Bir fotonun yükü nedir? Işığın foton teorisi

Foton - kuantum elektromanyetik alan, sıfır dinlenme kütlesi ve birliğe eşit spini olan temel bir parçacık. Foton - hepsinden en yaygın olanı temel parçacıklar. Görünür ışık akışlarında, x-ışınlarında, radyo dalgaları şeklinde ve lazer darbelerinde bulunur. 1964 yılında Amerikalı radyo gökbilimcileri A. Penzias ve R. Wilson, dünya uzayının 2,7 K sıcaklıktaki soğuk foton gazı sayılabilecek milimetrik radyo dalgalarıyla dolu olduğunu keşfettiler. modern fikirler Bu radyasyon (buna kalıntı radyasyon denir), maddenin muazzam sıcaklık ve basınçta olduğu Evrenin gelişiminin ilk aşamalarında ortaya çıktı (bkz. Kozmoloji). Ortalama yoğunluk kalıntı fotonların sayısı yaklaşık 500'dür. Bu sayı, etrafımızdaki dünyanın inşa edildiği proton bolluğuyla karşılaştırılabilir: Evrende ortalama olarak başına birden fazla proton yoktur. Dolayısıyla Evren'de fotonlar, protonlardan milyarlarca kat daha yaygındır.

Olağan dışı tarihi kader foton; belki de bu, deneysel keşfinin yazarını belirtmenin imkansız olduğu tek temel parçacıktır. Foton, 14 Aralık 1900'de Berlin'deki bir toplantıda M. Planck tarafından teorik olarak keşfedildi. fiziksel toplum Radyasyon enerjisinin kuantizasyonu hakkındaki hipotezini dile getirdi. O andan itibaren fizikte kuantum çağı başladı.

Planck'ın fikrini geliştiren A. Einstein, 1905'te ışığın yalnızca bireysel kısımlar halinde yayılıp emilmediğini, aynı zamanda bunlardan oluştuğunu da öne sürdü. Cesur ve sıradışı bir genellemeydi. Örneğin suyu her zaman porsiyonlar halinde, yudumlarla içeriz, ancak bundan suyun bireysel yudumlardan oluştuğu sonucu çıkmaz. Einstein'ın teorisine göre elektromanyetik dalga, kuantum akışına benzemeye başladı.

Planck'ın hipotezi, fotoelektrik etkinin, lüminesansın ve bir dizi başka olgunun yasalarını açıklamayı mümkün kıldı. En parlak şekilde parçacık özellikleri elektromanyetik radyasyon, A. Compton'un X ışınlarının serbest elektronlar tarafından saçılmasıyla ilgili deneylerinde (1922) ortaya çıktı. Compton etkisi, 1920'lerde elektromanyetik radyasyon ve fizikle ilgili kuantum kavramlarının doğruluğunu doğruladı. sonunda foton adı verilen yeni bir temel parçacık girdi ( Yunanca kelime"ışık" anlamına gelir).

Foton, diğerleri gibi kuantum parçacığı, hem dalga hem de parçacık özelliklerine aynı anda sahiptir, dolayısıyla dalga ve ışığın parçacık teorilerini destekleyenler arasında neredeyse iki yüzyıldır süren tartışmada herkesin kendi açısından haklı olduğu ortaya çıktı. Sıradan yaşamda, fotonlarla tek tek değil, doğrudan etkileşim halinde olduğumuz için ışığın taneciksel özellikleri ortaya çıkmaz. çok sayıdaışık dalgası olarak algılanır. Bir elektromanyetik dalganın, etkileşimlerin yayılma hızının sınırlayıcı hızının temel anlamını taşıyan dairesel bir frekans o), yoğunluk ve yayılma hızı c ile karakterize edildiği bilinmektedir ( modern anlam). Dalgaya karşılık gelen fotonların enerjisi ve momentumu vardır (Planck sabiti Js'nin modern değeri). Örneğin, Güneş'ten gelen maksimum radyasyon, Hz dairesel frekansına karşılık gelen K cm dalga boyuna sahip ışığa düşer. Bu tür fotonların enerjisi J'dir. Güneş sabiti, yani birim alan başına birim zaman başına düşen enerji dünyanın yüzeyi, eşittir ve bundan 1 saniyede çok sayıda fotonun yaklaşık olduğunu hesaplayabiliriz. Aynı zamanda, temel parçacıklarla yapılan deneylerde, dedektörler fotonları tek tek kaydeder ve prensip olarak insan gözü bile bunu yapabilir.

Fotonların sayısı sabit değildir; etkileşim süreçlerinde, örneğin yok olma sürecinde yaratılabilir ve yok edilebilirler (bkz. Antimadde, - elektron ve pozitronun sembolleri, - fotonun sembolü, gama kuantumu). Hem burada hem de Compton etkisinde fotonlar gerçek gözlemlenebilir parçacıklar gibi davranır. Ayrıca fotonlar elektromanyetik etkileşimler taşıyarak gözlemlenemeyen sanal bir durumda da bulunabilirler.

Temel bir parçacık olarak fotonun özelliklerinin kökeni klasik elektrodinamiğe dayanmaktadır. Foton elektriksel olarak nötrdür, yükü sıfıra eşit. (Aksi takdirde, iki elektromanyetik dalga birbiriyle etkileşime girebilir ve iki yükün alanı artık her birinin ayrı ayrı alanlarının toplamı olmaz.) Fotonun başka yükü de yoktur: gerçekten nötr olduğu söylenir. ve antiparçacığıyla aynı (bkz. Antimadde). Bir fotonun yük paritesi -1'dir; apaçık gerçek Herhangi bir sistemin tüm yüklerinin işaretleri değiştiğinde elektrik ve manyetik alanların yönleri zıt yönde değişir. Yük paritesinin korunması elektromanyetik etkileşimler Elektronlar ve onların antipartikülleri - pozitronlar arasındaki simetri ile ilişkili, şuna yol açar: belirli kısıtlamalar tepkiler üzerine. Örneğin bazı parçacık sistemleri yalnızca bozunuma uğrayabilir. çift ​​sayı fotonlar ve diğerleri - yalnızca tuhaf olanlara (bkz. Antimadde).

Fotonların elektronlar ve pozitronlarla etkileşimi süreçleri özellikle iyi incelenmiştir - bu, tahminleri deneylerde büyük bir doğrulukla test edilen sözde kuantum elektrodinamiğidir.

Fotonun geri kalan kütlesi sıfırdır. Bu, fotonun ne durdurulabileceği ne de yavaşlatılabileceği anlamına gelir. Enerjisi ne olursa olsun, c temel hızıyla hareket etmeye mahkumdur. Fotonun küçük ama yine de sınırlı bir kütlesi olduğunu varsayarsak, ortaya çıkan gözlemlenen etkileri inceleyebiliriz. Sıradan parçacıklarda olduğu gibi, fotonların hızı da enerjilerine (yani radyasyonun dalga boyuna) bağlı olacak ve her zaman c'den az olacaktır. Dağılım etkisi elektromanyetik dalgalar Bir boşluktaki atomlar prensip olarak pulsarların radyasyonu ile tespit edilebilir. Mecazi anlamda konuşursak, mavi ışınlar gözlemciye kırmızı ışınlardan önce ulaşacaktır. Bizi pulsarlardan ayıran devasa mesafeler göz önüne alındığında, varış zamanının farklı olmasına rağmen önemli ölçüde farklı olması gerekir. küçük farklılıklar farklı ışınların hızlarında.

Bir fotonda sonlu bir dinlenme kütlesinin varlığı, elektromanyetik kuvvetlerin sonlu bir etki aralığının ortaya çıkmasına yol açacaktır. Aslında bir yük sanal bir foton yayıyorsa enerjide belirsizlik ortaya çıkar ve belirsizlik ilişkisine göre böyle bir foton ancak belirli bir süre boyunca var olabilir. Bu süre zarfında, daha büyük olmayan bir mesafe kat edecek ve sonrasında başka bir yük tarafından absorbe edilmesi gerekecektir.

Görelilik teorisinin “sıçrayışından” doğan modern fiziğin metodolojisi, benzeri görülmemiş bir zihin dalgalanmasına ve onun temelinde birçok şeyin ortaya çıkmasına yol açmıştır. bilimsel teoriler, daha çok ortaçağ skolastiklerinin fantezilerine benziyor.

Mesela Profesör Veynik, üzücü için ünlü Görelilik teorisini eleştirdiği için acı çektiğini (sadece onunla alay ettiğini), öğrenciler için bir ders kitabı olan “Termodinamik”te şöyle yazıyor: “...önemli bir dezavantaj kuantum mekaniği Bu, parçacığın yapısını yargılamamıza izin verecek yol gösterici fikirlerin yokluğudur. Sonuç olarak foton gibi sıradan bir temel parçacık istisnai kategorisine girmişti (bu, görünüşe göre hafif uzun zaman bir dalga olarak kabul edildi ve ayrıca formül e = mc 2 Einstein). Aslında bir foton, prensipte, bir elektrondan ve diğer temel parçacıklardan farklı değildir (bu, fotoğraflardan anlaşılabilir...). Tüm mikrokozmosun ve onları yöneten yasaların tam bir resmini elde etmek için bir elektronun veya fotonun yapısını anlamak yeterliydi. Buna göre genel teori(Veynik – N.N.), temel bir parçacık, mikro yüklerin bir topluluğudur. İkincisi şunları içerir: kütle (maddeler), uzay (metronlar), zaman (krononlar), elektron, termon, Planck sabiti vb. Farklı temel parçacıkların sayısı sonsuz derecede büyüktür.”

