Как движутся фотоны. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение

Фотон является безмассовой частицей и способен существовать только в вакууме. Также он не имеет никаких электрических свойств, то есть его заряд равен нулю. В зависимости от контекста рассмотрения существует различные трактовки описания фотона. Классическая (электродинамика) представляет его как электромагнитную волну, имеющую круговую поляризацию. Также фотон проявляет свойства частицы. Такое двойственное представление о нем называется корпускулярно-волновым дуализмом. С другой стороны, квантовая электродинамика описывает частицу фотона как калибровочный бозон, позволяющий формировать электромагнитное взаимодействие.

Среди всех частиц Вселенной фотон имеет максимальную численность. Спин (собственный механический момент) фотона равен единице. Также фотон может находиться только в двух квантовых состояния, одно из которых имеет проекцию спина на определенное направление, равную -1, а другое – равную +1. Данное квантовое свойство фотона отражается в его классическом представлении как поперечность электромагнитной волны. Масса покоя фотона равна нулю, из чего следует его скорость распространения, равная скорости света.

Частица фотона не имеет электрических свойств (заряда) и достаточно стабильна, то есть фотон не способен самопроизвольно распадаться в вакууме. Данная частица излучается во многих физических процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, а также энергетических скачках ядра атома или самого атома из одного состояния в другое. Также фотон способен поглощаться при обратных процессах.

Корпускулярно-волновой дуализм фотона

Корпускулярно-волновой дуализм, свойственный фотону, проявляется в многочисленных физических экспериментах. Фотонные частицы участвуют в таких волновых процессах, как дифракция и интерференция, когда размеры препятствий (щелей, диафрагм) сравнимы с размером самой частицы. Особенно это ярко заметно в опытах с дифракцией одиночных фотонов на единственной щели. Также точечность и корпускулярность фотона проявляется в процессах поглощения и излучения объектами, размеры которых гораздо меньше длины волны фотона. Но с другой стороны, представление фотона как частицы тоже не является полноценным, ибо оно опровергается корреляционными экспериментами, основанными на запутанных состояниях элементарных частиц. Поэтому принято рассматривать частицу фотона, в том числе, и как волну.

Видео по теме

Источники:

• Фотон 1099: всё о машине

Главное квантовое число - это целое число , которое является определением состояния электрона на энергетическом уровне. Энергетический уровень – это набор стационарных состояний электрона в атоме с близкими значениями энергии. Главное квантовое число определяет удаленность электрона от ядра, и характеризует энергию электронов, которые этот уровень занимают.

Совокупность чисел, которые характеризуют состояние , называются квантовыми числами. Волновую функцию электрона в атоме, его уникальное состояние определяют четыре квантовых числа – главное, магнитное, орбитальное и сплин – момент движения элементарной , выраженный в количественном значении. Главное квантовое число имеет n .Если главное квантовое число увеличивается, то соответственно увеличивается и орбита, и энергия электрона. Чем меньше значение n, тем больше значение энергетического взаимодействия электрона . Если суммарная энергия электронов является минимальной, то состояние атома называется невозбужденным или основным. Состояние атома с высоким значением энергии называется возбужденным. На уровне самое большое число электронов можно определить формулой N = 2n2.Когда случается переход электрона с одного энергетического уровня на другой, изменяется и главное квантовое число .В квантовой теории утверждение, что энергия электрона квантуется, то есть может принимать лишь дискретные, определенные значения. Чтобы знать состояние электрона в атоме необходимо учитывать энергию электрона, форму электронного и других параметров. Из области натуральных чисел, где n может быть равно 1 и 2, и 3 и так далее, главное квантовое число может принимать какое угодно значение. В квантовой теории энергетические уровни обозначают буквами, значение n - числами. Номер периода, где находится элемент, равен числу энергетических уровней в атоме, находящемся в основном состоянии. Все энергетические уровни состоят из подуровней. Подуровень состоит из атомных орбиталей, которые определяются, характеризуются главным квантовым число м n, орбитальным число м l и квантовым число м ml. Число подуровней каждого уровня не превышает значение n.Волновое уравнение Шредингера является самым удобным электронного строения атома.

Квантовая физика стала огромным толчком для развития науки в XX веке. Попытка описать взаимодействие мельчайших частиц совершенно иным образом, с помощью квантовой механики, когда некоторые проблемы классической механики уже казались неразрешимыми, произвела настоящую революцию.

Причины возникновения квантовой физики

Физика – , описывающая законы, по которым функционирует мир. Ньютоновская, или классическая возникла еще в Средние века, а ее предпосылки можно было видеть в древности. Она отлично объясняет все, что происходит на масштабах, воспринимаемых человеком без дополнительных измерительных приборов. Но люди столкнулись с множеством противоречий, когда начали изучать микро- и макромир, исследовать как мельчайшие частицы, из которых состоит вещество, так и гигантские галактики, окружающие родной человеку Млечный путь. Оказалось, что классическая физика подходит не для всего. Именно так появилась квантовая физика – наука, квантово-механические и квантово-полевые системы. Технические приемы для изучения квантовой физики – это квантовая механика и квантовая теория поля. Они также используются и в других, смежных разделах физики.

