Bendra fotonų energija. Fotonų ramybės masė

Mažiau nei atomas

Fotonas yra subbranduolinis mikroobjektas, kurio negalima padalyti į sudedamąsias dalis. Jis neturi savo masės ir yra elektriškai neutralus. Tai mažiausia, nedaloma elektromagnetinės spinduliuotės dalelė. Fotonas

juda šviesos greičiu ir egzistuoja tik judant. Jo sustabdyti neįmanoma. Jo ramybės masė lygi nuliui, todėl ji arba juda šviesos greičiu, arba išvis neegzistuoja. Jis negali būti nejudantis. Kai kurių mokslininkų nuomone, fotonas yra ne dalelė, o elektromagnetinė banga. Tačiau ši nuomonė yra prieštaringa.

Apie šviesos prigimtį

Pirmasis mokslininkas, kuris sugalvojo, kad šviesa susideda iš mažyčių nematomų dalelių, buvo arabų pareigūnas Abu al-Haytham. Šią mintį jis išsakė 1021 m. savo „Optikos knygoje“. Po šimtų metų, 1873 m., britų mokslininkas Maxwellas padarė revoliuciją šioje srityje. Jis padarė išvadą, kad šviesa yra elektromagnetinės bangos. Tiesa, tuo metu jo teorija kai kuriais aspektais

nebuvo tiesa. Toliau, tyrinėdamas įvairius elektromagnetinius reiškinius, jis priėjo prie kitos logiškos išvados. Svarbiausias jo atradimas buvo tai, kad šviesa neišvengiamai daro spaudimą kliūtims. Šis reiškinys pagrįstas tuo, kad judantys fotonai perkelia savo impulsą molekulėms ar atomams, su kuriais susiduria pakeliui. Šį Maksvelo teiginį patvirtino N. P. Lebedevas. Fotono impulsas yra lygus Planko konstantos ir šviesos bangos ilgio santykiui. Tai galima išreikšti formule p=h/λ.

Naudojant... fotonus

Galbūt po kurio laiko žmonija visiškai pereis prie naujo tipo energijos šaltinio, kuris bus daug pigesnis ir efektyvesnis nei dujos, nafta ar anglis. Pakanka pasakyti, kad jis jau randamas beveik visur. Be kita ko, šis energijos šaltinis negali būti monopolizuotas, o tai suteiks daug pranašumų prieš dujų, elektros ir kt. naudojimą. Kas tai? Tai fotonų energija. Jis jau naudojamas naudojant saulės energiją

baterijos. Fotonų energija yra Planko konstantos ir spinduliavimo dažnio sandauga. Tai galima išreikšti formule: e=hv. Raidė v šiuo atveju žymi fotono dažnį. Saulės spinduliuotės tankis žemės lygyje yra apie tūkstantį vatų kvadratiniame metre. Šis galingas ir nenutrūkstamas fotonų srautas, ateinantis iš arčiausiai mūsų planetos esančios žvaigždės, gali būti paverstas elektros energija. Kaip? Įsivaizduokite plokščią kvadratą su nuožulniais kampais, pagamintą iš silicio, kurio skersmuo paprastai yra 12,5 cm. Tai fotoelektrinis keitiklis. Jis gali būti monokristalinis arba daugiakristalinis. Iš tokių dalių gaminamos saulės baterijos. Jie fotonų energiją paverčia elektra. Keitiklio efektyvumas gali svyruoti nuo 5 iki 17 procentų, priklausomai nuo jo tipo ir struktūros. Nepaisant to, saulės šviesa (skaitykite fotonų energiją) yra perspektyvus nemokamos elektros energijos šaltinis. Specialios plokštės, kurios ją perdirba, montuojamos daugelyje Europos namų. Galima pateikti įspūdingesnį pavyzdį – mūsų laikais atsirado automobilių, kurių akumuliatoriai kraunami nuo saulės šviesos.

Šviesa ir šiluma, skonis ir kvapas, spalva ir informacija – visa tai neatsiejamai susiję su fotonais. Be to, augalų, gyvūnų ir žmonių gyvybė neįmanoma be šios nuostabios dalelės.

Manoma, kad kiekvienam protonui ar neutronui Visatoje tenka apie 20 milijardų fotonų. Tai fantastiškai didžiulis skaičius.

Tačiau ką mes žinome apie šią dažniausiai mus supančio pasaulio dalelę?

Kai kurie mokslininkai mano, kad fotono greitis lygus šviesos greičiui vakuume, t.y. maždaug 300 000 km/sek ir tai yra didžiausias galimas greitis Visatoje.

Kiti mokslininkai mano, kad Visatoje yra daugybė pavyzdžių, kai dalelių greitis yra didesnis už šviesos greitį.

Kai kurie mokslininkai mano, kad fotonas yra elektriškai neutralus.

Kiti mano, kad fotonas turi elektros krūvį (kai kurių šaltinių duomenimis, mažesnis nei 10 -22 eV/sek 2).

