Toplam foton enerjisi. Foton dinlenme kütlesi

Bir atomdan daha az

Foton, kendisini oluşturan parçalara bölünemeyen nükleer altı bir mikro nesnedir. Kendine ait bir kütlesi yoktur ve elektriksel olarak nötrdür. Bu, elektromanyetik radyasyonun en küçük, bölünmez parçacığıdır. Foton

ışık hızında hareket eder ve yalnızca hareket halinde bulunur. Onu durdurmak imkansızdır. Durgun kütlesi sıfırdır, yani ya ışık hızında hareket eder ya da hiç yoktur. Hareketsiz kalamaz. Bazı bilim adamlarına göre foton parçacık değil, elektromanyetik dalgadır. Ancak bu görüş tartışmalıdır.

Işığın doğası hakkında

Işığın gözle görülmeyen çok küçük parçacıklardan oluştuğu fikrini ortaya atan ilk bilim adamı Arap yetkili Ebu el-Heysem oldu. Bu fikrini 1021 yılında yazdığı “Optik Kitabı”nda dile getirmiştir. Yüzlerce yıl sonra, 1873'te İngiliz bilim adamı Maxwell bu alanda devrim yarattı. Işığın elektromanyetik dalgalar olduğu sonucuna vardı. Doğru, o zamanlar teorisi bazı yönlerden

doğru değildi. Dahası, çeşitli elektromanyetik olayları incelerken başka bir mantıksal sonuca ulaştı. En önemli keşfi, ışığın kaçınılmaz olarak bir engele baskı uyguladığıydı. Bu olay, hareket eden fotonların momentumlarını yol boyunca karşılaştıkları moleküllere veya atomlara aktarması gerçeğine dayanmaktadır. Maxwell'in bu açıklaması N.P. Bir fotonun momentumu Planck sabitinin ışığın dalga boyuna oranına eşittir. Bu, p=h/λ formülüyle ifade edilebilir.

Kullanılıyor... fotonlar

Belki bir süre sonra insanlık tamamen gazdan, petrolden veya kömürden çok daha ucuz ve daha verimli olacak yeni bir enerji kaynağı türüne geçiş yapacaktır. Zaten hemen hemen her yerde bulunduğunu söylemek yeterli. Diğer şeylerin yanı sıra, bu enerji kaynağı tekelleştirilemez, bu da gaz, elektrik vb. kullanımına göre birçok avantaj sağlayacaktır. Nedir? Bu foton enerjisidir. Zaten güneş enerjisi kullanılarak kullanılıyor

piller. Foton enerjisi Planck sabiti ile radyasyon frekansının çarpımıdır. Bu şu formülle ifade edilebilir: e=hv. Bu durumda v harfi fotonun frekansını belirtir. Yer seviyesinde güneş ışınımının yoğunluğu metrekare başına yaklaşık bin watt'tır. Gezegenimize en yakın yıldızdan gelen bu güçlü ve sürekli foton akışı, elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. Nasıl? Çapı genellikle 12,5 cm olan, silikondan yapılmış, eğimli köşelere sahip düz bir kare düşünün. Bu bir fotoelektrik dönüştürücüdür. Tek veya çok kristalli olabilir. Bu tür parçalardan güneş panelleri yapılır. Foton enerjisini elektriğe dönüştürürler. Dönüştürücünün verimliliği türüne ve yapısına bağlı olarak yüzde 5 ila 17 arasında değişebiliyor. Buna rağmen güneş ışığı (foton enerjisi olarak okunur) ümit verici bir bedava elektrik kaynağıdır. Avrupa'daki birçok eve onu geri dönüştüren özel paneller yerleştirildi. Daha etkileyici bir örnek verilebilir: Çağımızda aküsü güneş ışığından şarj edilen arabalar ortaya çıktı.

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 çevremizdeki 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'dir ve bu Evren'deki mümkün olan maksimum hızdır.

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.

Bazıları ise fotonun elektrik yüküne sahip olduğuna inanıyor (bazı kaynaklara 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 bir foton, bir cam prizmadan veya bir engeldeki küçük bir delikten geçerken 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 hiçbiri?