Основные положения квантовой физики, в сравнении с классической

Тем, кто только знакомится с квантовой физикой, ее положения нередко кажутся нелогичными или даже абсурдными. Однако, вникая в них глубже, проследить логику уже гораздо проще. Проще всего узнавать основные положения квантовой физики, сравнивая ее с классической.

Если в классической считается, что природа неизменна, какими бы способами ученые ее ни описывали, то в квантовой физике результат наблюдений будет очень сильно зависеть от того, каким способом измерения пользоваться.

Согласно законам механики Ньютона, которые являются основой классической физики, частица (или материальная точка) в каждый момент времени имеет определенное положение и скорость. В квантовой механике это не так. В ее основе – принцип суперпозиции расстояний. То есть, если квантовая частица может пребывать в одном и в другом состоянии, то, значит, она может пребывать и в третьем состоянии – сумме двух предыдущих (это называется линейная комбинация). Поэтому нельзя точно определить, где будет находиться частица в определенный момент времени. Можно лишь вычислить вероятность ее пребывания где бы то ни было.

Если в классической физике можно построить траекторию движения физического тела, то в квантовой – только распределение вероятностей, которое будет изменяться во времени. При этом максимум распределения всегда находится там, где его определяет классическая механика! Это очень важно, так как позволяет, во-первых, проследить связь между классической и квантовой механикой, а во-вторых, показывает, что они не противоречат друг другу. Можно сказать, что классическая физика является частным случаям квантовой.

Вероятность в классической физике появляется, когда исследователю неизвестны какие-то свойства объекта. В квантовой физике вероятность фундаментальна и присутствует всегда, независимо от степени незнания.

В классической механике допускаются любые значения энергии и скорости для частицы, а в квантовой – только определенные значения, «квантованные». Их называют собственными значениями, каждому из которых соответствует собственное состояние. Квант – это «порция» какой-либо величины, которую нельзя разделить на составляющие.

Один из фундаментальных принципов квантовой физики – Принцип неопределенности Гейзенберга. Речь в нем идет о том, что никак не получится одновременно выяснить и скорость, и положение частицы. Измерить можно только лишь что-то одно. Причем, чем лучше прибор измерит скорость частицы, тем меньше будет известно о ее положении, и наоборот.

Дело в том, что для того, чтобы частицу измерить, нужно на нее «посмотреть», то есть, отправить в ее сторону частицу света – фотон. Этот фотон, про который исследователю все известно, столкнется с измеряемой частицей и изменит свои и ее свойства. Это примерно то же самое, что измерять скорость движущегося автомобиля, посылая другой автомобиль с известной скоростью ему навстречу, а потом, по изменившейся скорость и траектории второго автомобиля исследовать первый. В квантовой физике исследуются настолько малые объекты, что даже фотоны – частицы света – изменяют их свойства.

Фотон - элементарная частица, квант электромагнитного излучения.энергии кванта (то есть дискретно), где - постоянная Планка. импульс.Если приписать фотону наличие т. н. «релятивистской массы» исходя из соотношения то она составит Массы покоя фотона нет.Фотоэффе́кт - это испускание электронов вещества под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения).формула Эйнштейна для фотоэффекта:

h ν = A вых + E k

где A out - т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), E k -кинетическая энергия вылетающего электрона (в зависимости от скорости может вычисляться как кинетическая энергия релятивистской частицы, так и нет), ν - частота падающего фотона с энергией h ν, h - постоянная Планка.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. 1) Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой. 2) Существует минимальная частота, при которой возможен фотоэффект(красная граница) 3) Ток насыщения зависит от интенсивности света, падающего на образец 4) Фотоэффект – безинерционное явление. Для прекращения фототока надо падать на анод отрицательное напряжение(напряжение запирания). Внутренний фотоэффект – изменение электронной проводимости вещества под действием света. Фотопроводимость свойственна полупроводникам. Электропроводность полупроводников ограничена нехваткой носителей заряда. При поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Оба носителя заряда при приложении к полупроводнику напряжения создают электрический ток.

При возбуждении фотопроводимости в собственном полупроводнике энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны. В полупроводнике с примесями поглощение фотона может сопровождаться переходом из расположенного в запрещённой зоне уровня, что позволяет увеличить длину волны света, который вызывает фотопроводимость. Это обстоятельство важно для детектирования инфракрасного излучения. Условием высокой фотопроводимости является также большой коэффициент поглощения света, который реализуется в прямозонных полупроводниках.

16.Давление света.

Давление света - это давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела. Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом. Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен. Световое давление:. - коэффициент отражения, - объёмная плотность энергии излучения. Классическаятеория

17.Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

Рентге́новскоеизлуче́ние - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовымизлучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −2 до 10 3 Å (от 10 −12 до 10 −7 м). Схематическое изображение рентгеновской трубки. X - рентгеновские лучи, K - катод, А - анод (иногда называемый антикатодом), С - теплоотвод, U h -напряжение накала катода, U a - ускоряющее напряжение, W in - впуск водяного охлаждения, W out - выпуск водяного охлаждения. Когда энергия бомбардирующих анод электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения. Частоты этих линий зависят от природы вещества анода, поэтому их и назвали характеристическими.

Тормозное излучение - электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле. dp/dλ hvне может быть больше, чем энергия eU. иззаконасохраненияэнергии Самым распространенным источником рент­геновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяже­лых металлов, например W или Pt), испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10 –12 -10 –8 м. Волновая природа рентгеновского излучения доказана опытами по его дифракции, рассмотренными в § 182.