Kai kurie mokslininkai mano, kad fotonas yra bemasė dalelė ir, jų nuomone, ramybės būsenos fotono masė lygi nuliui.

Kiti mano, kad fotonas turi masę. Tiesa, labai labai mažas. Nemažai tyrinėtojų laikosi šio požiūrio, fotono masę apibrėždami įvairiais būdais: mažiau nei 6 x 10 -16 eV, 7 x 10 -17 eV, 1 x 10 -22 eV ir net 3 x 10 -27 eV, kuri yra milijardus kartų mažesnė elektronų masė.

Kai kurie mokslininkai mano, kad, vadovaujantis šviesos atspindžio ir lūžio dėsniais, fotonas yra dalelė, t.y. korpusas. (Euklidas, Lukrecijus, Ptolemėjus, I. Niutonas, P. Gassendis)

Kiti (R. Dekartas, R. Hukas, H. Huygensas, T. Jungas ir O. Fresnelis), remdamiesi šviesos difrakcijos ir interferencijos reiškiniais, mano, kad fotonas turi banginę prigimtį.

Išspinduliuojant ar sugeriant atomo branduolius ir elektronus, taip pat fotoelektrinio efekto metu fotonas elgiasi kaip dalelė.

O pro stiklinę prizmę ar nedidelę kliūties skylutę prasilenkdamas fotonas demonstruoja savo ryškios bangos savybes.

Prancūzų mokslininko Louis de Broglie kompromisinis sprendimas, pagrįstas bangų ir dalelių dualizmu, teigiančiu, kad fotonai turi ir dalelių, ir bangų savybių, nėra atsakymas į šį klausimą. Bangos ir dalelių dvilypumas yra tik laikinas susitarimą, remiantis absoliučiu mokslininkų bejėgiškumu atsakyti į šį nepaprastai svarbų klausimą.

Žinoma, šis susitarimas kiek nuramino situaciją, bet problemos neišsprendė.

Remdamiesi tuo, galime suformuluoti pirmas klausimas susijęs su fotonu

Klausimas vienas.

Ar fotonai yra bangos ar dalelės? O gal abu, ar nė vieno?

Toliau. Šiuolaikinėje fizikoje fotonas yra elementarioji dalelė, vaizduojanti elektromagnetinės spinduliuotės kvantą (dalį).. Šviesa taip pat yra elektromagnetinė spinduliuotė, o fotonas laikomas šviesos nešikliu. Tai gana tvirtai įsitvirtino mūsų sąmonėje ir fotonas visų pirma yra susijęs su šviesa.

Tačiau, be šviesos, yra ir kitų tipų elektromagnetinės spinduliuotės: gama spinduliuotė, rentgeno spinduliai, ultravioletinė, matoma, infraraudonoji, mikrobangų ir radijo spinduliuotė. Jie skiriasi vienas nuo kito bangos ilgiu, dažniu, energija ir turi savo ypatybes.

Spinduliuotės rūšys ir trumpos jų charakteristikos

Visų tipų elektromagnetinės spinduliuotės nešėjas yra fotonas. Pasak mokslininkų, tai visiems vienoda. Tuo pačiu metu kiekviena spinduliuotės rūšis pasižymi skirtingu bangos ilgiu, vibracijos dažniu ir skirtinga fotonų energija. Taigi, skirtingi fotonai? Atrodytų, kad skirtingų tipų elektromagnetinių bangų skaičius turėtų atitikti vienodą skaičių skirtingų tipų fotonų. Tačiau šiuolaikinėje fizikoje vis dar yra tik vienas fotonas.

Pasirodo mokslinis paradoksas – skirtingos spinduliuotės, skirtingos ir jų savybės, tačiau fotonas, pernešantis šias spinduliuotes, yra tas pats.

Pavyzdžiui, gama spinduliuotė ir rentgeno spinduliai įveikia kliūtis, tačiau ultravioletinė ir infraraudonoji spinduliuotė bei matoma šviesa, turinti ilgesnį bangos ilgį, bet mažesnę energiją, – ne. Tuo pačiu metu mikrobangų ir radijo bangų spinduliuotė turi dar ilgesnį bangos ilgį ir dar mažiau energijos, tačiau įveikia vandens ir betoninių sienų storį. Kodėl?

Fotonų prasiskverbimo gebėjimai veikiant įvairiai spinduliuotei

Čia iškyla du klausimai.

Antras klausimas.

Ar tikrai visi fotonai yra vienodi visų tipų spinduliuotėje?

Trečias klausimas.

Kodėl kai kurių spinduliuotės tipų fotonai įveikia kliūtis, bet ne kitų spinduliuotės tipų? Kas yra – spinduliuotė ar fotonai?

Yra nuomonė, kad fotonas yra mažiausia bestruktūrinė dalelė Visatoje. Mokslui dar nepavyko nustatyti nieko mažesnio už fotoną. Bet ar taip? Juk kažkada atomas buvo laikomas nedalomu ir mažiausiu mus supančiame pasaulyje. Todėl ketvirtas klausimas yra logiškas:

Ketvirtas klausimas.

