gammastralingsfotonen door omgeving op een afstand van ongeveer 3 km. Vervolgens stopt de gammastraling, maar wordt röntgenstraling gedetecteerd. Ik geloof dat in dit geval fotonen van gammastraling worden omgezet in fotonen van röntgenstraling, en vervolgens in fotonen van ultraviolette, zichtbare en infrarode straling. De flux van fotonen veroorzaakt dienovereenkomstig het uiterlijk schadelijke factoren kernexplosie - doordringende straling, lichtstraling en branden.

In “The Depths of the Universe” hebben we de structuur van fotonen en de processen van hun vorming en functioneren in detail onderzocht. Het werd ons duidelijk dat fotonen bestaan ​​uit ringvormige energiefracties van verschillende diameters die met elkaar verbonden zijn.

Fotonen structuur

Breuken worden gevormd uit fundamentele deeltjes - de kleinste etherische vortexstolsels, die etherisch dicht zijn luifel. Deze etherische dichtheden zijn volledig materieel, net zoals de ether en de hele wereld om ons heen materieel zijn. Etherische dichtheden bepalen de massa-indicatoren van etherische vortexstolsels. De massa van de klontjes vormt de massa van de fracties, en zij vormen de massa van het foton. EN het maakt niet uit of hij in beweging is of in rust. Daarom is het foton volledig materiaal en heeft zijn eigen, goed gedefinieerde massa zowel in rust als in beweging.

We hebben tijdens experimenten al directe bevestiging gekregen van ons idee van de structuur van het foton en de samenstelling ervan. Ik hoop dat we in de nabije toekomst alle verkregen resultaten zullen publiceren. Bovendien werden vergelijkbare resultaten verkregen in buitenlandse laboratoria. Er is dus reden om aan te nemen dat we op de goede weg zijn.

We hebben dus een aantal vragen over het foton beantwoord.

Voor ons begrip is een foton geen deeltje of golf, maar een veer verschillende omstandigheden kan worden gecomprimeerd tot de grootte van deeltjes, of kan worden uitgerekt, waardoor de eigenschappen van een golf worden vertoond.

Fotonen hebben hun eigen variëteiten, afhankelijk van het type straling en kunnen gammastralingsfotonen, röntgenfotonen, ultraviolette, zichtbare, infrarood- en microgolffotonen zijn, evenals radiofotonen.

Het foton is materieel en heeft massa. Hij is niet het kleinste deeltje in het heelal, maar bestaat uit etherische vortexstolsels en energiefracties.

Ik begrijp dat dit een enigszins onverwachte en ongebruikelijke interpretatie van het foton is. Ik ga echter niet uit van algemeen aanvaarde regels en postulaten die vele jaren geleden zijn aangenomen zonder verband te houden met de processen van algemene ontwikkeling van de wereld. En uit de logica, die voortkomt uit de wetten van de structuur van de wereld, die de sleutel vormen tot de deur die naar de Waarheid leidt.

Tegelijkertijd werden in 2013 de Nobelprijzen voor de natuurkunde toegekend aan Peter Higgs en Francois Englert, die in 1964 onafhankelijk het bestaan ​​van een ander deeltje in de natuur suggereerden: het neutrale boson. lichte hand Nobelprijswinnaar L. Lederman werd het ‘deeltje van God’ genoemd, dat wil zeggen dat fundamentele principe, de eerste steen waaruit ons hele leven voortkomt. de wereld. In 2012 kondigden twee wederom onafhankelijke wetenschappelijke gemeenschappen, terwijl ze experimenten uitvoerden met botsende protonenbundels met hoge snelheden, vrijwel gelijktijdig de ontdekking aan van een deeltje waarvan de parameters met elkaar samenvielen en overeenkwamen met de waarden voorspeld door P. Higgs en F. Engler.

Zo'n deeltje was een tijdens de experimenten geregistreerd neutraal boson, waarvan de levensduur niet meer dan 1,56 x 10-22 seconden bedroeg, en waarvan de massa meer dan 100 keer de massa van een proton was. Aan dit deeltje werd het vermogen toegeschreven om massa te geven aan al het materiaal dat in deze wereld bestaat - van een atoom tot een cluster van sterrenstelsels. Bovendien werd aangenomen dat dit deeltje een direct bewijs is van de aanwezigheid van een bepaald hypothetisch veld, waardoor alle deeltjes gewicht krijgen. Dit is zo'n magische ontdekking.