Daha öte. Modern fizikte foton, elektromanyetik radyasyonun bir kuantumunu (bölümünü) temsil eden temel bir parçacıktır.. Işık aynı zamanda elektromanyetik radyasyondur ve fotonun ışığın 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 foton enerjileri ile karakterize edilir. 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. Ama öyle mi? 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?

Önümüzde fotonla ilgili beş kafa karıştırıcı soru var. 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 görüşe 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 göstermektedir. Örneğin, gama radyasyonu her türlü engele kolayca nüfuz eder ve görünür radyasyon da bu engeller tarafından kolayca durdurulur.

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 modern bilimde henüz böyle bir derecelendirme mevcut 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. Ancak referans literatürdeki radyasyon parametrelerindeki değişikliklerle birlikte foton parametrelerinin de değiştiğini kabul etmek gerekir.

Durum, genel “araba” konseptinin tüm markalarına uygulanmasına benziyor. Ancak bu markalar farklı. Lada, Mercedes, Volvo veya Toyota satın alabiliriz. Hepsi "araba" kavramına uyuyor ancak görünüm, teknik özellikler ve maliyet açısından hepsi farklı.

Bu nedenle, gama radyasyonunun taşıyıcıları olarak gama radyasyonunun fotonlarını, x-ışını radyasyonunu - x-ışını radyasyonunun fotonlarını, ultraviyole radyasyonu - ultraviyole radyasyonunun fotonlarını vb. önermemiz mantıklı olacaktır. 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. Sanki bariyerin maddesine vidalanıyormuş gibi, maddenin moleküllerini ve atomlarını atlayarak 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 vb. dönüştürülür.

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

Nükleer patlama ve zarar verici etkisinin bölgeleri

Nükleer bir patlama sırasında, birkaç saniye içinde, bir gama radyasyonu fotonları akışı, yaklaşık 3 km'lik bir mesafeye kadar çevreye nüfuz eder. 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. Buna göre fotonların akışı, nükleer patlamanın zararlı faktörlerinin (delici radyasyon, ışık radyasyonu ve yangınlar) ortaya çıkmasına neden olur.

“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 veya dalga değil, çeşitli koşullar altında parçacıkların boyutuna sıkıştırılabilen veya aynı zamanda bir dalganın özelliklerini sergileyerek gerilebilen bir yaydır.

Fotonların radyasyonun 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. Evrendeki en küçük parçacık değildir ancak eterik girdap pıhtılarından ve enerji parçalarından oluşur.

Bunun fotonun biraz beklenmedik ve alışılmadık bir yorumu olduğunu anlıyorum. Ancak, dünyanın genel gelişme süreçleriyle bağlantısı olmadan, yıllar önce kabul edilen genel kabul görmüş kurallardan ve varsayımlardan yola çıkmıyorum. 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 Engler'e verildi - nötr bir bozon, Nobel ödüllü L. Lederman'a "Tanrı'nın bir parçacığı", yani bu temel ilke, çevremizdeki tüm dünyanın inşa edildiği ilk tuğla deniyordu. 2012 yılında, yine iki bağımsız bilimsel topluluk, yüksek hızlarda çarpışan proton ışınları üzerine deneyler yaparken, neredeyse aynı anda, 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 demek bile zor.

Üstelik “Tanrı parçacığı”ndan bahsedeceksek, onun bizi çevreleyen her şeyde yer alması ve tüm evreni oluşturan bağımsız, uzun ömürlü ve minimum mümkün hacimli bir varlığı temsil etmesi gerektiğini açıkça anlamak gerekir. Dünyamızın bilinen parçacıkları.

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 sağduyuya aykırı olmadığını düşünüyorum. 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 anlayamıyorum, yine de Higgs bozonu derin inancıma göre "Tanrı parçacığı" kapsamına girmiyor.

Foton başka bir konudur. Bu harika parçacık, gezegendeki insan yaşamını tamamen değiştirdi.