Исследование спектрального состава рентгеновского излучения показывает, что его спектр имеет сложную структуру (рис. 306) и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода. Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей  min , называемой границей сплошного спектра, и линейчатого спектра - совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

Исследования показали, что характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов. Детальное исследование свойств этого излучения показало, что оно испускается бомбардирующими анод электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Сплошной рентгеновский спектр поэтому называют тормозным спектром. Этот вывод находится в согласии с классической теорией излучения, так как при торможении движущихся зарядов должно действительно возникать излучение со сплошным спектром.

Из классической теории, однако, не вытекает существование коротковолновой границы сплошного спектра. Из опытов следует, что чем больше кинетическая энергия электронов, вызывающих тормозное рентгеновское излучение, тем меньше  min . Это обстоятельство, а также наличие самой границы объясняются квантовой теорией. Очевидно, что предельная энергия кванта соответствует такому случаю торможения, при котором вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта, т. е.

где U - разность потенциалов, за счет которой электрону сообщается энергия Е max ,  max - частота, соответствующая границе сплошного спектра. Отсюда граничная дли­на волны

В современной трактовке гипотеза квантов утверждает, что энергия E колебаний атома или молекулы может быть равна h ν, 2h ν, 3h ν и т.д., но не существует колебаний с энергией в промежутке между двумя последовательными целыми, кратными . Это означает, что энергия не непрерывна, как полагали на протяжении столетий, а квантуется , т.е. существует лишь в строго определенных дискретных порциях. Наименьшая порция называется квантом энергии . Гипотезу квантов можно сформулировать и как утверждение о том, что на атомно-молекулярном уровне колебания происходят не с любыми амплитудами. Допустимые значения амплитуды связаны с частотой колебания ν .

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта). Согласно теории Эйнштейна, свет с частотой ν не только испускается , как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами) , энергия которых . Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (с ). Квант электромагнитного излучения получил название фотон .

Как мы уже говорили, испускание электронов с поверхности металла под действием падающего на него излучения соответствует представлению о свете как об электромагнитной волне, т.к. электрическое поле электромагнитной волны воздействует на электроны в металле и вырывает некоторые из них. Но Эйнштейн обратил внимание на то, что предсказываемые волновой теорией и фотонной (квантовой корпускулярной) теорией света детали фотоэффекта существенно расходятся.

Итак, мы можем измерить энергию вылетевшего электрона, исходя из волновой и фотонной теории. Чтобы ответить на вопрос, какая теория предпочтительней, рассмотрим некоторые детали фотоэффекта.

Начнем с волновой теории, и предположим, что пластина освещается монохроматическим светом . Световая волна характеризуется параметрами: интенсивностью и частотой (или длиной волны ). Волновая теория предсказывает, что при изменении этих характеристик происходят следующие явления:

· при увеличении интенсивности света число выбитых электронов и их максимальная энергия должны возрастать, т.к. более высокая интенсивность света означает большую амплитуду электрического поля, а более сильное электрическое поле вырывает электроны с большей энергией;

выбитых электронов; кинетическая энергия зависит только от интенсивности падающего света.

Совершенно иное предсказывает фотонная (корпускулярная) теория. Прежде всего, заметим, что в монохроматическом пучке все фотоны имеют одинаковую энергию (равную h ν). Увеличение интенсивности светового пучка означает увеличение числа фотонов в пучке, но не сказывается на их энергии, если частота остается неизменной. Согласно теории Эйнштейна, электрон выбивается с поверхности металла при соударении с ним отдельного фотона. При этом вся энергия фотона передается электрону, а фотон перестает существовать. Т.к. электроны удерживаются в металле силами притяжения, для выбивания электрона с поверхности металла требуется минимальная энергия A (которая называется работой выхода и составляет, для большинства металлов, величину порядка нескольких электронвольт). Если частота ν падающего света мала, то энергии и энергии фотона недостаточно для того, чтобы выбить электрон с поверхности металла. Если же , то электроны вылетают с поверхности металла, причем энергия в таком процессе сохраняется, т.е. энергия фотона (h ν) равна кинетической энергии вылетевшего электрона плюс работе по выбиванию электрона из металла:

Уравнение (2.3.1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

На основе этих соображений, фотонная (корпускулярная) теория света предсказывает следующее.

1. Увеличение интенсивности света означает увеличение числа налетающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов. Но так как энергия фотонов одна и та же, максимальная кинетическая энергия электрона не изменится (подтверждается I закон фотоэффекта ).

2. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов линейно возрастает в соответствии с формулой Эйнштейна (2.3.1). (Подтверждение II закона фотоэффекта ). График этой зависимости представлен на рис. 2.3.

,

Рис. 2.3

3. Если частота ν меньше критической частоты , то выбивание электронов с поверхности не происходит (III закон ).

Итак, мы видим, что предсказания корпускулярной (фотонной) теории сильно отличаются от предсказаний волновой теории, но очень хорошо совпадают с тремя экспериментально установленными законами фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна было подтверждено опытами Милликена, выполненными в 1913–1914 гг. Основное отличие от опыта Столетова в том, что поверхность металла подвергалась очистке в вакууме. Исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и определялась постоянная Планка h .