Böylece uzay - zaman, dalga - parçacık, belirsizlik ilkesi, kütle - enerjinin karşılığı ve diğer "varlıkların" nasıl termon, metron, kronon ve madde formunda yeni canavarlar üretmeye devam ettiğini görüyoruz. Fotoğrafa gelince, eğer Veinik'e geceleyin bir otoyol fotoğrafı gösterilseydi, fotoğrafta far izi bırakan bir arabanın "sıradanlığını" da aynı şekilde tanımlayacaktı. "Aklın uykusu canavarları doğurur" (Goya).

"Tüm doğal olayların nedeni, mekanik nitelikteki düşünceler kullanılarak kavranır, aksi takdirde fizikteki herhangi bir şeyi anlama konusundaki tüm umutlardan vazgeçmek gerekir." (Huygens “Işık Üzerine İnceleme”). Aynı fikir farklı versiyonlarda ifade edildi ünlü araştırmacılar ve farklı zamanların düşünürleri: Aristoteles, Galileo, Newton, Hooke, Descartes, D'Alembert, Fresnel, Faraday, Helmholtz ve diğerleri. Böylece, Maxwell "Elektrik ve Manyetizma Üzerine İnceleme" adlı eserinde şunları yazdı: "Şu anda zaman içindeki yayılımı (etkileşim - N.N.), maddi bir maddenin uzayda uçuşu veya bir hareket durumu veya bir hareket durumu dışında başka bir şekilde anlayamıyoruz. uzayda zaten var olan bir ortamdaki gerilim... Nitekim zaman içinde enerji bir cisimden diğerine nasıl aktarılırsa aktarılsın, bir cisimden ayrıldıktan sonra enerjinin içinde yer aldığı, ancak henüz bir başkasına ulaşılamadı... Sonuç olarak tüm bu teoriler (dalga, etkileşim ve elektromanyetizma - N.N.) yayılmanın gerçekleştiği bir ortam kavramına yol açmaktadır ve bu ortamı bir hipotez olarak kabul edersek, bence bir yer işgal etmelidir. araştırmamızda önemli bir yere sahiptir ve eyleminin zihinsel bir temsilini her ayrıntısıyla oluşturmaya çalışmalıyız; bu benimdi kalıcı hedef bu risalede".

Ama şimdi Veinik'e göre bir fotonun ortaya çıkışını hayal etmeye çalışalım: "heyecanlı" bir elektron yörüngede uçup uçuyordu ve birdenbire ondan herhangi bir sebep veya temel olmaksızın belirli bir "sıradan öz" koptu. onun için, elektronun hızı ve döngüsel frekansı ne olursa olsun, salınım frekansını (alması gereken enerji miktarını hesapladıktan sonra?) ve kütlesini elde eder - ne olacak! Buradaki etki nedenlerden kaynaklanmıyor ve fiziksel değerlendirmeler mantık ve mekanik yasalarıyla desteklenmiyor. Maxwell'in ne tür "zihinsel fikirleri" var?

Dolayısıyla Maxwell, enerjinin bir mesafe boyunca yalnızca iki şekilde aktarılabileceğini iddia ediyor: ya maddeyle (kütle) birlikte, ya da bir ara ortam aracılığıyla dalgalar yoluyla. Varsayılan varoluş özel tip madde - elektromanyetik alan - fiziğe nüfuz etmenin sonucu bilimsel düşünme. Bu, bir maddenin atomlarının ve moleküllerinin titreşim enerjisini ve aynı zamanda termal (elektromanyetik) radyasyonu oldukça başarılı bir şekilde tanımlayan kalorik bile değildir. Bu sadece doğanın gizemi karşısında cehaletinizi ve güçsüzlüğünüzü perdelemeye yönelik bir girişimdir.

Antik Yunan, antik Arap, antik Hint ve antik Çin düşünürlerinden Newton'a, Hooke'dan Huygens'e kadar insanlığın büyük beyinleri bu bilmece üzerinde mücadele ediyor. modern araştırmacılar Işığın (lazerler vb.) kullanımında büyük başarılar elde etmelerine rağmen, ışığın özüne ilişkin bilgileri gerçek olmaktan çok uzaktır.

Newton'un ışığın doğası hakkındaki görüşleri oldukça çelişkili ve tutarsızdı. Gerçek bilimsel düşüncenin kurucusu olmasına rağmen ilerleme korkusu bilimsel hipotezler olmadan yeterli arz Deneysel ve gözlemsel gerçekler onu diğer uç noktaya götürdü: kısıtlı düşünmeye ve sonuçlarda tutarlılık eksikliğine. Böylece cisimlerin uzaktan etkileşimine ilişkin görüşleri onu bir ara ortamın varlığı fikrine yöneltmiş; ancak ışığın doğası göz önüne alındığında, bu ortamı yalnızca "bu eterin etki yasalarının doğru bir şekilde tanımlanıp gösterilebileceği yeterli sayıda deney bulunmadığı" için reddeder.

Elbette onun zamanında eterin özellikleri ve bileşimi sorusunu gündeme getirmek erkendi; çünkü optik, elektromanyetizma, atom ve bilim gibi bilimler bile moleküler fizik ve diğerleri. Ve zamanımızda bile atom çekirdeği ve temel parçacıklar gibi bilimler hâlâ "sis içinde yüzüyor." Maddenin yapısındaki bir sonraki aşama olan eter hakkında ne söyleyebiliriz?

Bununla birlikte, eterin özelliklerine ilişkin gözlemler, gerçekler, deneyler ve bilgiler giderek daha fazla hale geldi ve tüm büyük ve önemli teoriler, yalnızca "eyleminin zihinsel yapısı" sayesinde ortaya çıktı. Einstein ve Infeld, genel görelilik ilkesinin varlığı lehine ortadan kaldırılabilecek teorilerin inşası için buna "iskele" adını verdiler. Ancak şimdi optik ve elektromanyetik teori gibi bilimlerin ortaya çıkacağını hayal etmek zor. genel prensip görelilik önlerinde belirdi.

"Dalga teorisi, Newton'un dışarı akış teorisini, tahminlerinin kusursuz niteliksel ve niceliksel doğruluğuyla yendi" (S. Vavilov) ve sadece bu değil. Öncelikle ışık hızının kaynağın hızından bağımsızlığı çıkış teorisiyle açıklanamaz. Newton, fotonların hızının kaynağın hızına eklendiğine inanıyordu. İkincisi, dışarı akış teorisi daha yoğun bir ortamda ışığın hızının artacağını öngörürken, Huygens'in dalga teorisi bu hızda bir azalma öngördü. Fizeau ve Foucault tarafından yoğun bir ortamda hızın ölçülmesine ilişkin doğrudan deneyler doğrulandı dalga doğa Sveta.

Işığın dalga teorisi hem teorik hem de bilimsel olarak doğrulanmıştır. deneysel çalışma Faraday, Maxwell, Hertz, Lebedev ve diğer araştırmacılar. Örneğin Maxwell, "Treatise..." adlı eserinde şunu yazdı: "... ışık saçan ortam, içinden ışık geçtiğinde bir enerji kabı görevi görür. Huygens, Fresnel, Young, Green ve diğerleri tarafından geliştirilen dalga teorisinde bu enerjinin kısmen potansiyel, kısmen de kinetik olduğu düşünülmektedir. Potansiyel enerjinin ortamın temel hacimlerinin deformasyonundan kaynaklandığı kabul edilir ve bu da ortamı elastik olarak düşünmemiz gerektiği anlamına gelir. Kinetik enerji nedeniyle dikkate alınır salınım hareketiçevre olduğundan, çevrenin sonlu bir yoğunluğa sahip olduğunu varsaymamız gerekir. Bu incelemede benimsenen elektrik ve manyetizma teorisi, iki tür enerjinin - elektrostatik ve elektrokinetik - varlığını kabul eder ve bunların yalnızca cisimlerde değil, aynı zamanda çevredeki uzayın her yerinde lokalize oldukları varsayılır. Bu nedenle teorimiz, her ikisinin de iki tür enerjinin taşıyıcısı haline gelebilen bir ortamın varlığını varsayması açısından dalga teorisiyle tutarlıdır." Aynı zamanda hem Maxwell hem de Faraday geniş kesimden insanlar olarak bilimsel görüşler eterin yalnızca ışığın dalga teorisi (elektrodinamizm) için değil, aynı zamanda etkileşimlerin iletimi için de gerekli olduğuna dikkat çekti. Bu çok önemli argüman"Kralın yeni elbisesini" yani uzay-zamanın eğriliğini görme ihtiyacının bir sonucu olarak modern araştırmacılar tarafından hâlâ göz ardı ediliyor.