Çeşitli radyasyonların fotonları sayesinde çevremizdeki dünyayı görüyoruz, güneş ışığının ve sıcaklığın tadını çıkarıyoruz, müzik dinliyoruz ve televizyon haberleri izliyoruz, teşhis ve tedavi ediyoruz, metalleri kontrol edip kusurlarını tespit ediyoruz, uzaya bakıp maddenin derinliklerine nüfuz ediyoruz, insanlarla iletişim kuruyoruz. uzaktan telefonla konuşuyorlardı… Fotonsuz bir hayat düşünülemezdi. Onlar sadece hayatımızın bir parçası değiller. Onlar bizim hayatımızdır.

Aslında fotonlar İnsan ile çevresindeki dünya arasındaki iletişimin ana aracıdır. Yalnızca onlar etrafımızdaki dünyaya dalmamıza ve görme, koku, dokunma ve tat alma yardımıyla onu anlamamıza ve onun güzelliğine ve çeşitliliğine hayran olmamıza izin veriyor. Bütün bunlar onların, yani fotonların sayesinde.

Ve ilerisi. 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, 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- Yüksek Güçlerin bize verdiği bu muhteşem hediye hakkında. Ama o zaman bile, yalnızca alegorik olarak. Çünkü Tanrının parçacıkları olamaz. Tanrı bir ve bütündür ve hiçbir parçaya bölünemez.

Modern yorumunda kuantum hipotezi, enerjinin e Bir atomun veya molekülün titreşimleri eşit olabilir H v, 2 H v, 3 Hν, vb., ancak 'nin katları olan ardışık iki tam sayı arasındaki aralıkta enerjili salınımlar yoktur. Bu, yüzyıllardır inanıldığı gibi enerjinin sürekli olmadığı, aksine sürekli olduğu anlamına gelir. nicemlenmiş , yani yalnızca kesin olarak tanımlanmış ayrık kısımlarda bulunur. En küçük kısma denir enerji kuantumu . Kuantum hipotezi aynı zamanda atomik-moleküler düzeyde titreşimlerin herhangi bir genlikte meydana gelmediğini ifade eden bir ifade olarak da formüle edilebilir. Kabul edilebilir genlik değerleri salınım frekansıyla ilgilidir ν .

1905'te Einstein, kuantum hipotezini genelleştiren ve bunu yeni bir ışık teorisinin (fotoelektrik etkinin kuantum teorisi) temeli haline getiren cesur bir fikir öne sürdü. Einstein'ın teorisine göre , frekanslı ışıkν Sadece yayılan Planck'ın varsaydığı gibi ama aynı zamanda madde tarafından ayrı kısımlar (kuantum) halinde yayılır ve emilir kimin enerjisi. Bu nedenle, ışığın yayılması sürekli bir dalga süreci olarak değil, uzayda lokalize olan ve boşlukta ışığın yayılma hızında hareket eden ayrı bir ışık kuantumu akışı olarak düşünülmelidir ( İle). Elektromanyetik radyasyonun kuantumu denir foton .

Daha önce de söylediğimiz gibi, üzerine gelen radyasyonun etkisi altında bir metalin yüzeyinden elektronların yayılması, ışığın elektromanyetik bir dalga olduğu fikrine karşılık gelir, çünkü Elektromanyetik dalganın elektrik alanı metaldeki elektronlara etki eder ve bazılarını devre dışı bırakır. Ancak Einstein, dalga teorisi ile ışığın foton (kuantum parçacık) teorisinin öngördüğü fotoelektrik etkinin ayrıntılarının önemli ölçüde farklı olduğuna dikkat çekti.

Böylece yayılan elektronun enerjisini dalga ve foton teorisine dayanarak ölçebiliriz. Hangi teorinin tercih edileceği sorusunu yanıtlamak için fotoelektrik etkinin bazı ayrıntılarını ele alalım.