De algemene euforie over deze ontdekking duurde echter niet lang. Omdat er vragen ontstonden die niet anders konden dan ontstaan. Als het Higgsdeeltje werkelijk een ‘deeltje van God’ is, waarom is zijn ‘leven’ dan zo vluchtig? Het begrip van God is altijd in verband gebracht met de eeuwigheid. Maar als God eeuwig is, dan moet elk deeltje van Hem ook eeuwig zijn. Het zou logisch en begrijpelijk zijn. Maar het ‘leven’ van een boson dat een fractie van een seconde duurt met tweeëntwintig nullen achter de komma, past niet echt bij de eeuwigheid. Het is moeilijk om het zelfs maar een moment te noemen.

Bovendien, als we het over het ‘deeltje van God’ willen hebben, dan is het noodzakelijk om duidelijk te begrijpen dat het zich in alles om ons heen moet bevinden en een onafhankelijke, langlevende en minimaal mogelijke omvangrijke entiteit moet vertegenwoordigen die alle delen van het universum vormt. bekende deeltjes van onze wereld.

Uit deze goddelijke deeltjes zou onze wereld geleidelijk, stap voor stap, moeten worden opgebouwd. Deeltjes moeten daaruit bestaan, atomen moeten uit deeltjes bestaan, enzovoorts, tot sterren, sterrenstelsels en het heelal. Alle bekende en onbekende velden moeten ook in verband worden gebracht met dit magische deeltje en niet alleen massa overbrengen, maar ook elke andere interactie. Ik denk dat dit logisch is en niet in strijd is met het gezond verstand. Omdat we, aangezien we dit deeltje associëren met het goddelijke principe, een adequaat antwoord op onze verwachtingen moeten hebben.

We hebben echter al gezien dat de massa van het Higgsdeeltje zelfs aanzienlijk groter is dan de massa van het proton. Maar hoe kun je van iets groots iets kleins maken? Hoe pas je een olifant in een muizenhol?! Echt niet.

Dit hele onderwerp is, eerlijk gezegd, niet erg transparant en gerechtvaardigd. Ook al begrijp ik iets misschien niet helemaal door mijn gebrek aan competentie, toch past het Higgsdeeltje naar mijn diepe overtuiging niet echt onder het ‘deeltje van God’.

Een ander ding is het foton. Dit prachtige deeltje heeft het menselijk leven op deze planeet volledig getransformeerd.

Dankzij fotonen van verschillende stralingen zien we de wereld om ons heen, genieten we van zonlicht en warmte, luisteren we naar muziek en kijken we naar televisienieuws, stellen we diagnoses en behandelen we, controleren en defecten metalen, kijken we de ruimte in en dringen we door in de diepten van de materie, communiceren we met elkaar op afstand via de telefoon… Leven zonder fotonen zou ondenkbaar zijn. Ze maken niet alleen deel uit van ons leven. Zij zijn ons leven.

Fotonen zijn dat in wezen wel belangrijkste hulpmiddel communicatie van de mens met de wereld om hem heen. Alleen zij stellen ons in staat om in de wereld om ons heen te duiken en deze, met behulp van zicht, geur, aanraking en smaak, te begrijpen en de schoonheid en diversiteit ervan te bewonderen. Dit alles is te danken aan hen: fotonen.

En verder. Dit is waarschijnlijk het belangrijkste. Alleen fotonen dragen licht! En volgens alle religieuze canons heeft God dit licht voortgebracht. Bovendien is God licht!

Hoe kun je aan de verleiding voorbijgaan zonder het foton een naam te geven? een echt “deeltje van God”! Foton en alleen foton kunnen deze hoogste titel claimen! Foton is licht! Foton is warmte! Photon is de oproer van kleuren van de wereld! Photon is geurige geuren en subtiele smaken! Er is geen leven zonder fotonen! En als het toch gebeurt, wie heeft dan zo'n leven nodig? Zonder licht en warmte, zonder smaak en geur. Niemand.

Daarom, als we erover praten deeltje van God, dan hoeven we er alleen maar over te praten foton- over dit geweldige geschenk dat de Hogere Machten ons hebben gegeven. Maar zelfs dan alleen allegorisch. Omdat God geen deeltjes kan hebben. God is één en heel en kan niet in deeltjes worden verdeeld.