Hikaye anlatıcısı Andersen bu konuda şöyle yazmıştı: “Yetenekli dokumacılarmış gibi davrandılar ve çok farklı, harika bir kumaş dokuyabileceklerini söylediler. muhteşem mülk- yanlış yerde oturan veya inanılmaz derecede aptal olan herhangi bir kişi için görünmez hale gelir... "Ben aptal değilim" diye düşündü ileri gelen. Yani yersiz miyim? İşte zamanın! Ancak bunu gösteremezsiniz!

S. Vavilov şunları yazdı: “Dalga teorisi zafer kazandı, öyle görünüyordu ki, nihai bir zafer... Ancak zaferin çok erken olduğu ortaya çıktı... Dalga teorisinin, ışığın eyleminin kuantum yasaları karşısında çaresiz kaldığı ortaya çıktı. ”

Şimdi kendimize soruyoruz: Bu gerçek, diğer pek çok gerçeğin aksine, bilim adamlarının görüşlerini gerçekten bu kadar dramatik bir şekilde değiştirebilir mi? Evet, radyasyonun ayrıklığı vardır; evet foton yekpare bir parçacık gibi uçuyor. Peki sesin havada da benzer bir davranışı yok mu? Ya da tam tersi: Elektromanyetik dalgaların sese benzer bir davranışı yok mudur?

Hertz ve takipçileri, elektromanyetik radyasyonun çevredeki alana iletilme yeteneğini mükemmel bir şekilde gördüler. uzayda lokalize olmayan küresel dalgalar. (Bu arada, modern armatürlerin iddia ettiği gibi kuantize değiller, çünkü bunlar elektronların bir yörüngeden diğerine sıçramasının değil, hızlandırılmış hareketin sonucudur. serbest elektronlar Explorer'da). Uzun elektromanyetik dalgaların bu özelliği sayesinde, vericinin etrafındaki kürenin herhangi bir yerinden TV izliyor ve radyo dinliyoruz. Ancak elektromanyetik dalgaların frekansı artış yönünde belirli bir sınırı aştığı anda radyasyonun yönlülüğü ortaya çıkar.

Aynı şey sesle de olur. Doğru, sesin bu tür özellikleri, ultrason üretimiyle bağlantılı olarak oldukça yakın zamanda keşfedildi. Görünüşe göre ultrasonik dalgalar keskin bir yönlülüğe sahiptir ve uzayda lokalize olmuş parçacıklar olarak düşünülebilir. “Dalga teorisinin çaresizliği” bu kadar! Ne zaman araştırmacılar bir şeyi açıklamada çaresiz kalsalar, bunun için klasik mekaniği suçluyorlar.

Feynman'ın gösterdiği gibi, ortamda meydana gelen süreçlerin doğası ona bağlı olduğundan salınım yasaları frekansa bağlıdır. Ancak kendisi yalnızca basınç ve sıcaklık olduğunda salınım denklemini türetmekle yetindi. elastik dalga adyabatik olarak değişir. Feynman da dahil olmak üzere araştırmacıların hiçbiri, bu durumda meydana gelen süreçler ısının emilmesine yol açtığında, parçacıkların ortalama serbest yoluna göre yüksek titreşim frekanslarını dikkate almadı. Bu durumda hareket yönlerinin dağılımı nedeniyle salınımın küresel bir dalga olarak yayılamayacağı açıktır. bireysel parçacıklar. Salınımların frekansı parçacıkların serbest yolunun "frekansından" daha az olduğu için yalnızca keskin bir şekilde yönlendirilebilir.

Ultrasonun özellikleriyle yapılan analojiden, yerelliğin dalga teorisiyle hiçbir şekilde çelişmediği sonucu çıkar. Üstelik havanın metal gibi davrandığı ve ultrasonun enine dalgalara sahip olduğu ortaya çıkmaz mıydı?

Lokalliğe ek olarak, radyo dalgalarından farklı olarak fotonların bir tane daha var önemli özellik, kökenleriyle ilişkili: kesin olarak dozlanmış enerji. Fotonların atomların yapısıyla ilişkili bu özelliği, elektromanyetik dalgaların tüm spektrumunu kapsamamalıdır. Üstelik burada foton enerjisinin bir özelliği olarak Planck sabiti fazla dikkate alınmamalıdır. geniş anlamda fiziğin her adımında bunun nasıl yapıldığı son zamanlarda. Planck sabitinin zamanın, uzayın ve kütlenin ayrıklığıyla hiçbir ilgisi yoktur.

Foton enerjisinin katı dozajı nedeniyle ortaya çıktı yeni bilim– kuantum mekaniği, en başından beri hala çözülmemiş birkaç soru var. Birincisi: Dairesel veya eliptik bir yörüngede hareket eden bir atomun elektronları, deneyimlemelerine rağmen neden foton yaymıyor? merkezcil ivme? İkincisi: Foton emisyonunun ve soğurulmasının mekanizması nedir?

İlk soru, kuantum mekaniği ile ilgili tüm ders kitaplarında ve bilimsel çalışmalarda tekrarlanan bir yanılgı ile ilgilidir. Örneğin, “Seçilmiş Bölümler”deki Semenchenko teorik fizik" okuyoruz: "Yasalara göre elektronlar çekirdeğin etrafında uzun süre hareket edemezler klasik elektrodinamik Hızlanan her elektron elektromanyetik enerji yayar. Bunun sonucunda elektronun kinetik enerjisi azalır ve sonunda çekirdeğe düşmesi gerekir.” Kaigorodsky, "Herkes İçin Fizik" kitabında bir elektronun çekirdeğe düştüğü zamanı bile hesapladı - saniyenin yüzde biri!

Okuyucudan Weber'in üç terimden oluşan klasik elektrodinamik denklemine bakmasını rica ediyorum. İlk terim Coulomb yasası, ikincisi potansiyel gecikme sonucu etkileşim kuvvetinde meydana gelen değişim, üçüncüsü ise radyasyon konumuzla ilgili olan terimdir. Burada Weber'in formülünün şunları içerdiğini görüyoruz: skaler miktar mesafeler Etkileşen parçacıklar arasında. Bu, çekirdek ile elektron arasındaki sabit mesafede birinci ve ikinci türevlerin sıfıra eşit olduğu anlamına gelir. Bu nedenle bu durumda potansiyel bir gecikme olmamalıdır ve radyasyon. Bu, hızlanan her elektronun enerji yaymadığı anlamına gelir. Dairesel bir yörüngede hareket eden bir elektron yaymamalıdır! Bu kadar önemli bir hatanın bu kadar uzun süre gözden kaçması şaşırtıcı!

İkinci sorunun çözümünü Huygens önerdi. Şöyle önerdi: "Işık, cisimlerin hareketli parçacıklarının eter parçacıklarına uyguladığı şoklar nedeniyle ortaya çıkar." De Broglie'nin dalga boylarıyla ilgili ilişkisi ortaya çıkmadan önce, Huygens'in bu sözü "havada asılı" gibi görünüyordu. De Broglie ilişkisinin, hem ilişkinin ortaya çıkmasının hem de de Broglie dalgalarının bir sonucu olarak fotonların ortaya çıkmasının nedenlerini incelemek için temel oluşturması gerekiyordu. Ancak Born, Heisenberg ve Bohr'un kuantum mekaniğinin belirlenemezliği yönündeki sonucu ve Einstein'ın esiri reddetmesi fizikçileri bu sorundan uzaklaştırdı.

Görünüşe göre, de Broglie dalgalarının parçacıkların gerçek bir "itme" hareketi süreci olduğu, bunun nedeni potansiyel gecikmenin eşitsizliği olduğu ve fotonun eterin yerel (yüksek derecede yönlendirilmiş) dalgalarının bir parçası olduğu varsayılmalıdır. Başlangıçta ve sonunda biraz farklı bir salınım frekansına sahip olan (genişlik spektral çizgi), bu, bir elektronun kararlı bir yörüngeden diğerine atladığında hızının yavaşlaması ile ilişkilidir.

Potansiyelin gecikmesindeki eşitsizliğin bir sonucu olarak parçacıkların sarsıntılı hareketi, kuantum mekaniğinin bir başka sorusuna, elektronun kararlı ayrık yörüngelerinin varlığına bir çözüm olabilir. Kararlı yörüngeler görünüşe göre döngüsel ve sarsıcı salınımların rezonansının sonucudur.