Dalga teorisiyle başlayalım ve şunu varsayalım: plaka tek renkli ışıkla aydınlatılıyor. Işık dalgası aşağıdaki parametrelerle karakterize edilir: yoğunluk ve frekans(veya dalga boyu). Dalga teorisi, bu özellikler değiştiğinde aşağıdaki olayların meydana geleceğini öngörmektedir:

· artan ışık yoğunluğuyla birlikte, dışarı atılan elektronların sayısı ve maksimum enerjileri artmalıdır, çünkü daha yüksek ışık yoğunluğu, elektrik alanının daha büyük genliği anlamına gelir ve daha güçlü bir elektrik alanı, elektronları daha fazla enerjiyle fırlatır;

elektronları nakavt etti; Kinetik enerji yalnızca gelen ışığın yoğunluğuna bağlıdır.

Foton (parçacık) teorisi tamamen farklı bir şeyi öngörüyor. Her şeyden önce, tek renkli bir ışındaki tüm fotonların aynı enerjiye (eşit) sahip olduğunu not ediyoruz. H v). Bir ışık ışınının yoğunluğunun arttırılması, ışındaki fotonların sayısının artması anlamına gelir, ancak frekans değişmeden kalırsa enerjileri etkilenmez. Einstein'ın teorisine göre, tek bir foton metalle çarpıştığında bir elektron metalin yüzeyinden kopar. Bu durumda fotonun tüm enerjisi elektrona aktarılır ve fotonun varlığı sona erer. Çünkü elektronlar çekici kuvvetler tarafından metalde tutulur; bir elektronu metal yüzeyinden dışarı çıkarmak için minimum enerji gerekir; A(buna iş fonksiyonu denir ve çoğu metal için birkaç elektron volt mertebesindedir). Gelen ışığın frekansı ν küçükse, fotonun enerjisi ve enerjisi metalin yüzeyinden bir elektronu çıkarmak için yeterli değildir. Eğer öyleyse, elektronlar metalin yüzeyinden dışarı uçar ve Böyle bir süreçte enerji korunur, yani foton enerjisi ( Hν) yayılan elektronun kinetik enerjisi artı elektronun metalden dışarı atılması işinin toplamına eşittir:

Denklem (2.3.1) denir Einstein'ın dış fotoelektrik etki denklemi.

Bu düşüncelere dayanarak, ışığın fotonik (parçacık) teorisi aşağıdakileri öngörür.

1. Işık yoğunluğundaki bir artış, metal yüzeyinden daha fazla elektronu yok eden gelen fotonların sayısında bir artış anlamına gelir. Ancak fotonun enerjisi aynı olduğundan elektronun maksimum kinetik enerjisi değişmeyecektir ( onaylanmış BEN fotoelektrik etki kanunu).

2. Gelen ışığın frekansı arttıkça elektronların maksimum kinetik enerjisi Einstein'ın formülüne (2.3.1) göre doğrusal olarak artar. ( Onayla II fotoelektrik etki kanunu). Bu bağımlılığın grafiği Şekil 2'de sunulmaktadır. 2.3.

,

Pirinç. 2.3

3. Eğer ν frekansı kritik frekanstan küçükse, o zaman elektronlar yüzeyden dışarı atılmaz (III) kanun).

Böylece parçacık (foton) teorisinin tahminlerinin dalga teorisinin tahminlerinden çok farklı olduğunu ancak fotoelektrik etkinin deneysel olarak belirlenmiş üç yasasıyla çok iyi örtüştüğünü görüyoruz.

Einstein'ın denklemi Millikan'ın 1913-1914'te gerçekleştirdiği deneyleriyle doğrulandı. Stoletov'un deneyinden temel farkı metal yüzeyin vakumda temizlenmesidir. Maksimum kinetik enerjinin frekansa bağımlılığı incelendi ve Planck sabiti belirlendi H.