Ar fotonas yra mažytė ir bestruktūrė dalelė, ar jis susideda iš dar mažesnių darinių?

Be to, manoma, kad likusi fotono masė yra lygi nuliui, tačiau judant jis demonstruoja ir masę, ir energiją. Bet tada yra

penktas klausimas:

Ar fotonas yra materiali dalelė, ar ne? Jei fotonas yra materialus, tai kur jo masė dingsta ramybės būsenoje? Jei tai nemateriali, tai kodėl fiksuojama visiškai materiali jo sąveika su mus supančiu pasauliu?

Taigi, prieš mus yra penki mįslingi klausimai, susiję su fotonu. Ir šiandien jie neturi aiškių atsakymų. Kiekvienas iš jų turi savo problemų. Problemos, kurias bandysime apsvarstyti šiandien.

Kelionėse „Visatos kvėpavimas“, „Visatos gelmės“ ir „Visatos galia“ per Visatos sandaros ir veikimo prizmę visus šiuos klausimus nagrinėjome gana giliai. Mes atsekėme visą fotonų formavimosi kelią nuo pagrindinių dalelių – eterinių sūkurių krešulių atsiradimo iki galaktikų ir jų spiečių. Drįstu tikėtis, kad turime gana logišką ir sistemingai sutvarkytą pasaulio vaizdą. Todėl prielaida apie fotono struktūrą tapo logišku žingsniu žinių apie mūsų Visatą sistemoje.

Fotonų struktūra

Fotonas pasirodė prieš mus ne kaip dalelė ar kaip banga, o kaip besisukanti kūgio formos spyruoklė su besiplečiančia pradžia ir smailėjančia pabaiga.

Spyruoklinis fotono dizainas leidžia atsakyti į beveik visus klausimus, kylančius tiriant gamtos reiškinius ir eksperimentų rezultatus.

Jau minėjome, kad fotonai yra įvairių tipų elektromagnetinės spinduliuotės nešėjai. Tuo pačiu metu, nepaisant to, kad mokslas žino įvairius elektromagnetinės spinduliuotės tipus: gama spinduliuotę, rentgeno spindulius, ultravioletinę, matomą, infraraudonąją, mikrobangų spinduliuotę ir radijo spinduliuotę, šiuose procesuose dalyvaujantys fotonai neturi savų. veislių. Tai yra, pasak kai kurių mokslininkų, bet kokio tipo spinduliuotę perduoda tam tikras universalus fotonų tipas, kuris vienodai sėkmingai pasireiškia ir gama spinduliuotės procesuose, ir radijo spinduliuotės procesuose, ir bet kokiose kitose spinduliuotės rūšyse.

Negaliu sutikti su tokia pozicija, nes gamtos reiškiniai rodo, kad visa žinoma elektromagnetinė spinduliuotė labai skiriasi viena nuo kitos ne tik parametrais (bangos ilgiu, dažniu, energijos galimybėmis), bet ir savo savybėmis. Pavyzdžiui, gama spinduliuotė lengvai prasiskverbia į visas kliūtis, o matomą spinduliuotę šios kliūtys taip pat lengvai sustabdo.

Vadinasi, vienu atveju fotonai gali perduoti spinduliuotę per barjerus, o kitu atveju tie patys fotonai jau yra bejėgiai ką nors įveikti. Šis faktas verčia susimąstyti, ar fotonai tikrai tokie universalūs, ar jie turi savo atmainas, atitinkančias įvairios elektromagnetinės spinduliuotės Visatoje savybes.

spėju teisingai, nustatykite kiekvieną spinduliuotės tipą savo įvairovę fotonai. Deja, šiuolaikiniame moksle tokios gradacijos dar nėra. Tačiau tai ne tik lengva, bet ir nepaprastai būtina ištaisyti. Ir tai visiškai suprantama, nes spinduliuotė ir jos parametrai keičiasi, o fotonai šiuolaikiniame aiškinime yra tik viena bendra sąvoka - „fotonas“. Nors reikia pripažinti, kad pasikeitus radiacijos parametrams informacinėje literatūroje, keičiasi ir fotonų parametrai.

Situacija panaši į bendrosios „automobilio“ sąvokos taikymą visoms jo markėms. Tačiau šie prekių ženklai yra skirtingi. Galime pirkti Lada, Mercedes, Volvo ar Toyota. Visi jie atitinka „automobilio“ sąvoką, tačiau skiriasi išvaizda, techninėmis charakteristikomis ir kaina.

Todėl būtų logiška, jei, kaip gama spinduliuotės nešėją, pasiūlytume gama spinduliuotės fotonus, rentgeno spinduliuotę - rentgeno spinduliuotės fotonus, ultravioletinę spinduliuotę - ultravioletinės spinduliuotės fotonus ir kt. Visi šie fotonų tipai skirsis vienas nuo kito posūkių ilgiu (bangos ilgiu), sukimosi greičiu (vibracijos dažniu) ir neša energija.