В 1926 г. российские физики П.И. Лукирский и С.С. Прилежаев для исследования фотоэффекта применили метод вакуумного сферического конденсатора. Анодом служили посеребренные стенки стеклянного сферического баллона, а катодом – шарик (R ≈ 1,5 см) из исследуемого металла, помещенного в центр сферы. Такая форма электродов позволяла увеличить наклон ВАХ и тем самым более точно определить задерживающее напряжение (а следовательно, и h ). Значение постоянной Планка h , полученное из этих опытов, согласуется со значениями, найденными другими методами (по излучению черного тела и по коротковолновой границе сплошного рентгеновского спектра). Все это является доказательством правильности уравнения Эйнштейна, а вместе с тем и его квантовой теории фотоэффекта.

Для объяснения теплового излучения Планк предположил, что свет испускается квантами. Эйнштейн при объяснении фотоэффекта предположил, что свет поглощается квантами. Также Эйнштейн предположил, что свет и распространяется квантами, т.е. порциями. Квант световой энергии получил название фотон . Т.е. опять пришли к понятию корпускула (частица).

Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте, в котором использовался метод совпадения (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Тонкая металлическая фольга Ф помещалась между двумя газоразрядными счетчиками Сч . Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновских лучей (это явление называется рентгеновской флуоресценцией). Вследствие малой интенсивности первичного пучка, количество квантов, испускаемых фольгой, было невелико. При попадании квантов на счетчик механизм срабатывал и на движущейся бумажной ленте делалась отметка. Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, оба счетчика должны были срабатывать одновременно и отметки на ленте приходились бы одна против другой. В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок. Это можно объяснить лишь тем, что в отдельных актах испускания возникают световые частицы, летящие то в одном, то в другом направлении. Так было экспериментально доказано существование особых световых частиц – фотонов.

Фотон обладает энергией . Для видимого света длина волны λ = 0,5 мкм и энергия Е = 2,2 эВ, для рентгеновских лучей λ = мкм и Е = 0,5 эВ.

Фотон обладает инертной массой , которую можно найти из соотношения :

Фотон движется со скоростью света c = 3·10 8 м/с. Подставим это значение скорости в выражение для релятивистской массы:

.

Фотон – частица, не обладающая массой покоя. Она может существовать, только двигаясь со скоростью света c .

Найдем связь энергии с импульсом фотона.

Мы знаем релятивистское выражение для импульса:

И для энергии:

Фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности металла под действием света.

В
1888 г. Г. Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Фотоэффект можно наблюдать в следующих случаях:

1. Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, го заряд пластины не изменится.

2
. Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительный электрод, попадаютна отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны,которые устремляются к сетке, создавая фототок, регистрируемый чувствительным гальванометром.

Законы фотоэффекта

Количественные закономерности фотоэффекта (1888–1889) были установлены А. Г. Столетовым. Он использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами.

П
ервый закон

Исследуя зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них, он установил первый закон фотоэффекта .

Фототок насыщения пропор­ционален световому поток у , падающему на металл : I =ν∙ Φ, гдеν – коэффициент пропорциональ­ности, называемый фоточувствительностью вещества.

Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество .

Второй закон

Изменяя условия освещения на этой же установке, А. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Е
сли к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором напряжении фототок прекратится. Это явление не зависит от величины светового потока.

Используя закон сохранения энергии
, гдеe – заряд;m – масса электрона;v – скорость электрона;U з – запирающее напряжение, устанавливают, что если частоту лучей, которыми облучают электрод, увеличить, тоU з2 >U з1 , поэтомуE к2 >E к1 . Следовательно,ν 2 > ν 1 .

Т
аким образом,кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света .

Третий закон

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. существует наименьшая частота ν min , при которой еще возможен фотоэффект. Приν <ν min ни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.

Четвертый закон

Фотоэффект практически безынерционен (t = 10 −9 с).

Теория фотоэффекта

А.Эйнштейн, развив идею М.Планка (1905), покачал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

Явление фотоэффекта экспериментально доказывает: свет имеет прерывистую структуру .

Излученная порция Е =hν сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.

На основании закона сохранения энергии
.

Так как
,
,
,
.

Фотон и его свойства

Фотон – материальная, электрически нейтральная частица.

Энергия фотона E =hν илиЕ =ħω , так как
, ω = 2πν . Еслиh = 6,63∙10 −34 Дж∙с, тоħ ≈ 1,55∙10 −34 Дж∙с.

Согласно теории относительности E =mc 2 =hν , отсюда
, гдеm – масса фотона, эквивалентная энергии.

Импульс
, так какc =νλ . Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Основные свойства фотона

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется сv =с , либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Эффект Комптона (1923)

А.Комптон подтвердил квантовую теорию света. Взаимодействие между фотоном и связанным в атоме электроном:

1. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах:

ν рас. =ν пад, что опытом не подтверждается.

2. Фотоэффект – полное поглощение фотона.

3
. При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А.Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны (λ ) рассеянного излучения по сравнению с длиной волны (λ ) падающего излучения. Чем больше φ , тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты ν (увеличение λ ). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А.Комптона можно объяснить: фотон частотой ν обладает энергией E = h ν , массой
и импульсом
.

