Фотоны. Формула Планка. Энергия и импульс фотонов

Фотоны. Формула Планка. Энергия и импульс фотонов

Фотон — это частица света, квант электромагнитной или световой энергии в виде поперечных электромагнитных волн и переносчик электромагнитного взаимодействия.

Термин и слово «фотон» введен химиком Гилбертом Льюисом в 1926 году. В 1905–1917 годах физиком Альбертом Эйнштейном опубликованы работы, посвященные противоречиям между классической волновой концепцией света и результатами экспериментов, в частности относительно способности вещества и фотоэффекта находиться в тепловом равновесии с электромагнитным излучением.

Исходя из положения о законе излучения абсолютно черного тела, в 1909 и 1916 годах Эйнштейн показал, что квант энергии также обладает импульсом. Импульс фотона был обнаружен экспериментально Артуром Комптоном, за это он получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году.

Со временем фотоны начали иметь техническое применение. Так, например, важным техническим устройством, где используются фотоны, является лазер. Лазеры, с большой мощностью, нашли применение в резке, в сварке и в плавлении металлов. В металлургии с их помощью можно делать сверхчистые металлы.

Физические свойства фотона:

·                     не имеет массу, это безмассовая нейтральная частица;

·                     движется со скоростью света, в вакууме его скорость равна 299 792 458 м\с;

·                     существует только в движении. Частица может либо двигаться со скоростью света, либо она не существует. Следствие этого: масса покоя частицы равна нулю;

·                     переносит энергию и импульс;

·                     может поглощаться и генерироваться;

·                     взаимодействует с другими частицами — фотоны могут из атома выбивать электроны, сообщая им энергию для выхода при столкновении;

·                     владеет собственным моментом импульса, называемым спином;

·                     вес фотона не может преSвышать 10-18 электрон-вольт;

Энергия и импульс фотона

Энергия фотона — это количество переносимой фотоном энергии.

Формула энергии фотона (соотношение Планка–Эйнштейна):

Фотоны в веществе

Свет, в зависимости от среды, распространяется с разной скоростью. Так, например, в прозрачной среде, свет распространяется со скоростью меньше, чем скорость света в вакууме. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

Замедление фотона может быть обусловлено тем, что под действием напряженности электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны с определенным временем начинают запаздывать, излучая вторичные волны той же частоты, что и у падающего света.

Примечание

Фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света, даже в веществе, но при этом испытывающие смещение фазы, т.е. запаздывание или опережение из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их импульс и длину волны, но не скорость. С этой точки зрения фотоны могут считаться «голыми», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза меняется. С такой точки зрения, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществами и перемещаются без рассеяния и смещения фазы.

Также, в зависимости от часты, свет распространяется в веществе с разной скоростью. В оптике это явление имеет название дисперсия.

Фотоны также могут быть поглощены ядрами, молекулами или атомами, спровоцировав переход между их энергетическими состояниями.

Решение задач, связанных с расчетом энергии и импульса фотонов

Задача 1. Определите энергию, массу и импульс фотона, если соответствующая ему длина волны равна 1,6∙10⁻¹² м.

Задача 2. Электрон, пройдя разность потенциалов 4,9 В, сталкивается с атомом ртути и переводит его в первое возбужденное состояние. Какую длину волны имеет фотон, соответствующий переходу атома ртути в нормальное состояние?

Задача 3. Работа выхода электрона из металла 4,5 эВ. Энергия падающего фотона 4,9 эВ. Если свет падает на пластинку нормально, а электрон вылетает перпендикулярно пластинке, то чему равно изменение модуля импульса металлической пластинки при вылете из нее одного электрона?