Dolayısıyla, ortodoks görelilikçilerin klasik fiziğe, etere, mekanik görüşlere, nedenselliğe ve dalga gösterimleriışık yok ve olamaz, bunu yapmalıyız, aksi takdirde “fizikteki bir şeyi anlama konusundaki tüm umudumuzdan vazgeçmek zorunda kalacağız”

Edebiyat:

1. yapay zeka Veynik. Termodinamik. Yüksek Lisans, Minsk, 1968, s.
2. H. Huygens. Işık Üzerine İnceleme. Leiden, 1703. Çev. enlemden itibaren Cumartesi günü. tarafından düzenlendi G.M. Golin ve S.R. Filonovich "Klasikler" Fiziksel Bilim", Yüksekokul, 1989, s. 131-140.
3. J. C. Maxwell. Elektrik ve Manyetizma Üzerine Bir İnceleme, cilt 1, 2, Oxford, 1873. Çev. İngilizce'den Nauka, M., 1989.
4. I. Newton. Optik veya ışığın yansımaları, kırılmaları, bükülmeleri ve renkleri üzerine bir inceleme. Londra, 1706. Çev. enlemden itibaren tarafından düzenlendi G.S. Landsberg, Gostekhizdat, M., 1981.
5. Sİ. Vavilov. Göz ve güneş. Nauka, M., 1976.
6. G. Hertz. Yaklaşık çok hızlı elektriksel titreşimler. Ann. der Ph., b. 31, s. 421...448. Başına. onunla. Cumartesi günü. tarafından düzenlendi G.M. Golin ve S.R. Filonovich “Fizik Bilimi Klasikleri”, Yüksek Okul, 1989.
7. G. Hertz. Havadaki elektrodinamik dalgalar ve yansımaları hakkında. Ann. der Ph., b. 34, s. 609...623. Başına. onunla. Cumartesi günü. tarafından düzenlendi G.M. Golin ve S.R. Filonovich “Fizik Bilimi Klasikleri”, Yüksek Okul, 1989.
8. R. Feynman, R. Layton, M. Sands. Feynman'ın dersleri fizikte. Başına. İngilizce'den, cilt 3, 4, Mir, M., 1976, s. 391...398.
9. V.K. Semenchenko. Teorik fizikten seçilmiş bölümler. Eğitim, M., 1966, 131.
10. yapay zeka Kitaygorodsky. Herkes için fizik, cilt 3 (Elektronlar), Nauka, M., 1979.

Işık ve ısı, tat ve koku, renk ve bilgi; bunların hepsi ayrılmaz bir şekilde fotonlarla bağlantılıdır. Üstelik bu muhteşem parçacık olmadan bitkilerin, hayvanların ve insanların yaşaması mümkün değildir.

Evrende her proton veya nötron için yaklaşık 20 milyar foton bulunduğuna inanılıyor. Bu fevkalade büyük bir rakam.

Peki etrafımızdaki dünyada en yaygın olan bu parçacık hakkında ne biliyoruz?

Bazı bilim insanları fotonun hızının, ışığın boşluktaki hızına eşit olduğuna inanıyor. yaklaşık 300.000 km/sn ve bu maksimumdur olası hız Evrende.

Diğer bilim insanları evrende parçacık hızlarının ışık hızından daha hızlı olduğu pek çok örnek olduğuna inanıyor.

Bazı bilim adamları fotonun elektriksel olarak nötr olduğuna inanıyor.

Diğerleri fotonun olduğuna inanıyor elektrik yükü(bazı verilere göre 10 -22 eV/sn2'den az).

Bazı bilim adamları fotonun kütlesiz bir parçacık olduğuna inanırlar ve onlara göre dinlenme halindeki bir fotonun kütlesi sıfırdır.

Diğerleri fotonun kütlesi olduğuna inanıyor. Doğru, çok çok küçük. Bir dizi araştırmacı, foton kütlesini farklı şekillerde tanımlayarak bu bakış açısına bağlı kalmaktadır: 6 x 10 -16 eV'den az, 7 x 10 -17 eV, 1 x 10 -22 eV ve hatta 3 x 10 -27 eV'den az, bu milyarlarca kat daha az elektron kütlesidir.

Bazı bilim adamları, ışığın yansıma ve kırılma yasalarına göre fotonun bir parçacık olduğuna inanıyor; cisimcik. (Öklid, Lucretius, Ptolemy, I. Newton, P. Gassendi)

Diğerleri (R. Descartes, R. Hooke, H. Huygens, T. Jung ve O. Fresnel), ışığın kırınımı ve girişimi olgusuna dayanarak, fotonun dalga doğasına sahip olduğuna inanırlar.

Foton, atom çekirdeği ve elektronlar tarafından yayıldığında veya emildiğinde ve ayrıca fotoelektrik etki sırasında parçacık gibi davranır.

Ve geçerken cam prizma veya bir engeldeki küçük bir delik, foton parlak dalga özelliklerini gösterir.

Fransız bilim adamı Louis de Broglie'nin, fotonların hem parçacık hem de dalga özelliğine sahip olduğunu belirten dalga-parçacık dualizmine dayanan uzlaşmacı çözümü bu sorunun cevabı değil. Dalga-parçacık ikiliği yalnızca geçicidir anlaşma Bilim adamlarının bu son derece önemli soruyu cevaplama konusundaki mutlak güçsüzlüğüne dayanmaktadır.

Elbette bu anlaşma durumu biraz sakinleştirdi ama sorunu çözmedi.

Buna dayanarak formüle edebiliriz. ilk soru bir fotonla ilişkili

Birinci soru.

Fotonlar dalga mı yoksa parçacık mı? Ya da belki ikisi de ya da ikisi de?

Sonraki. Modern fizikte foton, elektromanyetik radyasyonun bir kuantumunu (bölümünü) temsil eden temel bir parçacıktır.. Işık aynı zamanda elektromanyetik radyasyon ve fotonun bir ışık taşıyıcısı olduğu kabul edilir. Bu, bilincimizde oldukça sağlam bir şekilde yerleşmiştir ve foton her şeyden önce ışıkla ilişkilendirilir.

Ancak ışığa ek olarak başka elektromanyetik radyasyon türleri de vardır: gama radyasyonu, x-ışınları, ultraviyole, görünür, kızılötesi, mikrodalga ve radyo radyasyonu. Dalga boyu, frekans, enerji bakımından birbirlerinden farklıdırlar ve kendi özelliklerine sahiptirler.

Radyasyon türleri ve kısa özellikleri

Her türlü elektromanyetik radyasyonun taşıyıcısı fotondur. Bilim adamlarına göre bu herkes için aynıdır. Aynı zamanda her radyasyon türü farklı bir dalga boyu, titreşim frekansı ve farklı enerjiler fotonlar. Peki farklı fotonlar mı? Görünüşe göre farklı türdeki elektromanyetik dalgaların sayısı, eşit sayıda farklı foton türüne karşılık gelmelidir. Ancak modern fizikte hala tek bir foton var.

Bilimsel bir paradoks ortaya çıkıyor - radyasyonlar farklı, özellikleri de farklı, ancak bu radyasyonları taşıyan foton aynı.

Örneğin, gama radyasyonu ve X ışınları engelleri aşar, ancak daha uzun dalga boyuna ancak daha düşük enerjiye sahip olan ultraviyole ve kızılötesi radyasyon ve görünür ışık bunu başaramaz. Aynı zamanda, mikrodalga ve radyo dalgası radyasyonu daha uzun bir dalga boyuna ve daha az enerjiye sahiptir, ancak suyun ve beton duvarların kalınlığının üstesinden gelir. Neden?

Fotonların çeşitli radyasyonlar altında nüfuz etme yetenekleri

Burada iki soru ortaya çıkıyor.

İkinci soru.

Tüm fotonlar gerçekten tüm radyasyon türlerinde aynı mıdır?

Üçüncü soru.

Neden bazı radyasyon türlerinin fotonları engelleri aşıyor da diğer radyasyon türlerinin fotonları aşamıyor? Sorun nedir; radyasyon mu, foton mu?

Fotonun Evrendeki en küçük yapısız parçacık olduğuna dair bir görüş var. Bilim henüz fotondan daha küçük bir şeyi tanımlayamadı. Peki bu doğru mu? Sonuçta, bir zamanlar atomun bölünemez ve etrafımızdaki dünyanın en küçüğü olduğu düşünülüyordu. Bu nedenle dördüncü soru mantıklıdır:

Dördüncü soru.

Foton küçük ve yapısız bir parçacık mıdır, yoksa daha da küçük oluşumlardan mı oluşur?

Ayrıca bir fotonun dinlenme kütlesinin sıfır olduğuna inanılır, ancak hareket halindeyken hem kütle hem de enerji sergiler. Ama sonra var

Beşinci soru:

Foton maddi bir parçacık mıdır, değil midir? Eğer bir foton maddesel ise kütlesi dinlenme halindeyken nerede kayboluyor? Eğer maddi değilse, o zaman neden etrafımızdaki dünyayla olan tamamen maddi etkileşimleri kaydediliyor?

İşte fotonla ilgili beş kafa karıştırıcı soru. Ve bugün bunların net cevapları yok. Her birinin kendine has sorunları var. Bugün dikkate almaya çalışacağımız sorunlar.

“Evrenin Nefesi”, “Evrenin Derinlikleri” ve “Evrenin Gücü” gezilerimizde, Evrenin yapısı ve işleyişi prizmasından tüm bu konuları oldukça derinlemesine ele aldık. Temel parçacıkların (eterik girdap pıhtıları) ortaya çıkışından galaksilere ve onların kümelerine kadar foton oluşumunun tüm yolunu izledik. Oldukça mantıklı ve sistematik olarak organize edilmiş bir dünya resmine sahip olduğumuzu ummaya cesaret ediyorum. Bu nedenle fotonun yapısına ilişkin varsayım, Evrenimiz hakkındaki bilgi sistemimizde mantıklı bir adım haline geldi.