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон-электрон: h ν +m 0 c 2 = h ν" +mc 2 ,
,где m 0 c 2 – энергия неподвижною электрона; h ν – энергия фотона до столкновения; h ν" – энергия фотона после cтолкновенияс фотоном;
и
– импульсы фотона до и после столкновения;m v – импульсы электрона посте столкновения с фотоном.

Решение уравнений для энергии и импульса дает формулу для изменения длины волны при рассеянии фотона на элек гронах:
, где– комптоновская длина волны.

В.В.Мантуров

О РАЗМЕРЕ ФОТОНОВ

Показано, что говорить о размере фотона резонно только тогда, когда фотон представляют тороидальным (бубликом). О том, как определить размер бублика, дискуссий не наблюдалось. Оказалось, однако (неожиданным для автора с сентября-октября 2012г), что фотоны, возникающие при сходе волн де Бройля, например, со свободного электрона - их родителя и носителя, по энергоемкости на два-три порядка выше тех фотонов, которые высвечиваются в спектрах в результате излучении электроном возбужденного атома (в частности) водорода. Похоже, так было задумано?

Ответ на вопрос, каков размер фотона, и прост и не очень. Начнем с того, что для волн радиочастотного диапазона речь о размере фотона бессодержательна.

Во-первых, фотон как электромагнитная по природе волна и такой же природы радиоволна отличаются друг от друга не только длинами и, соответственно, частотами и обретенными ими энергиями, но также и структурой, обусловленной физическим механизмом возникновения ,.

В самом деле, излучения радиоволнового диапазона возникают при разрядах тока между двумя электродами разрядника (линейные молнии относятся к безэлектродным). И распространяются радиально в стороны от оси вибратора Герца, разрядника или осциллятора. Всё множество плоскостей поляризации таких радиоволн определяется направлением оси разрядника, «память» о которой они сохраняют.

Во-вторых, распространяясь в пространстве, они, радиоволны, приобретают как бы сферическую форму. Хотя на самом деле они «рождаются» также бубликами. (Всё это похоже на то, как изменяется форма воздушного шарика от первоначальной, исходной, когда его надувают или накачивают.) В отличие от воздушного шарика, размер радиоволновых бубликов, трансформирующихся в почти сферу, растет со скоростью света, причем безгранично. Поэтому их «теоретически» представляют плоскими монохроматическими.

Что касается фотонов не более сантиметровых длин волн, то они, и, прежде всего, и навсегда – бублики, тороиды постоянного размера. Так как в размере фотона заложена длина его электромагнитной волны, следовательно, и частоты. И так как фотон – это волна де Бройля, покинутая электроном (заряженной частицей) или покинувшая его ,. А волна де Бройля (ВДБ) возникает, рождается с началом движения заряженной частицы. Она, ВДБ, формируется в виде тороида (бублика), в дырке которого находится заряженная частица, электрон - ее родитель и носитель. ВДБ «сидит» на электроне, сопровождая его в движении. И лишь когда ВДБ и ее родитель и носитель покидают друг друга, то их продолжением становится фотон, который наследует направление движения и электрона и ВДБ. Таким образом, мы видим, что в отличие от радиоволн, в возникновении и ВДБ и фотона никакой, ни простой, ни самый гениально придуманный осциллятор абсолютно никакого участия не принимает. Природа поступила просто, прагматично и рационально: она не стала снабжать осциллятором каждый фотон. Она ограничилась тем, что каждая ВДБ и каждый фотон самодостаточны: обладают однозначной длиной волны . Отсюда и однозначный размер фотона. Поэтому их не надо снабжать осцилляторами. Ведь это только человеку потребовалось знать еще и частоту фотона. Так пусть он ее и вычисляет, поскольку длина и частота волны связаны однозначно через скорость света. Таким образом, второе и существенное отличие ВДБ и фотонов от родственных им по природе радиоволн состоит в том, что фотоны и ВДБ в осцилляторах не нуждаются .

Так думалось до последнего времени и думалось правильно, но не во всех случаях, как оказалось, этим Природа и ограничилась (см. ниже).

В-третьих. Фотоны и ВДБ не только не распространяются радиально, но сохраняют свой размер в течение всего времени преодоления вселенских расстояний. Это обусловлено тем, что в их «устройстве» Природой заложен стягивающий механизм, эффект «обруча». Этот эффект не был известен физикам, как и то, что основой этого стягивающего эффекта является своего рода «стержень» (четвертое отличие) в виде кванта магнитного потока. Магнитное поле в нем исчисляется тысячами Тесла (напомним: П.Л.Капице удалось с помощью взрыва достичь около 50 Тесла).

Именно этими особенностями (есть и другие) фотон и похож на корпускулу, как бы на частицу. Выходит, что такое образование электромагнитной волны в виде бублика с таким квантом магнитного потока – это ни что иное, как частица. И все-таки это не частица, а волна в виде тороидального солитона, в основе которого всегда содержится один квант магнитного потока, заключенный (стянутый) множеством поверхностных циркуляций векторного потенциала. Поэтому и магнитное, и электрическое поле и ВДБ, и фотона всегда перпендикулярны друг другу что подтверждает электродинамику Максвелла. Более полно различия между ВДБ и фотонами, с одной стороны, и волнами радиодиапазона, с другой стороны, показаны в ,.