1926'da Rus fizikçiler P.I. Lukirsky ve S.S. Prilezhaev, fotoelektrik etkiyi incelemek için vakumlu küresel kapasitör yöntemini kullandı. Anot, cam küresel bir silindirin gümüş kaplı duvarlarından oluşuyordu ve katot bir toptu ( Rİncelenen metalden ≈ 1,5 cm) kürenin merkezine yerleştirilir. Elektrotların bu şekli, akım-gerilim karakteristiğinin eğimini arttırmayı ve böylece gecikme gerilimini daha doğru bir şekilde belirlemeyi mümkün kıldı (ve sonuç olarak, H). Planck sabitinin değeri H Bu deneylerden elde edilen değerler, diğer yöntemlerle (siyah cisim radyasyonundan ve sürekli X-ışını spektrumunun kısa dalga boyu kenarından) bulunan değerlerle tutarlıdır. Bütün bunlar Einstein'ın denkleminin ve aynı zamanda fotoelektrik etkiyle ilgili kuantum teorisinin doğruluğunun kanıtıdır.

Planck, termal radyasyonu açıklamak için ışığın kuantumlar tarafından yayıldığını öne sürdü. Einstein fotoelektrik etkiyi açıklarken ışığın kuantumlar tarafından emildiğini öne sürdü. Einstein ayrıca ışığın kuantum yoluyla yayıldığını da ileri sürdü. porsiyonlar halinde. Işık enerjisinin kuantumuna denir foton . Onlar. yine parçacık (parçacık) kavramına geldik.

Einstein'ın hipotezinin en doğrudan doğrulanması, Bothe'nin tesadüf yöntemini kullanan deneyi tarafından sağlandı (Şekil 2.4).

Pirinç. 2.4

İnce metal folyo F iki gaz deşarj sayacı arasına yerleştirilir SCH. Folyo, zayıf bir X-ışını ışınıyla aydınlatıldı ve etkisi altında kendisi bir X-ışını kaynağı haline geldi (bu olaya X-ışını floresansı denir). Birincil ışının yoğunluğunun düşük olması nedeniyle folyo tarafından yayılan kuantum sayısı azdı. Quanta tezgaha çarptığında mekanizma tetiklendi ve hareketli kağıt bant üzerine bir işaret yapıldı. Yayılan enerji, dalga kavramından da anlaşılacağı gibi her yöne eşit olarak dağıtılsaydı, her iki sayacın da aynı anda çalışması gerekecek ve bant üzerindeki işaretler birbirinin karşısında olacaktı. Gerçekte, işaretlerin tamamen rastgele bir düzeni vardı. Bu ancak bireysel emisyon eylemlerinde, bir yönde veya başka bir yönde uçan hafif parçacıkların ortaya çıkmasıyla açıklanabilir. Özel ışık parçacıklarının (fotonların) varlığı deneysel olarak bu şekilde kanıtlandı.

Bir fotonun enerjisi vardır . Görünür ışık için dalga boyu λ = 0,5 µm ve enerji e= 2,2 eV, X-ışınları için λ = µm ve e= 0,5 eV.

Fotonun eylemsiz kütlesi vardır , ilişkiden bulunabilir:

Foton ışık hızında hareket eder C= 3·10 8 m/s. Bu hız değerini göreceli kütle ifadesinde yerine koyalım:

.

Foton, dinlenme kütlesi olmayan bir parçacıktır. Ancak ışık hızıyla hareket ederek var olabilir. .

Enerji ile foton momentumu arasındaki bağlantıyı bulalım.

Momentumun göreli ifadesini biliyoruz:

Ve enerji için:

İnsanlar uzun zamandır herhangi bir maddenin özelliklerinden birinin kütle olduğu gerçeğine alışmışlardır. Sadece gezegenler ve yıldızlar gibi büyük nesnelerde değil, aynı zamanda onların görünmez mikro dünyadaki analoglarında da - protonlar ve elektronlar - doğasında var. Efendim bir zamanlar bir cismin sahip olduğu kütleler arasındaki ilişkiyi zekice kanıtlamıştı. Onun teorisi çerçevesinde gök mekaniği hesaplamaları halen başarıyla yapılmaktadır. Newton teorisinin yaratılmasından bir süre sonra, bazı olayların açıklanamaz kalması nedeniyle, önemli değişikliklere ihtiyaç duyuldu. A. Einstein bu sorunu “özel teorisini” formüle ederek çözdü. Aynı zamanda, enerji, kütle ve enerji arasındaki ilişkiyi gösteren ünlü E=m*(c*c) formülü ortaya çıktı. Formül parçacıklara uygulandığında, fotonun kütlesinin sıfır olduğu kısa sürede anlaşıldı. İlk bakışta sağduyuya aykırı gibi görünse de durum tam olarak budur. Hareket hızı sıfır olan bir fotonun kütlesi sıfırdır. Ancak bir parçacık 300 bin km/s hıza ulaştığında normal kütlesine kavuşur. Ancak son zamanlarda foton kütlesinin hâlâ sıfır olduğuna inanılıyor. Ve H*v = m*(c*c) formülünden çıkan değer şudur: Peki foton kütlesi gerçekte neye eşittir? Gerçekten bir formül var. Ancak daha karmaşıktır ve hesaplama, belirli bir parçacığın momentumunun değeri üzerinden yapılır.

Bir fotonun enerjisi E, H*v'ye eşit olduğundan, kütle aşağıdaki formülden belirlenebilir:

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

Ancak foton, aslında hafif olduğundan, temelde "s"den (300 bin km/s) daha düşük hızlarda var olamayacağına göre, yukarıda bulunan kütle yalnızca hareket durumu için doğrudur.

Dürtü şu şekilde bulunabilir:

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

Momentumun varlığı enerjiyi gösterir. Nitekim bir yaz gününde elinizi güneş ışınlarının altına koyarsanız sıcaklığı açıkça hissedersiniz. Bu olay, yüksek hızda hareket eden belirli bir kütleye sahip bir parçacığın enerji aktarımıyla açıklanabilir. Işıkla ilgili olarak gözlemlenen şey tam olarak budur. Bir fotonun kütlesi ve momentumunun bu kadar önemli olmasının nedeni budur, ancak bu durumda tanıdık kavramlarla işlem yapmak her zaman mümkün değildir.

Işığın doğası ve hesaplamaların nasıl yapılacağı hakkında çok sayıda İnternet forumunda tartışmalar var. Açıkçası, bir fotonun kütlesinin ne olduğu sorusu henüz kapalı sayılamaz. Yeni modeller, gözlemlenen süreçlerin tamamen farklı bir şekilde açıklanmasını mümkün kılmaktadır. Bilimde bu her zaman olur: Örneğin, ilk başta Newton'un teorisinin eksiksiz ve mantıklı olduğu düşünülüyordu, ancak çok geçmeden bir takım değişikliklerin gerekli olduğu anlaşıldı. Buna rağmen, insanların karanlıkta görmeyi enstrümanlar yardımıyla öğrendikleri bilinen özellikleri kullanmalarına hiçbir şey engel değildir; süpermarket kapıları ziyaretçilere otomatik olarak açılıyor; optik ağlar daha önce benzeri görülmemiş dijital veri iletim hızlarına ulaşmayı mümkün kıldı; ve özel cihazlar güneş ışığının enerjisini elektriğe dönüştürmeyi mümkün kıldı.

Durgun bir fotonun neden kütlesi yoktur (ve hiç yoktur)? Bunun birkaç açıklaması var. İlk olarak, bu sonuç formüllerden çıkar. İkincisi, ışık ikili bir yapıya sahip olduğundan (hem dalga hem de parçacık akışıdır), o zaman kütle kavramının radyasyona tamamen uygulanamayacağı açıktır. Üçüncüsü mantıklı: Hızla dönen bir tekerlek hayal edin. İçine bakarsanız, jant telleri yerine bir tür sis, pus görebilirsiniz. Ancak dönüş hızını azaltmaya başladığınız anda, bulanıklık yavaş yavaş kaybolur ve tamamen durduktan sonra yalnızca jant telleri kalır. Bu örnekte pus, "foton" adı verilen bir parçacıktır. Yalnızca hareket halinde ve kesin olarak tanımlanmış bir hızda gözlemlenebilir. Hız 300 bin km/s'nin altına düşerse foton kaybolur.