Welke formule bepaalt de massa van een foton. Fotonentheorie van licht

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, etc., 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). Quantum electromagnetische straling kreeg de naam 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 fotonentheorie. 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 in 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 werden geconfronteerd met veel tegenstrijdigheden toen ze de micro- en macrowereld begonnen te bestuderen, om te onderzoeken hoe kleine deeltjes, waaruit de materie bestaat, en de gigantische sterrenstelsels die onze geboorteland Melkweg omringen. 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 wie er nog maar net kennis mee maakt 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 in de klassieke natuurkunde wordt aangenomen dat de natuur onveranderlijk is, hoe wetenschappers het ook beschrijven, dan zal in de kwantumfysica het resultaat van waarnemingen 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.

Foton is een elementair deeltje, een kwantum van elektromagnetische straling.

Fotonenenergie: ε = hv, waarbij h = 6,626 · 10 -34 J s – constante van Planck.

Fotonmassa: m = h·v/c 2 . Deze formule wordt verkregen uit de formules

ε = hv en ε = m·c 2. De massa, gedefinieerd door de formule m = h·v/c 2, is de massa van het bewegende foton. Het foton heeft geen rustmassa (m 0 = 0), omdat het in rusttoestand niet kan bestaan.

Fotonenmomentum: Alle fotonen bewegen met een snelheid c = 3,10 8 m/s. Uiteraard is het fotonmomentum P = m c, wat dat betekent

P = h·v/c = h/λ.

4. Extern foto-elektrisch effect. Stroom-spanningskarakteristieken van het foto-elektrisch effect. Stoletovs wetten. Einsteins vergelijking

Het externe foto-elektrische effect is het fenomeen van de emissie van elektronen door een stof onder invloed van licht.

De afhankelijkheid van de stroom van de spanning in het circuit wordt de stroom-spanningskarakteristiek van de fotocel genoemd.

1) Het aantal foto-elektronen N’ e dat per tijdseenheid door de kathode wordt uitgestoten, is evenredig met de intensiteit van het licht dat op de kathode valt (de wet van Stoletov). Of anders gezegd: de verzadigingsstroom is evenredig met het vermogen van de straling die op de kathode valt: Ń f = P/ε f.

2) De maximale snelheid Vmax die een elektron heeft bij de uitgang van de kathode hangt alleen af ​​van de frequentie van het licht ν en niet van de intensiteit ervan.

3) Voor elke stof is er een grensfrequentie van licht ν 0, waaronder het foto-elektrisch effect niet wordt waargenomen: v 0 = A uit /h. De vergelijking van Einstein: ε = A uit + mv 2 max /2, waarbij ε = hv de energie is van het geabsorbeerde foton, A uit de werkfunctie is van het elektron dat de substantie verlaat, mv 2 max /2 de maximale kinetische energie is van het uitgezonden elektron.

De vergelijking van Einstein is in feite een van de manieren waarop de wet van behoud van energie wordt geschreven. De stroom in de fotocel stopt als alle uitgezonden foto-elektronen worden afgeremd voordat ze de anode bereiken. Om dit te doen, is het noodzakelijk om een ​​tegengestelde (houd)spanning u aan te leggen op de fotocel, waarvan de waarde ook wordt gevonden uit de wet van behoud van energie:

|e|u з = mv 2 max /2.

5. Lichte druk

Lichtdruk is de druk die wordt uitgeoefend door licht dat op het oppervlak van een lichaam valt.

Als we licht beschouwen als een stroom fotonen, dan moeten deeltjes, volgens de principes van de klassieke mechanica, bij botsing met een lichaam momentum overbrengen, met andere woorden, druk uitoefenen. Deze druk wordt soms stralingsdruk genoemd. Om de lichtdruk te berekenen, kunt u de volgende formule gebruiken:

P = W/c (1+ P), waarbij W de hoeveelheid stralingsenergie is die normaal in 1 s op 1 m2 oppervlak valt; c is de snelheid van het licht, P- reflectiecoëfficiënt.

Als het licht onder een hoek met de normaal valt, kan de druk worden uitgedrukt met de formule:

6. Compton-effect en de verklaring ervan

Het Compton-effect (Compton-effect) is het fenomeen waarbij de golflengte van elektromagnetische straling verandert als gevolg van de verstrooiing door elektronen.

Voor verstrooiing door een stationair elektron is de frequentie van het verstrooide foton:

waar is de verstrooiingshoek (de hoek tussen de richtingen van fotonvoortplanting vóór en na verstrooiing).

Compton-golflengte is een lengtedimensieparameter die kenmerkend is voor relativistische kwantumprocessen.

λ С = h/m 0 e c = 2,4∙10 -12 m – Comptongolflengte van het elektron.

Het Compton-effect kan niet worden verklaard binnen het raamwerk van de klassieke elektrodynamica. Vanuit het oogpunt van de klassieke natuurkunde is een elektromagnetische golf een continu object en zou, als resultaat van verstrooiing door vrije elektronen, zijn golflengte niet moeten veranderen. Het Compton-effect is een direct bewijs van de kwantisering van een elektromagnetische golf; met andere woorden: het bevestigt het bestaan ​​van een foton. Het Compton-effect is een ander bewijs van de geldigheid van de golf-deeltjesdualiteit van microdeeltjes.

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.

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.