Foton yapısı

Foton önümüze bir parçacık ya da dalga olarak değil, genişleyen bir başlangıcı ve daralan bir ucu olan, dönen koni biçimli bir yay olarak göründü..

Fotonun yay tasarımı, doğal olayları ve deneysel sonuçları incelerken ortaya çıkan hemen hemen tüm soruları yanıtlamamızı sağlar.

Fotonların çeşitli elektromanyetik radyasyon türlerinin taşıyıcıları olduğundan daha önce bahsetmiştik. Aynı zamanda, bilimin çeşitli elektromanyetik radyasyon türlerini bilmesine rağmen: gama radyasyonu, x-ışınları, ultraviyole, görünür, kızılötesi, mikrodalga radyasyonu ve radyo radyasyonu, bu işlemlere dahil olan taşıyıcı fotonların kendilerine ait değildir. çeşitleri. Yani, bazı bilim adamlarına göre, her türlü radyasyon, gama radyasyonu süreçlerinde, radyo emisyonu süreçlerinde ve diğer radyasyon türlerinde eşit derecede başarılı bir şekilde kendini gösteren belirli bir evrensel foton türü tarafından aktarılır.

Bu pozisyona katılmıyorum çünkü doğal olaylar bilinen tüm elektromanyetik radyasyonun yalnızca parametrelerde (dalga boyu, frekans, enerji yetenekleri) değil aynı zamanda özelliklerinde de birbirinden önemli ölçüde farklı olduğunu gösterir. Örneğin, gama radyasyonu her türlü engeli kolaylıkla geçebilir ve görünür radyasyon Bu engellerin durdurulması da bir o kadar kolaydır.

Sonuç olarak, bir durumda fotonlar radyasyonu bariyerlerden aktarabilir, diğer durumda ise aynı fotonlar zaten hiçbir şeyin üstesinden gelemeyecek kadar güçsüzler. Bu gerçek, fotonların gerçekten bu kadar evrensel olup olmadığını veya Evrendeki çeşitli elektromanyetik radyasyonun özelliklerine uygun olarak kendi çeşitlerinin olup olmadığını merak etmemize neden oluyor.

Sanırım doğru, her radyasyon türünü belirleyin kendi çeşidi fotonlar. Ne yazık ki, böyle bir derecelendirme hala devam ediyor modern bilim müsait değil. Ancak bu sadece kolay değil, aynı zamanda düzeltilmesi de son derece gerekli. Ve bu oldukça anlaşılabilir bir durumdur, çünkü radyasyon ve parametreleri değişir ve modern yorumdaki fotonlar yalnızca tek bir genel kavramla - "foton" ile temsil edilir. Bununla birlikte, radyasyon parametrelerindeki değişikliklerle birlikte kabul edilmesi gerekir. referans kitapları Foton parametreleri de değişir.

Durum uygulamayla aynı genel konsept tüm markalarına "araba". Ancak bu markalar farklı. Lada, Mercedes, Volvo veya Toyota satın alabiliriz. Hepsi “araba” kavramına uyuyor ama hepsi hem görünüş hem de görünüş olarak farklı. teknik özellikler ve maliyet karşılığında.

Bu nedenle gama radyasyonu fotonlarını gama radyasyonunun taşıyıcıları olarak önermemiz mantıklı olacaktır. x-ışını radyasyonu- X-ışını fotonları, ultraviyole radyasyon- ultraviyole radyasyonun fotonları vb. Tüm bu foton türleri, dönüş uzunlukları (dalga boyu), dönüş hızları (titreşim frekansı) ve taşıdıkları enerji bakımından birbirinden farklılık gösterecektir.

Gama ışını ve X ışını fotonları, bu küçük hacimde minimum boyutlara ve konsantre enerjiye sahip sıkıştırılmış bir yaydır. Bu nedenle parçacıkların özelliklerini sergilerler ve maddenin molekülleri ve atomları arasında hareket ederek engelleri kolaylıkla aşarlar.

Ultraviyole radyasyonun fotonları, görünür ışık ve kızılötesi radyasyonun fotonları aynı yaydır, sadece gerilmiştir. Bu fotonlardaki enerji aynı kaldı ancak fotonun daha uzun bir gövdesine dağıldı. Bir fotonun uzunluğunun arttırılması, onun bir dalganın özelliklerini sergilemesine olanak tanır. Ancak fotonun çapındaki artış, onun maddenin molekülleri arasına girmesine izin vermez.

Mikrodalga ve radyo fotonları daha da gerilmiş bir yapıya sahiptir. Radyo dalgalarının uzunluğu birkaç bin kilometreye ulaşabilir ancak en küçük enerjiye sahiptirler. Maddenin moleküllerini ve atomlarını atlayarak, sanki bariyerin maddesine vidalanıyormuş gibi bariyerlere kolayca nüfuz ederler.

Evrende her türlü foton yavaş yavaş gama radyasyonu fotonlarından dönüştürülür. Gama ışını fotonları birincildir. Uzayda hareket ederken, dönüş hızları azalır ve bunlar sırasıyla X-ışını radyasyonunun fotonlarına ve bunlar da görünür ışığın fotonlarına vb. dönüştürülen ultraviyole radyasyonun fotonlarına dönüştürülür.

Bu nedenle gama ışını fotonları, x-ışını fotonlarına dönüştürülür. Bu fotonlar daha uzun bir dalga boyuna ve daha düşük bir dönüş hızına sahip olacaktır. Daha sonra, X-ışını fotonları ultraviyole fotonlara dönüştürülür, bunlar da görünür ışığa dönüştürülür ve bu şekilde devam eder.

Dinamiklerdeki bu dönüşümün en çarpıcı örneğini nükleer patlama sırasında görmek mümkündür.

Nükleer patlama ve zarar verici etkisinin bölgeleri

Devam etmekte nükleer patlama Birkaç saniye içinde bir gama radyasyonu foton akışı nüfuz eder çevre yaklaşık 3 kilometrelik bir mesafede. Daha sonra gama radyasyonu durur, ancak X-ışını radyasyonu tespit edilir. Bu durumda gama radyasyonunun fotonlarının X-ışını radyasyonunun fotonlarına ve bunların sırayla ultraviyole, görünür ve kızılötesi radyasyonun fotonlarına dönüştürüldüğüne inanıyorum. Fotonların akışı buna göre görünüme neden olur zarar veren faktörler nükleer patlama - nüfuz eden radyasyon, ışık radyasyonu ve yangınlar.

“Evrenin Derinlikleri”nde fotonların yapısını, oluşum ve işleyiş süreçlerini detaylı olarak inceledik. Fotonların birbirine bağlı, farklı çaplarda halka şeklindeki enerji parçalarından oluştuğunu anladık.

Foton yapısı

Kesirler temel parçacıklardan oluşur. eterik yoğunlukta olan en küçük eterik girdap pıhtıları kılçık. Bu eterik yoğunluklar tamamen maddidir, tıpkı eterin ve çevremizdeki tüm dünyanın maddi olması gibi. Eterik yoğunluklar eterik girdap pıhtılarının kütle göstergelerini belirler. Kümelerin kütlesi fraksiyonların kütlesini oluşturur ve bunlar da fotonun kütlesini oluşturur. VE hareket halinde ya da dinlenmede olması önemli değil. Bu nedenle foton tamamen malzeme ve kendi iyi tanımlanmış hem hareketsiz hem de hareket halindeki kütle.

Deneyler sırasında fotonun yapısı ve bileşimi hakkındaki fikrimizin doğrudan onayını zaten aldık. Yakın gelecekte elde edilen tüm sonuçları yayınlayacağımızı umuyorum. Ayrıca yabancı laboratuvarlarda da benzer sonuçlar elde edildi. Dolayısıyla doğru yolda olduğumuza inanmamız için nedenler var.

Böylece fotonla ilgili birçok soruyu yanıtlamış olduk.

Bizim anlayışımıza göre bir foton bir parçacık ya da dalga değil, bir yaydır. farklı koşullar parçacıkların boyutuna sıkıştırılabilir veya bir dalganın özelliklerini sergileyecek şekilde gerilebilir.

Fotonların radyasyon türüne bağlı olarak kendi çeşitleri vardır ve gama radyasyonu fotonları, X-ışını fotonları, ultraviyole, görünür, kızılötesi ve mikrodalga fotonlarının yanı sıra radyo fotonları da olabilir.

Foton maddidir ve kütlesi vardır. O değil en küçük parçacık Evrende, ancak eterik girdap pıhtılarından ve enerji fraksiyonlarından oluşur.

Bunun fotonun biraz beklenmedik ve alışılmadık bir yorumu olduğunu anlıyorum. Ancak, süreçlerle bağlantısı olmadan yıllar önce kabul edilen genel kabul görmüş kurallardan ve varsayımlardan yola çıkmıyorum. genel gelişim barış. Ve hakikate giden kapının anahtarı olan dünyanın yapısının kanunlarından gelen mantıktan.