Все солитоны в большей или меньшей (цунами) степени похожи на корпускулы. Среда, из которой они изваяны, не истекает из их объема, а сохраняется. Это еще одно отличие. Посмотрите на кольца дыма, выдыхаемых искусным курильщиком, или исторгаемых из ящика Вуда, или из жерла вулкана Этна.

Отступление . И может быть, только в «теле» цунами, распространяющемся радиально от места возникновения , масса (объем) обретенной воды, хотя теоретически и сохраняется, но зато вследствие изменения размера (2πR, где R – расстояние от источника образования цунами) уменьшается, худеет толщина «бублика». Цунами в декабре 2004 года был рожден длинным (больше 100 км) линейным разломом и потому обрушил свою, не успевшую «похудеть» толщину линейной части «бублика», а, следовательно, и всю почти первоначальную разрушительную мощь на густо населенные берега Индонезии. Оно, цунами, и двигалось в виде почти прямого отрезка «бублика», и не теряло своей энергии, распространяясь на километры вглубь берега, суши, и наносило разрушающие удары, как жесткий и упругий резиновый вал, сохраняющий в значительной степени в силу линейности диаметр-толщину бублика.

Фотон движется или распространяется плашмя (перпендикулярно) к вектору своей скорости, т.е. вдоль оси тороида. А радиоволны, напомним, - радиально от оси разрядника. Фотон – квант энергии и квант магнитного потока, стянутого множеством циркуляций векторного потенциала к виду тороида-бублика, - это корпускулярный соленоид с четко сформированной геометрией, а, следовательно, и размером. Сразу же заявим, размер тороидального фотона представляет собою сумму двух поперечных толщин тела бублика плюс диаметр дырки , оставшейся от электрона. ВДБ не может быть без дырки и электрона в ней, так как сначала был электрон (заряженная частица). Который (заряд) начал двигаться или уже двигался.

A = (mc/e) v (1)

и ранее де Бройлем полученной длины волны его имени,

λ = (h/mv), (2)

имеем (ниже формулы пишутся без символов векторов)

λA = (hc/e) (3)

λ = (hc/eA), (4)

но в , установлено из (1) и соотношение mcv = eA = E = hν

λ = hc/(hν), (6)

где (hν) –квант энергии фотона. Раскрывать скобки в (6) не следует: здесь заложен необходимый для вычислений критерий - квант энергии фотона или ВДБ. Ведь речь идет о том, каков размер фотона, энергия которого задана (hν). Осталось чистая арифметика. Размер Z фотона и ВДБ равен

Z = 4(λ/2π) + диаметр дырки (6Z)

Приведем несколько примеров.

Пример № 1. Какова длина волны де Бройля и фотона гамма-кванта величиной 511000 эВ? Такие два гамма-кванта излучаются при так называемой аннигиляции электрона и позитрона. На самом деле происходит самая настоящая рекомбинация двух разноименных зарядов-ионов причем с сохранением самих материальных частиц, как и в рекомбинациях атомарных и молекулярных ионов. От того, что они в единственном числе и по размеру и по массе на пять и более порядков меньше, они не лишаются ионного статуса. Он не утрачивается, он сохраняется.

Теперь воспользуемся полученной нами формулой (6). Но чтобы не мучиться с числовыми вычислениями, учтем, что по Эйнштейну вся масса электрона (позитрона) при аннигиляции якобы «превращается» в энергию, в заданный нами гамма-квант 0,511 МэВ, т.е. 0,511 МэВ = m e c 2 . Подставим в знаменатель (6) именно правую часть (m e c 2) этого числового значения. Получим комптоновскую длину волны электрона

λ e = h/m е c = 2,426 310 58* 10 -10 см (7)

Но это ведь и есть волна де БРОЙЛЯ, а, значит, и фотона. А заодно и их размер (6Z).

Мы пришли к противоречию. В самом деле, известно ,, ведь, что при т.н. аннигиляции электрон и позитрон сталкиваются и образуют диполь-гантельку (е+е-), размер которой известен в виде удвоенного классического радиуса электрона

R e = e 2 /mc 2 (8)

И это - наименьшее расстояние, до которого сближаются при столкновении (рекомбинации) и остаются в этом прижатом состоянии электрон и позитрон ,,. Они как бы прильнули друг к другу.

R e = α 2 a o = 2,817 940 92 *10 -13 см, (9)

где а 0 =0,529 177 249*10 -8 см – Боровский радиус, это радиус ближайшей к ядру орбиты.

Сравнение (7) и (9) показывает, что они различаются на три порядка. А ведь в обоих случаях речь идет о рекомбинации электрона и позитрона.

В чем дело? Дело в том, что электрон и позитрон при столкновении (аннигиляции) не превращаются в энергию в виде двух гамма-квантов по 0,511 МэВ, которые при этом действительно излучаются, а образуют дипольку в виде гантельки (е+е-) с зарядами, разъединенными расстоянием (8) и (9). И она «ныряет» в море Дирака и становится одним из узлов бесконечной решетки «темной материи»,. Для того чтобы массы электрона и позитрона не превращались в энергию, у этой пары (в «бесконечном» удалении друг от друга) достаточно (точно столько, сколько нужно) кулоновской энергии, о чем и свидетельствует (8).