Gama ir rentgeno fotonai yra suspausta spyruoklė su minimaliais matmenimis ir koncentruota energija šiame mažame tūryje. Todėl jie pasižymi dalelių savybėmis ir lengvai įveikia kliūtis, juda tarp molekulių ir materijos atomų.

Ultravioletinės spinduliuotės fotonai, matoma šviesa ir infraraudonosios spinduliuotės fotonai yra ta pati spyruoklė, tik ištempta. Šių fotonų energija išliko tokia pati, tačiau ji pasiskirstė pailgesniame fotono kūne. Padidinus fotono ilgį, jis gali parodyti bangos savybes. Tačiau fotono skersmens padidėjimas neleidžia jam prasiskverbti tarp medžiagos molekulių.

Mikrobangų ir radijo fotonai turi dar labiau ištemptą struktūrą. Radijo bangų ilgis gali siekti kelis tūkstančius kilometrų, tačiau jos turi mažiausią energiją. Jie lengvai prasiskverbia pro barjerus, tarsi įsukdami į barjero medžiagą, aplenkdami medžiagos molekules ir atomus.

Visatoje visų rūšių fotonai palaipsniui virsta iš gama spinduliuotės fotonų. Gama spindulių fotonai yra pirminiai. Judant erdvėje jų sukimosi greitis mažėja ir jie paeiliui virsta rentgeno spinduliuotės fotonais, o tie, savo ruožtu, ultravioletinės spinduliuotės fotonais, kurie virsta matomos šviesos fotonais ir kt.

Todėl gama spindulių fotonai paverčiami rentgeno fotonais. Šie fotonai turės ilgesnį bangos ilgį ir mažesnį sukimosi greitį. Tada rentgeno fotonai paverčiami ultravioletiniais fotonais, kurie paverčiami matoma šviesa ir pan.

Ryškiausią šios dinamikos transformacijos pavyzdį galima pastebėti branduolinio sprogimo metu.

Branduolinis sprogimas ir jo žalingo poveikio zonos

Branduolinio sprogimo metu per kelias sekundes gama spindulių fotonų srautas prasiskverbia į aplinką maždaug 3 km atstumu. Tada gama spinduliuotė sustoja, tačiau aptinkama rentgeno spinduliuotė. Manau, kad šiuo atveju gama spinduliuotės fotonai virsta rentgeno spinduliuotės fotonais, o jie paeiliui – ultravioletinės, matomos ir infraraudonosios spinduliuotės fotonais. Atitinkamai fotonų srautas sukelia žalingų branduolinio sprogimo veiksnių – prasiskverbiančios spinduliuotės, šviesos spinduliuotės ir gaisrų atsiradimą.

„Visatos gelmėse“ išsamiai išnagrinėjome fotonų sandarą ir jų susidarymo bei veikimo procesus. Mums tapo aišku, kad fotonai susideda iš žiedo formos skirtingo skersmens energijos frakcijų, sujungtų viena su kita.

Fotonų struktūra

Frakcijos susidaro iš pagrindinių dalelių - mažiausių eterinių sūkurių krešulių, kurie yra eteriniai tankūs awn. Šie eteriniai tankiai yra visiškai materialūs, kaip ir eteris ir visas mus supantis pasaulis yra materialūs. Eteriniai tankiai lemia eterinių sūkurių krešulių masės rodiklius. Grupelių masė sudaro frakcijų masę, o jie - fotono masę. IR nesvarbu, ar jis juda, ar ilsisi. Todėl fotonas yra visiškai medžiaga ir turi savo gerai apibrėžtą masė tiek ramybės būsenoje, tiek judant.

Eksperimentų metu jau gavome tiesioginį mūsų idėjos apie fotono struktūrą ir jo sudėtį patvirtinimą. Tikiuosi, kad artimiausiu metu paskelbsime visus gautus rezultatus. Be to, panašūs rezultatai buvo gauti ir užsienio laboratorijose. Taigi, yra pagrindo manyti, kad einame teisingu keliu.

Taigi, mes atsakėme į daugybę klausimų apie fotoną.

Fotonas, mūsų supratimu, yra ne dalelė ar banga, o spyruoklė, kuri įvairiomis sąlygomis gali būti suspausta iki dalelių dydžio arba gali išsitempti, parodydama bangos savybes.

Fotonai turi savo veisles, priklausomai nuo spinduliuotės tipo ir gali būti gama spinduliuotės fotonai, rentgeno fotonai, ultravioletiniai, matomi, infraraudonieji ir mikrobangų fotonai, taip pat radijo fotonai.

Fotonas yra materialus ir turi masę. Tai nėra mažiausia dalelė Visatoje, bet susideda iš eterinių sūkurių krešulių ir energijos frakcijų.

Suprantu, kad tai kiek netikėta ir neįprasta fotono interpretacija. Tačiau aš nesiremiu iš visuotinai priimtų taisyklių ir postulatų, priimtų prieš daugelį metų, nesusiedamas su bendrais pasaulio vystymosi procesais. Ir iš logikos, kuri kyla iš pasaulio sandaros dėsnių, kurie yra raktas į duris, vedančias į Tiesą.