Aynı zamanda, 2013 yılında Nobel Fizik Ödülleri, 1964 yılında bağımsız olarak doğada başka bir parçacığın varlığını öne süren Peter Higgs ve Francois Englert'e verildi - nötr bozon, hafif bir el ile, Nobel ödüllü L. Lederman'a "Tanrı'nın parçacığı", yani bu temel ilke, çevremizdeki tüm dünyanın inşa edildiği ilk tuğla deniyordu. 2012 yılında, yine iki bağımsız bilimsel topluluk, yüksek hızlarda proton ışınlarının çarpışması üzerine deneyler yaparken, neredeyse eş zamanlı olarak, parametreleri birbiriyle örtüşen ve P. Higgs ve F. tarafından tahmin edilen değerlere karşılık gelen bir parçacığın keşfini duyurdu. Engler.

Böyle bir parçacık, deneyler sırasında kaydedilen, ömrü 1,56 x 10-22 saniyeden fazla olmayan ve kütlesi bir protonun kütlesinin 100 katından fazla olan nötr bir bozondu. Bu parçacık, bir atomdan bir galaksi kümesine kadar bu dünyada var olan maddi olan her şeye kütle verme yeteneğiyle tanınırdı. Üstelik bu parçacığın, tüm parçacıkların ağırlık kazandığı belirli bir varsayımsal alanın varlığının doğrudan kanıtı olduğu varsayıldı. Bu çok büyülü bir keşif.

Ancak bu keşfin yarattığı genel mutluluk uzun sürmedi. Çünkü yardım edemeyen ancak ortaya çıkamayan sorular ortaya çıktı. Gerçekten de, eğer Higgs bozonu gerçekten "Tanrı'nın bir parçacığı" ise, onun "yaşamı" neden bu kadar kısa sürüyor? Tanrı anlayışı her zaman sonsuzlukla ilişkilendirilmiştir. Ama eğer Tanrı sonsuzsa, o zaman O'nun herhangi bir parçacığı da sonsuz olmalıdır. Mantıklı ve anlaşılır olurdu. Ancak virgülden sonra yirmi iki sıfır bulunan ve saniyenin kesirleri kadar süren bir bozonun "yaşamı" aslında sonsuzlukla bağdaşmıyor. Buna bir an bile demek zor.

Üstelik "Tanrı parçacığı" hakkında konuşursak, o zaman onun bizi çevreleyen her şeyde olması gerektiğini ve her şeyi oluşturan bağımsız, uzun ömürlü ve minimum düzeyde mümkün hacimli bir varlığı temsil etmesi gerektiğini açıkça anlamak gerekir. bilinen parçacıklar bizim dünyamız.

Bu ilahi parçacıklardan dünyamızın yavaş yavaş adım adım inşa edilmesi gerekecekti. Parçacıklar onlardan oluşmalı, atomlar parçacıklardan oluşmalı ve yıldızlara, galaksilere ve Evrene kadar bu böyle sürüp gidiyor. Bilinen ve bilinmeyen tüm alanların da bu büyülü parçacıkla ilişkilendirilmesi ve yalnızca kütleyi değil aynı zamanda diğer etkileşimleri de iletmesi gerekir. Bunun mantıklı olduğunu ve çelişmediğini düşünüyorum sağduyu. Çünkü bu parçacığı ilahi prensiple ilişkilendirdiğimize göre beklentilerimize yeterli cevabı vermemiz gerekiyor.

Ancak Higgs bozonunun kütlesinin protonun kütlesini bile önemli ölçüde aştığını daha önce görmüştük. Fakat büyük bir şeyden nasıl küçük bir şey inşa edebilirsiniz? Bir fil fare deliğine nasıl sığdırılır? Mümkün değil.

Dürüst olmak gerekirse tüm bu konu pek şeffaf ve haklı değil. Belki beceriksizliğimden dolayı bir şeyi tam olarak anlayamasam da, yine de Higgs bozonu benim derin inancıma göre "Tanrı parçacığına" pek uymuyor.

Başka bir şey de fotondur. Bu harika parçacık, gezegendeki insan yaşamını tamamen değiştirdi.

Çeşitli radyasyonların fotonları sayesinde çevremizdeki dünyayı görüyor ve tadını çıkarıyoruz. güneş ışığı ve sıcaklık, müzik dinliyoruz, televizyon haberleri izliyoruz, teşhis ve tedavi ediyoruz, metalleri kontrol edip kusurlarını araştırıyoruz, uzaya bakıp maddenin derinliklerine nüfuz ediyoruz, birbirimizle uzaktan telefonla iletişim kuruyoruz... Fotonlar olmadan hayat düşünülemezdi. . Onlar sadece hayatımızın bir parçası değiller. Onlar bizim hayatımızdır.

Fotonlar özü itibariyle ana araçİnsanın çevresindeki dünyayla iletişimi. Yalnızca onlar etrafımızdaki dünyaya dalmamıza ve görme, koklama, dokunma ve tat alma yardımıyla onu anlamamıza ve onun güzelliğine ve çeşitliliğine hayran olmamıza izin veriyor. Bütün bunlar onların, yani fotonların sayesinde.

Ve bir şey daha. Bu muhtemelen ana şeydir. Yalnızca fotonlar ışık taşır! Ve tüm dini kanonlara göre bu ışığı Tanrı doğurdu. Üstelik Tanrı ışıktır!

Peki, fotonun adını bilmeden bu cazibeyi nasıl atlatabiliriz? gerçek bir “Tanrı parçacığı”! Bu en yüksek unvanı yalnızca foton ve foton alabilir! Foton ışıktır! Foton ısıdır! Foton dünyadaki renklerin isyanıdır! Foton hoş kokulu kokular ve ince tatlardır! Fotonlar olmadan hayat olmaz! Ve eğer öyleyse, o zaman kimin böyle bir hayata ihtiyacı var? Işık ve ısı olmadan, tat ve koku olmadan. Hiç kimse.

Bu nedenle eğer konuşursak Tanrı'nın parçacığı o zaman sadece hakkında konuşmamız gerekiyor foton- bize verilen bu muhteşem hediye hakkında Yüksek Güçler Tarafından. Ama o zaman bile, yalnızca alegorik olarak. Çünkü Tanrının parçacıkları olamaz. Tanrı bir ve bütündür ve hiçbir parçaya bölünemez.

Foton temel bir parçacıktır, elektromanyetik radyasyonun bir kuantumu.

Foton enerjisi: ε = hv, burada h = 6,626 · 10 -34 J s – Planck sabiti.

Foton kütlesi: m = h·v/c 2 . Bu formül formüllerden elde edilir

ε = hv ve ε = m·c 2. m = h·v/c 2 formülüyle tanımlanan kütle, hareket eden fotonun kütlesidir. Fotonun dinlenme durumunda var olamayacağı için dinlenme kütlesi yoktur (m 0 = 0).

Foton momentumu: Tüm fotonlar c = 3·10 8 m/s hızla hareket eder. Açıkçası foton momentumu P = mc, bunun anlamı şudur:

P = h·v/c = h/λ.

4. Dış fotoelektrik etki. Fotoelektrik etkinin akım-gerilim özellikleri. Stoletov'un yasaları. Einstein'ın denklemi

Dış fotoelektrik etki, ışığın etkisi altındaki bir madde tarafından elektron emisyonu olgusudur.

Akımın devredeki gerilime bağımlılığına fotoselin akım-gerilim karakteristiği denir.

1) Birim zamanda katottan çıkan N'e fotoelektronların sayısı, katot üzerine gelen ışığın yoğunluğuyla orantılıdır (Stoletov yasası). Veya başka bir deyişle: doyma akımı katot üzerindeki radyasyonun gücüyle orantılıdır: Ń f = P/ε f.

2) Bir elektronun katottan çıkışta sahip olduğu maksimum hız Vmax yalnızca ışığın frekansına ν bağlıdır ve yoğunluğuna bağlı değildir.

3) Her madde için, altında fotoelektrik etkinin gözlemlenmediği bir ışık kesme frekansı ν 0 vardır: v 0 = A çıkış /h. Einstein'ın denklemi: ε = A out + mv 2 max /2, burada ε = hv emilen fotonun enerjisidir, A out maddeden ayrılan elektronun iş fonksiyonudur, mv 2 max /2 maksimum kinetik enerjisidir yayılan elektron.

Aslında Einstein'ın denklemi enerjinin korunumu yasasını yazma biçimlerinden biridir. Yayılan tüm fotoelektronların anoda ulaşmadan önce yavaşlatılması durumunda fotoseldeki akım duracaktır. Bunu yapmak için, değeri enerjinin korunumu yasasından da bulunan fotosele ters (tutma) voltajı u uygulamak gerekir:

|e|u ç = mv 2 maksimum /2.

5. Hafif basınç

Işık basıncı, bir cismin yüzeyine düşen ışığın uyguladığı basınçtır.

Işığı bir foton akışı olarak düşünürsek, klasik mekaniğin ilkelerine göre parçacıkların bir cisme çarpmasıyla momentum iletmesi, yani basınç uygulaması gerekir. Bu basınca bazen radyasyon basıncı denir. Işık basıncını hesaplamak için aşağıdaki formülü kullanabilirsiniz:

P = W/c (1+ P), burada W normal olarak 1 m2 yüzeye 1 saniyede gelen radyant enerji miktarıdır; c ışık hızıdır, P- yansıma katsayısı.