А в (7) приведена длина волн де Бройля и фотонов, превратившихся в гамма-кванты по 0,511МэВ. Таким образом, (9) – это размер частиц, электрона и позитрона, и дырки, которую они образуют в ВДБ и оставляют, покидая её, а (7) – длина их волн де Бройля и, соответственно, фотонов.

Интересно, а какова скорость электрона в момент столкновения с позитроном, т.е. в момент их, так называемой аннигиляции? Как известно, импульс фотона, гамма-кванта определяется по формуле

M e v = E/c (*)

Энергия нам известна: Е = 0,511 МэВ = m e c 2 Подставим в (*) и получим v = c. Подчеркнем: V = C. Электрон достиг скорости света, и его масса никак не возросла. И это подтверждается излучениями именно таких (точно 0,511 МэВ) по величине гамма-квантов многими вселенскими светилами в галактиках. Без отклонений.

Пример № 2. Известно ведь, что заряд протона таков же, как и позитрона. Возникает мысль, что комптоновская длина электрона (а это размер ВДБ) как бы соответствует такому энергетическому уровню орбитального электрона, как если бы он, падая на ядро водорода, обрел орбиту радиуса (7). Поставим ей в соответствие n = 0.

Сейчас принято считать, что главное квантовое число представляет собою последовательность целых чисел n = 1,2.3,4,5,. Мы, следовательно, и не подразумевали, что теоретически существует и n = 0. И это очень важно!!! Для сторонников идеи о гидрино.

Но электрон в атоме водорода не падает на ядро, на протон, не происходит захват электрона ядром. Почему? Да потому что Природа не могла позволить атомам водорода «аннигилировать» так же, как в выше рассмотренном случае. Атомы водорода, точнее, их ядра-протоны – строительный материал, кирпичики, из которых Природа соорудила и сооружает всё более и более сложные элементы периодической системы Менделеева. Протоны не имеют права превращаться в (p + e-) = n. Иначе не помогли бы ни Большой взрыв, ни бозоны Хиггса и ничто другое. Вселенная не возникла бы. Вселенная существует вследствие невозможности такого исхода. Предполагается, что, видимо, по этой же причине специалисты по спектропии так и не обнаружили в спектре водорода линий в диапазоне от n =1 до введенной нами n = 0. Гидрино не возникает.

Темная материя , выполняет свои электродинамические функции и не только. И очень возможно, что темная материя служит тоже своего рода строительным материалом для нуклонов и ядер. Из водорода с гелием состоят чуть ли не все сто процентов Вселенной. И все кружится в вихрях, горит звездными ядерными котлами, взрывается, черными дырами поглощается и вновь возрождается. И даже жизнь неведомо как возникает, эволюционирует, распространяется, достигает высоких интеллектуальных взлетов и вершин и тем самым поддерживается. Благодаря тому, похоже, что оптический диапазон света (и сказал БОГ: ДА БУДЕТ СВЕТ!!!) ограничен Ридбергоскими 13.6 эВ.

Пример №3. Определим величину кванта энергии волны де Бройля электрона на основной стационарной орбите атома водорода, т.е. при n = 1. Для этого воспользуемся формулами (4) или (5). Пусть будет (5)

Без найденной нами , формулы (1) не обойтись. Заменим в (1) v на v = c/137 = αс

hν = mc 2 /137 = αmc 2 (10)

А так как числитель справа в (10) соответствует кванту энергии 511 000 эВ, то получим

hν = (511000 /137)эВ (10а)

Это будет (по логарифмической линейке) примерно 3730эВ. А так как ,

A = (emc/ ћn), (11)

То при n = 2 уровень энергии электрона и его ВДБ понизится до примерно 1865эВ. Но тогда получается абсурд, полный абсурд!!!??? И повторимся. В спектре излучений атома водорода нет таких энергий. Весь спектральный диапазон атома водорода, т.е. вся энергия его ионизации составляет

R∞ = 13,605 6981 эВ. (12)

В чем дело? А давайте сравним это в частотах.

Выразим частоты (что равносильно их квантам энергии) фотонов и волн де Бройля, возникающих при сходе (покидании) ВДБ с электрона как свободно двигавшегося, так и орбитального при n = 1. Обозначим их так: ν λ .

ν λ = (с/λ) = (mce 2 /hћ) = c/2πr (13)

Легко усмотреть, что частота равна числу оборотов электрона в секунду.

Представим таким же путем и Ридберговские частоты ν∞

ν ∞ = cR = c(me 2 /4πћ 3 c) = e 2 /4πћr (14)

Отношение (13) к (14) показывает нам, что в их основах заложены принципиально различные по величине энергетические арсеналы

(ν λ / ν ∞) = 2.137 = 2/α (15)

А теперь разделим (10а) на (15) и получим энергию ионизации атома водорода 13,6 эВ.

В голове это не укладывается.

И все-таки, первый вывод таков: частоты и фотонов и ВДБ, обусловленных сходом ВДБ со свободного и находившегося в основном состоянии электрона, ее родителя и носителя (ВДБ, покинутая электроном или покинувшая его), в принципе базируются на энергетическом арсенале, который в 2.137 = 2/α раз превышает энергетику фотонов спектрального диапазона атомов водорода.