Tuo pat metu, 2013 m., Nobelio fizikos premijos buvo įteiktos Peteriui Higgsui ir Francois Engleriui, kurie 1964 m., nepriklausomai vienas nuo kito, pasiūlė gamtoje egzistuoti dar vieną dalelę – neutralų bozoną, kuris lengva ranka Nobelio premijos laureato L. Ledermano, buvo vadinamas „Dievo dalele“, tai yra tuo pamatiniu principu, ta pirmąja plyta, iš kurios buvo sukonstruotas visas mus supantis pasaulis. 2012 m., vykdydamos dideliu greičiu susidūrusių protonų pluoštų eksperimentus, dvi vėl nepriklausomos mokslo bendruomenės beveik vienu metu paskelbė apie dalelės, kurios parametrai sutapo vienas su kitu ir atitiko P. Higgso ir F. Engleris.

Tokia dalelė buvo eksperimentų metu užregistruotas neutralus bozonas, kurio gyvavimo trukmė buvo ne daugiau kaip 1,56 x 10 -22 sekundės, o masė daugiau nei 100 kartų viršijo protono masę. Ši dalelė buvo priskiriama gebėjimui suteikti masę visoms šio pasaulio medžiagoms – nuo ​​atomo iki galaktikų spiečiaus. Be to, buvo manoma, kad ši dalelė yra tiesioginis tam tikro hipotetinio lauko, praeinančio per kurį visos dalelės įgyja svorį, buvimo įrodymas. Tai toks magiškas atradimas.

Tačiau bendra euforija dėl šio atradimo truko neilgai. Nes iškilo klausimų, kurie negalėjo nekelti. Iš tiesų, jei Higso bozonas iš tikrųjų yra „Dievo dalelė“, kodėl jo „gyvybė“ tokia trumpalaikė? Dievo supratimas visada buvo siejamas su amžinybe. Bet jei Dievas yra amžinas, tai bet kuri Jo dalelė taip pat turi būti amžina. Būtų logiška ir suprantama. Tačiau bozono „gyvenimas“, trunkantis sekundės dalį su dvidešimt dviem nuliais po kablelio, tikrai nedera su amžinybe. Sunku tai net pavadinti akimirka.

Be to, jei kalbame apie „Dievo dalelę“, būtina aiškiai suprasti, kad ji turi būti visame, kas mus supa, ir reprezentuoti nepriklausomą, ilgalaikę ir minimaliai įmanomą tūrinę esybę, kuri sudaro visą žinomos mūsų pasaulio dalelės.

Iš šių dieviškų dalelių mūsų pasaulis turėtų būti palaipsniui, žingsnis po žingsnio, kuriamas. Dalelės turi susidėti iš jų, atomai – iš dalelių ir taip toliau – žvaigždės, galaktikos ir Visata. Visi žinomi ir nežinomi laukai taip pat turi būti susieti su šia magiška dalele ir perduoti ne tik masę, bet ir bet kokią kitą sąveiką. Manau, kad tai logiška ir neprieštarauja sveikam protui. Kadangi šią dalelę siejame su dieviškuoju principu, turime tinkamai reaguoti į savo lūkesčius.

Tačiau jau matėme, kad Higso bozono masė gerokai viršija net protono masę. Bet kaip iš kažko didelio galima sukurti ką nors mažo? Kaip sutalpinti dramblį į pelės skylę?! Negali būti.

Visa ši tema, tiesą sakant, nėra labai skaidri ir pagrįsta. Nors gal dėl savo kompetencijos stokos kažką ne taip suprantu, vis dėlto Higso bozonas, mano giliu įsitikinimu, nelabai telpa po „Dievo dalele“.

Kitas dalykas – fotonas. Ši nuostabi dalelė visiškai pakeitė žmogaus gyvenimą planetoje.

Įvairios spinduliuotės fotonų dėka mes matome mus supantį pasaulį, mėgaujamės saulės šviesa ir šiluma, klausomės muzikos ir žiūrime televizijos žinias, diagnozuojame ir gydome, tikriname ir defektuojame metalus, žiūrime į erdvę ir skverbiames į materijos gelmes, bendraujame su vienas kitą per atstumą telefonu... Gyvenimas be fotonų būtų neįsivaizduojamas. Jie nėra tik mūsų gyvenimo dalis. Jie yra mūsų gyvenimas.

Tiesą sakant, fotonai yra pagrindinė žmogaus ir jį supančio pasaulio komunikacijos priemonė. Tik jie leidžia pasinerti į mus supantį pasaulį ir pasitelkus regos, uoslės, lytėjimo ir skonio pagalba jį suprasti bei grožėtis jo grožiu ir įvairove. Visa tai jų – fotonų – dėka.

Ir toliau. Tai tikriausiai yra pagrindinis dalykas. Tik fotonai neša šviesą! Ir pagal visus religinius kanonus Dievas pagimdė šią šviesą. Be to, Dievas yra šviesa!