Işık normale belli bir açıyla düşerse basınç aşağıdaki formülle ifade edilebilir:

6. Compton etkisi ve açıklaması

Compton etkisi (Compton etkisi), elektronlar tarafından saçılması nedeniyle elektromanyetik radyasyonun dalga boyunun değişmesi olgusudur.

Durağan bir elektronun saçılması için saçılan fotonun frekansı:

saçılma açısı nerede (saçılmadan önce ve sonra fotonun yayılma yönleri arasındaki açı).

Compton dalga boyu, göreli kuantum süreçlerinin bir uzunluk boyutu parametresi özelliğidir.

λ С = h/m 0 e c = 2,4∙10 -12 m – Elektronun Compton dalga boyu.

Compton etkisi klasik elektrodinamik çerçevesinde açıklanamaz. Bakış açısından klasik fizik Elektromanyetik dalga sürekli bir nesnedir ve serbest elektronların saçılmasının bir sonucu olarak dalga boyunu değiştirmemelidir. Compton etkisi, bir elektromanyetik dalganın kuantizasyonunun doğrudan kanıtıdır; başka bir deyişle, bir fotonun varlığını doğrular. Compton etkisi, mikropartiküllerin dalga-partikül ikiliğinin geçerliliğinin bir başka kanıtıdır.

8.1. Elektromanyetik alan enerjisi

Rezonatördeki elektromanyetik alanın durumu, kabul edilebilir radyasyon modlarına (8.1) karşılık gelen tüm alan osilatörlerinin durumlarının listelenmesiyle belirlenebilir. Alan osilatörlerinin birbirinden bağımsızlığı, tüm elektromanyetik alanın durumunu, her bir modun durumlarının bir ürünü olarak temsil etmemizi sağlar. Toplam Enerjiçıkıyor miktara eşit modların her birinde bulunan enerjiler (8.2). Her modun enerjisi alabilir ayrık değerler miktarına göre birbirinden ayrılır. enerjiye eşit Planck kuantumu (8.3). Bu özellik, bir alan osilatörünün her durumunu, her biri enerjiye (8.3) sahip olan ve sayısı bu durumun sayısına eşit olan bir dizi parçacıkla resmi olarak ilişkilendirmemize olanak tanır. Bu tür parçacıklara genellikle denir fotonlar.

Teorik olarak bazı zorluklar, alan osilatörlerinin alt durumlarının enerjilerinin sıfırdan farklı olmasından kaynaklanmaktadır. O. Sonsuz bir kümedeki herhangi bir mod, içinde gerçekten gözlemlenebilir fotonlar olmasa bile, enerjiye sahiptir, yarıya eşit Planck kuantumunun enerjisi. Vakumun toplam enerjisi, içinde radyasyon olmasa bile sonsuz büyüklüktedir. Söz konusu durumda, fizikte sıklıkla kullanılan, bir sistemin enerjisini referansının başlangıç ​​seviyesini değiştirerek yeniden tanımlama yöntemi uygun görünmüyor. Alt durum enerjisinin sıfır olmayan değerinin kökeninin derin bir geçmişi vardır. fiziksel anlam, çünkü genelleştirilmiş koordinat ve momentum operatörlerinin komütasyon kuralından kaynaklanmaktadır. Nihayetinde "klasik" tarafından açıklanmayan spontan radyasyonun etkisinin doğru bir şekilde tanımlanmasına yol açan, operatörlerin bu özelliğidir. kuantum mekaniği ve deneysel olarak gözlemlenen bir dizi başka "ince" etki. Tanıtılan terminolojiyi takiben, "fotonların yarımlarına" karşılık gelen alt durumlar çağrılabilir. karanlık fotonlar veya elektromanyetik vakumun sıfır salınımı. Aynı zamanda sonsuz şeklinde elde edilen sonucun da unutulmaması gerekir. yüksek enerji Görünüşe göre elektromanyetik boşluk fiziksel olarak anlamsızdır ve iç tutarsızlık ve şu anda mevcut olan kuantum göreli radyasyon teorisinin eksikliği.

8.2. Elektromanyetik alan darbesi

Ultrarelativistik bir parçacık olarak foton, enerjiye ek olarak aynı zamanda bir enerjiye de sahip olmalıdır. dürtü, standart göreli ilişki (8.4) ile enerji ile ilgilidir. Foton momentumu için beklenen ifade aslında kabul edilen çerçeve içerisinde elde edilebilir. kuantum elektrodinamiği Alan osilatörlerinin formalizmi. Momentum operatörünün (8.5) açık formu, klasik ifadeye benzetme yoluyla doğal olarak yazılmıştır ve vektör potansiyeli ve alan operatörleri (7.29 - 7.30) için önceden elde edilen ifadeler dikkate alınarak, genelleştirilmiş koordinatların operatörleri aracılığıyla ifade edilebilir ve alan osilatörlerinin momentumu (8.6). Son ilişki, kuantum dışı görecelik teorisinden (8.7) beklenen elektromanyetik alan momentumu için doğrudan “doğru” ifadeyi ima etmektedir. Enerjiyle ilgili olarak düşünülen çelişkili durumun aksine, elektromanyetik alan darbesi durumunda, toplama dahil edilen toplamların vektör niteliğinden dolayı, bir anlamda elektromanyetik radyasyon içermeyen bir alanın toplam darbesi ortaya çıkar. sıfır olmak.

8.3. Radyasyonun polarizasyonu ve fotonun “dönmesi”

Klasik fizik çerçevesinde elektromanyetik dalgaların polarizasyonu kavramı özel yorumlar gerektirmiyorsa, o zaman bu özelliğin anlamını parçacıksal bir tanımlama durumunda açıklığa kavuşturmak çok anlamlı görünmektedir.

Klasik fizik dilinde bile, aşağıdakileri gösteren bir takım değerlendirmeler verilebilir: yakın bağlantı radyasyonun polarizasyonu döndürmek Işık hızında hareket eden bir parçacık durumunda buna genellikle foton adı verilir. sarmallık. Radyasyonun polarizasyonu ile taşıdığı açısal momentum arasındaki ilişkiyi açıklığa kavuşturmak için Thomson atomunun dairesel polarize radyasyonla etkileşim sürecini dikkate almak yeterlidir. Dönme frekansına sahip yarı elastik bir elektronun kararlı durum zorunlu dönüşü altında elektrik alanı dalga, elektron hızı ve alan kuvveti vektörleri arasındaki açı sabit kalır. Bu durumda sisteme radyasyon enerjisi aktarım hızı, sisteme açısal momentum aktarım hızıyla orantılı hale gelir (8.8). Ortaya çıkan ifadede radyasyon enerjisi için Planck formülünü kullanmak, dairesel polarize bir fotonun açısal momentumunun z izdüşümünün Planck sabitine eşit bir değere sahip olabileceği varsayımına yol açar. Bu durumda fotona, bir Planck sabitine eşit değerde kendi açısal momentumunu atfetmek mantıklı görünmektedir.

Sistemin dönüşünün değeri ile koordinat sistemi döndüğünde radyasyon polarizasyon durumlarının dönüşüm özellikleri arasındaki bağlantıya dayanan diğer hususlar da benzer bir sonuca varır. Koordinat sistemi, yönü düzlem monokromatik dalganın yayılma yönü ile çakışan z ekseni etrafında döndürüldüğünde, doğrusal polarizasyonunun iki olası durumunun birbiri üzerinden dönüştüğü çok açıktır (8.9). Dairesel polarizasyon durumları (8.10) durumunda, koordinat sisteminin dönüşü yalnızca bunların faz faktörü (8.11) ile çarpımına yol açar; bu da birim spinli sistemler z ekseni etrafında döndürüldüğünde ortaya çıkan benzer bir faktörle tam olarak örtüşür. . Dairesel polarizasyon düzleminin monokromatik dalgasının bir fotonuna, birliğe eşit kendi açısal momentumunu atfetmemizi sağlayan, polarizasyon durumlarının bu özelliğidir.

Bir fotona birim spin atfetmek biraz koşulludur, çünkü spin genellikle söz konusu parçacığın hareketsiz kaldığı referans sistemlerde parçacığın iç açısal momentumu olarak adlandırılır. Parçacığın hareketsiz olabileceği bir referans çerçevesinin yokluğu, sonuçta küresel simetrik durumlarda fotonların varlığının yasaklanmasına yol açar. Bu nedenle |S=1, M S =0> durumu fotonlar durumunda doğada gerçekleştirilemez hale gelir.