Примечание . Заглянув в Интернет на страницу «Что такое фотон?» (именно оттуда и узнал, что физиков волнует вопрос, каков размер фотона), как-то наткнулся и на статью Ф.М.Конарева «Заблуждения Нильса Бора» .

Ф.Конарев, как оказалось, столкнулся с этой несуразицей еще в 1993 году. Но не стал копать глубже, и поэтому не сумел, по-видимому, определить величину энергетической связи электрона, находящегося на нижней орбите (n = 1): «Энергия связи Е 1 электрона (c ядром - ВМ, см. ниже) в момент пребывания его на первом энергетическом уровне этого атома равна энергии ионизации Е J атома водорода, то есть Е 1 =Еj = 13,60 еV. Когда электрон поглощает фотон энергией 10,20 еV и переходит на второй энергетический уровень, энергия связи его с ядром уменьшается и становится равной 3,40 eV. Естественно, что при поглощении фотона электроном их энергии складываются, и мы обязаны записать…: 13,60 + 10,20 = 23,80 (28)».

А спектр дает 3,40 eV. Как видим, не смог он, Конарев, справиться с алогичными балансами энергий при воздействии внешнего фотона на электрон основного энергетического уровня, и пришел в «ярость».

Опустим еще ряд его теоретических выкладок и услышим гневное:

«Удивительный факт. Почти сто лет мы полагали, что электрон в атоме вращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Но закон формул спектра атома водорода …(которые он вывел, а мы их опустили, так как не согласны с исходными аспектами - ВМ) отрицает орбитальное движение электрона. Нет в этом законе энергии, соответствующей орбитальному движению электрона, а значит, и нет у него такого движения».

Поэтому Ф.Канарев и решил, что Нильс Бор заблуждался и тем самым причинил науке и человечеству ущерб. Что ж, видимо, за эти два десятилетия (с 1992г) многие читали его претензии к основателям и определенных достижений науки и мировоззрения. И также удивлялись. И автор этих строк тоже, грешным делом, попал в эту ловушку. Пока иначе ее не назовешь.

В самом деле, действуя на атом основного состояния фотоном, мы действительно полагали, что энергия этого фотона добавляется к энергии электрона, находящегося в первом, основном, состоянии. А оказалось, что это не так . Объяснить это можно: на этот энергетический уровень электрон попал не благодаря энергетическим манипуляциям в зоне спектров, не только благодаря спектральным излучениям ранее возбужденного атома водорода. Он попадает туда примерно таким же путем, как попадают планеты в логово Солнца, звезд. Допустим, планета сначала была независимой со своей кинетической энергией, а когда попала в сферу гравитации Солнца, то оказывалось, что ее, планеты, кинетической энергии недостаточно, чтобы преодолеть захватническую силу светила. И была захвачена, возможно, с некоторым избытком энергии. Так и в данном рассматриваемом случае с атомом водорода. Избыток кинетической энергии есть, но он на два порядка ниже критического.

Но как бы там не было, но аналогия здесь присутствует: атом водорода образуется из независимых друг от друга , протона-ядра и электрона с сопровождающей и сидящей на нем волной де Бройля. Причем это пара, электрон и его ВДБ, уже обладали кинетической энергией, равной

α.0,511 МэВ = ~3730 эВ

Это энергетическое состояние (уровень) электрона на орбите n = 1 недаром называют основным. Он, основной, служит почти непреодолимой границей, разделяющей зоны с уровнями n = 0,1 от зоны с уровнями n = 2,3,4,… В этих зонах принципиально различны законы формирования и существования ВДБ и фотонов. Вне спектральной зоны атома водорода кинетическая энергия электрона подчиняется закону (11), умноженному на е.

EA = (hν) = mc(e 2 / ћn) = mcv, (16)

т.е. уменьшаются обратно пропорционально главному квантовому числу, а в спектральной зоне (n = 2,3,4,…) - по закону Ридберга, т.е. (1/n 2).

Выше было показано, насколько различны арсеналы энергии, на основе которых в них происходят физические процессы образования ВДБ и фотонов (в первой зоне) и образования спектров (во второй зоне). Природа как бы отделила арсенал энергетики, предназначенный для возникновения жизни и её процветания, от арсенала энергетики неживой её части.

Если ВДБ и фотоны в основной (назовем её так для краткости) зоне формируются в виде тороида (бублика) еще до захвата свободного электрона протоном, то о форме ВДБ и фотонов в спектральной зоне - нет оснований ни настаивать на этой аналогии, ни отрицать её. Ведь получается, что по энергиям они в 2.137 раз (15) меньше, но это значит также, что их размеры по формуле (2) де Бройля и нашей (6) во столько раз обширнее. Это значит, что мы достоверно не знаем, каковы формы фотонов спектрального диапазона. Не знаем и, как в атоме происходит деление энергии и первоначального кванта магнитного потока. Физический механизм этих метаморфоз нам не известен.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. АЛЕНИЦИН А.Г., БУТИКОВ Е.И., КОНДРАТЬЕВ А.С. Краткий физико-математический СПРАВОЧНИК, М, «Наука», 1990;

2. Мантуров В.В. От кристаллических нуклонов и ядер к разгадке распределения простых чисел М, 2007;

3. Мантуров В.В. Ядерные силы. Предложение разгадки, Техника молодежи, 02, 2006;

4. Мантуров В.В. О векторном потенциале замолвим слово ;