Na, kaip galima įveikti pagundą ir neįvardinti fotono? tikra „Dievo dalelė“! Fotonas ir tik fotonas gali pretenduoti į šį aukščiausią titulą! Fotonas yra lengvas! Fotonas yra šiluma! Fotonas yra visas pasaulio spalvų maištas! Fotonas yra kvapnus kvapas ir subtilus skonis! Nėra gyvenimo be fotonų! O jei taip atsitiks, kam tada reikalingas toks gyvenimas? Be šviesos ir šilumos, be skonio ir kvapo. Niekas.

Todėl, jei kalbėsime apie Dievo dalelė, tada tereikia pasikalbėti fotonas- apie šią nuostabią dovaną, kurią mums įteikė Aukštesniosios jėgos. Bet ir tada tik alegoriškai. Nes Dievas negali turėti dalelių. Dievas yra vientisas ir negali būti padalintas į jokias daleles.

Šiuolaikinėje interpretacijoje kvantinė hipotezė teigia, kad energija E atomo ar molekulės virpesiai gali būti lygūs hν, 2 hν, 3 hν ir tt, tačiau intervale tarp dviejų iš eilės einančių sveikųjų skaičių, kurie yra kartotiniai, nėra svyravimų su energija. Tai reiškia, kad energija nėra nuolatinė, kaip buvo tikima šimtmečius, bet kvantuota , t.y. egzistuoja tik griežtai apibrėžtose atskirose dalyse. Mažiausia dalis vadinama energijos kvantas . Kvantinę hipotezę taip pat galima suformuluoti kaip teiginį, kad atominiame-molekuliniame lygmenyje vibracijos nevyksta jokiomis amplitudėmis. Priimtinos amplitudės vertės yra susijusios su virpesių dažniu ν .

1905 m. Einšteinas iškėlė drąsią idėją, kuri apibendrino kvantinę hipotezę ir padėjo ją kaip naujos šviesos teorijos (fotoelektrinio efekto kvantinės teorijos) pagrindą. Pagal Einšteino teoriją , šviesa su dažniuν Ne tik skleidžiama, kaip manė Planckas, bet ir medžiaga pasklinda ir absorbuojama atskiromis porcijomis (kvantais), kurio energija. Taigi šviesos sklidimas turėtų būti vertinamas ne kaip nuolatinis bangų procesas, o kaip erdvėje lokalizuotų atskirų šviesos kvantų srautas, judantis šviesos sklidimo vakuume greičiu ( Su). Elektromagnetinės spinduliuotės kvantas vadinamas fotonas .

Kaip jau minėjome, elektronų emisija nuo metalo paviršiaus, veikiama ant jo patenkančios spinduliuotės, atitinka šviesos kaip elektromagnetinės bangos idėją, nes elektromagnetinės bangos elektrinis laukas veikia metale esančius elektronus ir dalį jų išmuša. Tačiau Einšteinas atkreipė dėmesį į tai, kad bangų teorijos ir fotonų (kvantinės korpuskulinės) šviesos teorijos numatytos fotoelektrinio efekto detalės labai skiriasi.

Taigi, remiantis bangų ir fotonų teorija, galime išmatuoti išspinduliuoto elektrono energiją. Norėdami atsakyti į klausimą, kuri teorija yra priimtinesnė, panagrinėkime kai kurias fotoelektrinio efekto detales.

Pradėkime nuo bangų teorijos ir manykime, kad tai plokštė apšviečiama monochromatine šviesa. Šviesos bangai būdingi šie parametrai: intensyvumas ir dažnis(arba bangos ilgis). Bangų teorija numato, kad pasikeitus šioms charakteristikoms atsiranda šie reiškiniai:

· didėjant šviesos intensyvumui, turėtų didėti išmestų elektronų skaičius ir maksimali jų energija, nes didesnis šviesos intensyvumas reiškia didesnę elektrinio lauko amplitudę, o stipresnis elektrinis laukas išmeta daugiau energijos turinčius elektronus;

išmušti elektronai; kinetinė energija priklauso tik nuo krintančios šviesos intensyvumo.

Fotonų (korpuskulinė) teorija numato visai ką kita. Visų pirma pažymime, kad monochromatiniame pluošte visi fotonai turi vienodą energiją (lygią hν). Šviesos pluošto intensyvumo didinimas reiškia fotonų skaičiaus padidėjimą pluošte, tačiau neturi įtakos jų energijai, jei dažnis nesikeičia. Remiantis Einšteino teorija, elektronas nukrenta nuo metalo paviršiaus, kai su juo susiduria vienas fotonas. Tokiu atveju visa fotono energija perduodama elektronui, ir fotonas nustoja egzistuoti. Nes elektronus metale laiko patrauklios jėgos, norint išmušti elektroną iš metalo paviršiaus A(kuri vadinama darbo funkcija ir daugeliui metalų yra kelių elektronų voltų eilės). Jei krintančios šviesos dažnis ν mažas, tai fotono energijos ir energijos nepakanka elektronui išmušti iš metalo paviršiaus. Jei , tai elektronai išskrenda iš metalo paviršiaus ir energijos tokiame procese yra išsaugotas, t.y. fotonų energija ( hν) yra lygi išspinduliuoto elektrono kinetinei energijai ir elektrono išmušimo iš metalo darbui:

Lygtis (2.3.1) vadinama Einšteino lygtis išoriniam fotoelektriniam efektui.

Remiantis šiais samprotavimais, fotoninė (korpuskulinė) šviesos teorija numato štai ką.

1. Šviesos intensyvumo padidėjimas reiškia krintančių fotonų, kurie išmuša iš metalo paviršiaus daugiau elektronų, skaičiaus padidėjimą. Bet kadangi fotono energija yra tokia pati, maksimali elektrono kinetinė energija nepasikeis ( patvirtino aš fotoelektrinio efekto dėsnis).

2. Didėjant krintančios šviesos dažniui, didžiausia elektronų kinetinė energija didėja tiesiškai pagal Einšteino formulę (2.3.1). ( Patvirtinimas II fotoelektrinio efekto dėsnis). Šios priklausomybės grafikas pateiktas pav. 2.3.

,

Ryžiai. 2.3

3. Jei dažnis ν yra mažesnis už kritinį dažnį, tai elektronai nėra išmušami iš paviršiaus (III įstatymas).

Taigi matome, kad korpuskulinės (fotonų) teorijos prognozės labai skiriasi nuo bangų teorijos prognozių, tačiau labai gerai sutampa su trimis eksperimentiškai nustatytais fotoelektrinio efekto dėsniais.

Einšteino lygtį patvirtino Millikano eksperimentai, atlikti 1913–1914 m. Pagrindinis skirtumas nuo Stoletovo eksperimento yra tas, kad metalinis paviršius buvo nuvalytas vakuume. Ištirta didžiausios kinetinės energijos priklausomybė nuo dažnio ir nustatyta Planko konstanta h.

1926 metais rusų fizikai P.I. Lukirsky ir S.S. Priležajevas fotoelektriniam efektui tirti panaudojo vakuuminio sferinio kondensatoriaus metodą. Anodas buvo sidabruotos stiklinio sferinio cilindro sienelės, o katodas buvo rutulys ( R≈ 1,5 cm) nuo tiriamo metalo, dedamas sferos centre. Tokia elektrodų forma leido padidinti srovės įtampos charakteristikos nuolydį ir taip tiksliau nustatyti stabdymo įtampą (taigi ir h). Planko konstantos reikšmė h, gautas iš šių eksperimentų, atitinka vertes, nustatytas kitais metodais (iš juodos kūno spinduliuotės ir iš nepertraukiamo rentgeno spindulių spektro trumposios bangos krašto). Visa tai yra Einšteino lygties teisingumo įrodymas, o kartu ir jo kvantinė fotoelektrinio efekto teorija.

Norėdamas paaiškinti šiluminę spinduliuotę, Planckas pasiūlė, kad šviesą skleidžia kvantai. Einšteinas, aiškindamas fotoelektrinį efektą, pasiūlė, kad šviesą sugeria kvantai. Einšteinas taip pat pasiūlė, kad šviesa sklinda kvantais, t.y. porcijomis. Šviesos energijos kvantas vadinamas fotonas . Tie. vėl priėjome prie korpuso (dalelės) sampratos.

Tiesiausią Einšteino hipotezės patvirtinimą pateikė Bothe eksperimentas, kuriame buvo naudojamas sutapimo metodas (2.4 pav.).

Ryžiai. 2.4

Plona metalinė folija F dedamas tarp dviejų dujų išleidimo skaitiklių SCH. Foliją apšvietė silpnas rentgeno spindulių pluoštas, kurio įtakoje ji pati tapo rentgeno spindulių šaltiniu (šis reiškinys vadinamas rentgeno fluorescencija). Dėl mažo pirminio pluošto intensyvumo folijos skleidžiamų kvantų skaičius buvo mažas. Kai kvantai atsitrenkė į skaitiklį, mechanizmas suveikė ir ant judančios popierinės juostos buvo padaryta žymė. Jei skleidžiama energija būtų paskirstyta tolygiai visomis kryptimis, kaip matyti iš bangų koncepcijos, abu skaitikliai turėtų veikti vienu metu, o juostoje esantys ženklai būtų vienas priešais kitą. Realybėje buvo visiškai atsitiktinis ženklų išdėstymas. Tai galima paaiškinti tik tuo, kad atskiruose emisijos aktuose atsiranda šviesos dalelės, skrendančios viena ar kita kryptimi. Taip eksperimentiškai buvo įrodyta ypatingų šviesos dalelių – fotonų – egzistavimas.

Fotonas turi energiją . Matomai šviesai bangos ilgis λ = 0,5 µm ir energija E= 2,2 eV, rentgeno spinduliams λ = µm ir E= 0,5 eV.

Fotonas turi inercinę masę , kurį galima rasti iš santykio:

Fotonas sklinda šviesos greičiu c= 3 · 10 8 m/s. Pakeiskime šią greičio reikšmę į reliatyvistinės masės išraišką:

.

Fotonas yra dalelė, kuri neturi ramybės masės. Jis gali egzistuoti tik judėdamas šviesos greičiu c .

Raskime ryšį tarp energijos ir fotono impulso.

Mes žinome reliatyvistinę impulso išraišką:

O dėl energijos:

Žmonės jau seniai priprato prie to, kad viena iš bet kurios materijos savybių yra masė. Jis būdingas ne tik tokiems dideliems objektams kaip planetos ir žvaigždės, bet ir jų analogai iš nematomo mikropasaulio – protonai ir elektronai. Ponas vienu metu puikiai įrodė ryšį tarp masių, kuriuos turi kūnas. Jo teorijos rėmuose vis dar sėkmingai atliekami dangaus mechanikos skaičiavimai. Praėjus kuriam laikui po Niutono teorijos sukūrimo, iškilo poreikis reikšmingai ją modifikuoti, nes kai kurie reiškiniai liko nepaaiškinami. A. Einšteinas šią problemą išsprendė suformuluodamas savo „ypatingąją teoriją“. Tuo pat metu atsirado garsioji formulė E=m*(c*c), nurodanti ryšį tarp energijos, masės ir Pritaikius formulę dalelėms, greitai paaiškėjo, kad fotono masė lygi nuliui. Iš pirmo žvilgsnio tai prieštarauja sveikam protui, bet būtent taip yra. Nuliniu jo judėjimo greičiu esančio fotono masė lygi nuliui. Bet kai dalelė įveikia 300 tūkstančių km/s, ji įgauna įprastą masę. Tačiau pastaruoju metu manoma, kad fotono masė vis dar lygi nuliui. Ir reikšmė, išplaukianti iš formulės H*v = m*(c*c), yra Taigi, kam iš tikrųjų lygi fotono masė? Tikrai yra formulė. Tik jis yra sudėtingesnis ir skaičiavimas atliekamas pagal tam tikros dalelės impulso vertę.

Kadangi fotono energija E yra lygi H*v, masę galima nustatyti pagal formulę:

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

Bet kadangi fotonas, iš tikrųjų būdamas lengvas, iš esmės negali egzistuoti mažesniu nei „s“ (300 tūkst. km/s) greičiu, tada aukščiau rasta masė yra teisinga tik judėjimo būsenai.

Impulsą galima rasti per

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

Impulso buvimas rodo energiją. Iš tiesų, jei vasaros dieną pakišite ranką po saulės spinduliais, aiškiai pajusite šilumą. Šį reiškinį galima paaiškinti energijos perdavimu tam tikros masės dalelei, judančia dideliu greičiu. Būtent tai pastebima šviesos atžvilgiu. Štai kodėl fotono masė ir impulsas yra tokie svarbūs, nors šiuo atveju ne visada įmanoma operuoti pažįstamomis sąvokomis.

Daugelyje interneto forumų vyksta diskusijos apie šviesos prigimtį ir kaip atlikti skaičiavimus. Akivaizdu, kad klausimas, kokia yra fotono masė, dar negali būti laikomas uždaru. Nauji modeliai leidžia visiškai kitaip paaiškinti stebimus procesus. Moksle taip nutinka visada: pavyzdžiui, iš pradžių Niutono teorija buvo laikoma baigta ir logiška, tačiau netrukus paaiškėjo, kad reikia nemažai pataisų. Nepaisant to, niekas netrukdo žmonėms naudotis žinomomis savybėmis, kurias žmonės išmoko matyti tamsoje instrumentų pagalba; prekybos centrų durys automatiškai atsidaro lankytojams; optiniai tinklai leido pasiekti iki tol neregėtą skaitmeninių duomenų perdavimo greitį; o specialūs prietaisai leido saulės šviesos energiją paversti elektra.

Kodėl ramybės būsenoje esantis fotonas neturi masės (ir iš viso neegzistuoja)? Tam yra keletas paaiškinimų. Pirma, ši išvada išplaukia iš formulių. Antra, kadangi šviesa turi dvejopą prigimtį (ji yra ir banga, ir dalelių srautas), tai akivaizdu, kad masės sąvoka radiacijai visiškai netaikoma. Trečia yra logiška: įsivaizduokite greitai besisukantį ratą. Jei žiūrite pro jį, vietoje stipinų galite pamatyti savotišką rūką, miglą. Tačiau vos pradėjus mažinti sukimosi greitį, migla pamažu dingsta, o visiškai sustojus lieka tik stipinai. Šiame pavyzdyje migla yra dalelė, vadinama „fotonu“. Jį galima stebėti tik judant ir griežtai nustatytu greičiu. Jei greitis nukrenta žemiau 300 tūkstančių km/s, tada fotonas išnyksta.