8.4. Toplam momentum ve foton paritesi

Radyasyonun bir atomla etkileşimi problemlerini çözerken, elektromanyetik alanı bir bütün olarak düşünmek daha uygundur. küresel dalgalar küresel koordinatlarda (8.12) yazılan D'Alembert denkleminin bir çözümüdür. Bir anlamda vektör potansiyeline ilişkin bu denklem, elektron için Schrödinger denkleminin (2,4 - 2,5) bir benzeri olarak düşünülebilir. Her iki denklem de benzer yapıya sahiptir ve açısal momentum operatörünün karesini içerir. Tek fark Coulomb potansiyelini (foton elektriksel olarak nötr bir parçacıktır) ve aranan çözümün vektör doğasını içeren bir terimin bulunmamasıdır. İkincisi biraz açıklama gerektiriyor: Kesin konuşmak gerekirse, klasik Schrödinger denklemindeki elektron dalga fonksiyonu skaler değildir, çünkü elektronun kendi açısal momentumunun (spin 1/2) olası iki durumuna karşılık gelen bir spin kısmı içerir. Bu anlamda, bir fotonun vektör potansiyeli (“dalga fonksiyonu”) ile bir elektronun “skaler” (ve aslında iki bileşenli) dalga fonksiyonu arasındaki fark, yalnızca karşılaştırılan temel parçacıkların spininin büyüklüğünden oluşur. . Spin değerinin, koordinatlar döndürüldüğünde birbirleri üzerinden dönüşen sabit bir nesnenin durum sayısını karakterize ettiğini bir kez daha hatırlamak gerekir.

Coulomb alanındaki bir elektronun hareketi probleminin çözümünde olduğu gibi, çekirdek durağandır (yani zamana bağımlıdır). harmonik kanunu) bu denkleme iki fonksiyonun çarpımı şeklinde bir çözüm aramak mantıklıdır: radyal ve açısal (8.13). İkincisi olarak, daha önce tanıtılan ve tüm seti oluşturan küresel işlevlerden (5.7) herhangi birini kullanmalısınız. kendi işlevi açısal momentumun karesi operatörü. Oluşturulan çözüm (8.13), koordinat sistemi döndürüldüğünde dönüşen iki faktör içerir: küresel fonksiyonlar ve polarizasyon vektörü. Biçimsel olarak, hidrojen atomundaki elektron problemine benzetilerek, sıra ben küresel fonksiyon YLM Fotonun açısal momentumunu ve polarizasyon vektörünü karşılaştırmak istiyorum - fotonun dönüşü bire eşittir (birim spinli parçacıklar dönüşler sırasında şöyle davranır: klasik vektör). Fotonun toplam momenti (elektronun durumunda olduğu gibi) yörünge ve spinin toplamını temsil etmelidir.

Ne yazık ki, fotonun durgun kütlesinin sıfır olması nedeniyle yukarıdaki benzetme tamamen tatmin edici değildir. Fotonun bu bariz özelliği, onun hareketsiz olacağı bir koordinat sisteminin varlığını imkansız kılmaktadır. Sonuç olarak, geleneksel olarak hareketsiz bir parçacığın içsel açısal momentumu olarak tanımlanan spin kavramı, bir foton için anlamını yitirir. Ayrıca, bir fotonun dönüşünü, dönüşler sırasında birbiri aracılığıyla dönüşen durumların sayısının bir özelliği olarak doğru bir şekilde belirlemenin imkansız olduğu ortaya çıkıyor: bir foton için zorunlu durum, ışık hızında hareket, her zaman birini seçer. uzayda yön, dönme sırasında fotonun dalga vektöründe ve dolayısıyla karşılık gelen modun sayısında bir değişiklik anlamına gelen bir değişiklik. Bir fotonun yörünge ve dönüş momentlerini doğru bir şekilde ayırmanın imkansızlığı başka bir dilde açıklanabilir: Elektromanyetik dalgalar için enine durum, esas olarak dalga vektörünün ve polarizasyon vektörünün karşılıklı yönelimi üzerinde ek bir kısıtlama getirir. Sonuç olarak fotonun “yörünge” ve “dönme” hareketi bağımsız kabul edilemez. O. Foton durumunda parçacığın yalnızca toplam açısal momentumundan bahsetmenin mümkün olduğu ortaya çıkıyor.

Enerji, momentum ve toplam momentumun yanı sıra bir foton da atanabilir. belirli parite Koordinatın ters çevrilmesi sırasında dalga fonksiyonunun davranışını karakterize eden. Bu işlem, olağan üç boyutlu uzaysal vektörün işaretini zıt işaretle değiştirir. Endeksli top fonksiyonu ben, m=l ters çevrildiğinde şöyle davranır 2 litre- her bir çifti bir uzay vektörüne (8.14) benzeyen pozitif yönlü spinörler. O. böyle bir fonksiyonun paritesi şuna eşit olur: (-1) l. Koordinat sistemini döndürürken, belirtilen endekslere sahip küresel fonksiyon, mertebedeki tüm olası küresel fonksiyonlar kümesi aracılığıyla dönüştürülür ben. Çünkü devamsızlık durumunda zayıf etkileşimler Sistemin Hamiltoniyeni ile ters çevirme operatörü, aynı zamanda Hamiltoniyen ifadesinde yer alan açısal momentumun karesi operatörüyle ve dolayısıyla onunla ilişkili dönme operatörüyle de değişir. Sonuç olarak, küresel fonksiyonlar kümesinin tamamının düzenli olduğu ortaya çıktı ben aynı pariteye sahiptir.

Foton dalga fonksiyonunun vektör niteliğinde olması (yani paritesi negatif olan bir polarizasyon vektörü içermesi) nedeniyle fotonun toplam paritesi şuna eşit olur: (-1) l+1 .

8.5. Farklı tam sayı açısal momentuma sahip durumlardaki vektör parçacıkları

Fotonların momentum ve pariteye göre sınıflandırılmasını oluşturmak için, belirli bir yörünge momentumuna sahip göreceli olmayan bir vektör parçacığının toplam momentlerinin izin verilen değerlerini bulma yardımcı probleminin çözülmesi tavsiye edilir. En basit örnek olarak, p-durumunda (yörünge momentumuna sahip) bir vektör parçacığını düşünebiliriz. ben=1). Böyle bir sistemin temel durumları, yörünge ve dönüş momentlerinin durumlarının çarpımı olarak belirtilebilir (8.15). Böyle bir temeli, yörünge ve dönüş momentlerinin belirli izdüşümlerine sahip bir dizi durum olarak adlandırmak mantıklıdır. Sistemin toplam momentinin projeksiyonu dikey eksen yine de z ekseni etrafındaki döndürme operatörünün durumuna ilişkin eylemin sonucuna göre belirlenir. Yörünge ve dönüş momentlerinin z ekseni üzerindeki projeksiyonları birliğe eşit olan bir durum, toplam momentuma sahip yeni bir temelin durumuna da atfedilebilir. j=2 ve mümkün olan maksimum projeksiyonu M j =+2(8.16). Gruptan kalan 4 eyalet ise j=2 başlangıç ​​temel durumlarının (8.15) simetrik doğrusal kombinasyonlarını, yörünge ve dönüş momentlerinin (8.17) aynı toplam projeksiyonlarıyla temsil eder. Son ifade operatör kullanılarak kolayca doğrulanabilir keyfi rotasyon koşul başına |j=2, m=2> Bunun sonucunda belirtilen durum, formun bir grup yeni temel durumunun doğrusal bir kombinasyonuna dönüşmelidir. |j=2,M j >(8.18). Bu grubun tamamı, aynı ağırlık faktörleriyle alınan dört spinörün akla gelebilecek tüm kombinasyonlarının tamamen simetrik doğrusal kombinasyonları olan durumlara karşılık gelir. Buna karşılık, bu doğrusal kombinasyonlardan, her iki momentin belirli izdüşümleri ile başlangıç ​​bazının durumlarını oluşturmak kolaydır.

|M| ile eski bazın durumlarının geri kalan antisimetrik doğrusal kombinasyonları

O. Belirli moment projeksiyonlarına sahip belirli bir 9 durum çarpımından oluşan belirli bir toplam moment değeri ve bunun projeksiyonuna sahip aynı sayıda yeni temel durum oluşturmak mümkündü. Momentlerin eklenmesine ilişkin kuantum mekaniği kurallarına tam uygun olarak, yeni oluşturulan durumlar kümesi, şu aralıkta yer alan toplam momentleri içerir: |l-s| l+s'ye.

8.6. Foton sınıflandırması

Bir vektör parçacığı için algoritmaya (8.15) göre listelenen toplam momentuma sahip durum kümesinin, dalga vektörü boyunca yönlendirilmiş polarizasyon vektörü ile "boyuna" durumları olmayan bir foton için gereksiz olduğu ortaya çıkar. Boyuna kutuplaşmanın "ekstra" durumlarını tanımlamak için bunların paritesini oluşturmak faydalıdır. İçin fiziksel özellikler varsayımsal "boyuna" foton değişmeden kaldığından, üzerinde gerçekleştirilen simetri dönüşümleri dalga vektörünü (ve ona paralel polarizasyon vektörünü) etkilememelidir. O. yalnızca dalga vektörü etrafında dönüşler mümkündür, bunun sonucunda nesnenin toplam momentine karşılık gelen simetri özellikleri sergilemesi gerekir J. O. foton dalga fonksiyonunun koordinat kısmı j mertebesinde bir küresel fonksiyon içermelidir. Vektörün yönünü etkilemeyen koordinat ters çevirme ile k küresel fonksiyon, tüm foton dalga fonksiyonunun paritesini tamamen belirler - (-1) j. "Gereksiz" olduğu ortaya çıkan ve üzerinin çizilmesi gereken şey, böyle bir eşitliğe sahip devlettir tam liste olası durumlar fotonlar: