Фотон — частица, являющаяся квантом электромагнитного поля и несущая определенную порцию энергии. Энергия фотона - одна из важнейших его характеристик. Давайте разберемся, от каких параметров зависит энергия фотона и как ее можно рассчитать.
История открытия фотона
Идея о том, что свет имеет корпускулярную природу, впервые была высказана Исааком Ньютоном в 17 веке. Однако в 19 веке после открытий Томаса Юнга и Августина Френеля получила распространение волновая теория света. Согласно ей, свет - это электромагнитные волны. Но в начале 20 века был открыт ряд явлений, которые волновая теория объяснить не могла. К таким явлениям относятся фотоэффект и давление света.
В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу о том, что свет имеет не только волновую, но и корпускулярную природу. Энергия света переносится отдельными порциями, квантами. Эти кванты света впоследствии получили название фотонов. Теория Эйнштейна прекрасно объяснила такие явления, как фотоэффект. А в 1923 году Артур Комптон экспериментально доказал, что фотоны обладают импульсом. Так зародилась квантовая теория света.
Формула для расчета энергии фотона
Как уже упоминалось, фотон является квантом электромагнитного излучения и переносит определенную порцию энергии. Величина этой энергии зависит от частоты электромагнитной волны:
E = hν
где E - энергия фотона, ν - частота электромагнитной волны, а h - постоянная Планка, равная 6,62607004 × 10-34 Дж·с.
Таким образом, чем выше частота излучения, тем больше энергия фотона. Например, фотоны видимого света несут энергию порядка 1-3 эВ, в то время как у жесткого гамма-излучения энергия фотонов может достигать нескольких МэВ.
Зависимость от длины волны
Поскольку частота и длина волны электромагнитного излучения связаны соотношением ν = c / λ, где c - скорость света в вакууме, а λ - длина волны, можно записать формулу для энергии фотона и через длину волны:
E = hc/λ
Отсюда видно, что энергия фотона обратно пропорциональна длине волны: чем меньше длина волны, тем больше энергия фотона. Например, фотоны ультрафиолетового излучения с длиной волны порядка 10-8 м несут гораздо большую энергию по сравнению с фотонами радиоволн с λ ~ 1 м.
Связь с импульсом
Как уже было сказано, у фотона есть не только энергия, но и импульс. Энергия и импульс фотона связаны соотношением:
p = E/c
где p - импульс фотона. Подставляя сюда уравнение Эйнштейна для энергии фотона, получаем формулу для импульса:
p = hν/c
"Энергия фотона" таким образом, как и импульс фотона, тоже зависит от частоты (длины волны) электромагнитной волны. Чем больше частота, тем больше импульс, который переносит фотон.
Экспериментальное определение
Для экспериментального определения энергии фотона обычно используется эффект Комптона. Суть его заключается в следующем:
- Пучок фотонов падает на электрон вещества
- Происходит упругое соударение фотона с электроном
- Фотон отклоняется от первоначального направления, теряя часть энергии
- По измеренному углу отклонения фотона можно рассчитать величину потерянной им энергии, а зная первоначальную энергию, найти исходную энергию фотона
Другим методом служит регистрация фотоэлектронов, выбиваемых фотонами из металла. По кинетической энергии этих фотоэлектронов можно найти энергию фотона, выбившего данный электрон.
Зависимость от среды распространения
Хотя фотоны и движутся в вакууме со скоростью света c, в вещественных средах их скорость уменьшается. Это приводит к тому, что в среде фотон обладает меньшей энергией и импульсом по сравнению с вакуумом. Связано это с тем, что в среде фотон как бы "одевается" и взаимодействует с веществом, теряя часть энергии.
Формулы для энергии и импульса фотона в среде имеют вид:
E = hν/n
p = hν/(nc)
Здесь n - показатель преломления среды. Чем больше n, тем меньше энергия фотона в данной среде по сравнению с вакуумом.
Применение фотонов
Несмотря на столь малые размеры и массу, фотоны нашли широкое практическое применение благодаря своим уникальным свойствам.
В частности, фотоны используются в таких областях, как:
- Лазерные технологии
- Передача информации по оптоволокну
- Фотоэлектрические преобразователи энергии
- Астрофизические исследования
- Медицинская диагностика и лечение
- Квантовые вычисления и криптография
Таким образом, несмотря на кажущуюся эфемерность, фотоны играют важнейшую роль во многих областях современной науки и техники. А формула Планка для энергии фотона лежит в основе всей квантовой теории излучения.
Воздействие фотонов на вещество
Благодаря своим уникальным свойствам, фотоны могут оказывать существенное воздействие на вещество. Рассмотрим некоторые примеры такого воздействия.
Фотоэлектрический эффект
При поглощении фотона электроном может происходить фотоэлектрический эффект - выбивание электрона из атома или молекулы. Явление фотоэффекта лежит в основе работы фотоэлементов, которые преобразуют световую энергию в электричество. Фотоэлементы широко используются в солнечных батареях.
Фотохимические реакции
Поглощая фотоны, молекулы веществ могут переходить в возбужденные состояния, активироваться, распадаться на радикалы. Это запускает разнообразные фотохимические реакции, которые лежат в основе процессов фотосинтеза, зрения, действия лазеров.
Давление света
Импульс фотона приводит к тому, что поток фотонов оказывает физическое давление на освещаемую поверхность. Это давление крайне мало, но играет важную роль в астрофизике - именно давлением излучения объясняют ускорение хвостов комет.
Деградация материалов
Высокоэнергетические фотоны могут разрывать химические связи в полимерных материалах, что приводит к их химическому распаду и физическому разрушению. Этот процесс называется фотодеструкцией или фотодеградацией. Он происходит под действием ультрафиолетового излучения Солнца и является одним из механизмов старения и разрушения пластмасс, резины, лакокрасочных покрытий.
Перспективы применения фотонов
Хотя фотоны уже сейчас активно используются в науке и технике, они обладают колоссальным потенциалом для дальнейшего применения благодаря своим уникальным квантовым свойствам.
Квантовые компьютеры
Разрабатываются принципиально новые типы компьютеров, использующих кубиты на основе отдельных фотонов. Такие квантовые компьютеры смогут решать задачи, недоступные для обычных компьютеров.
Квантовая криптография
Невозможность незаметно перехватить фотон без изменения его состояния используется в квантовой криптографии. Она позволит создавать абсолютно защищенные каналы связи по оптоволокну.
Квантовые измерения
Отдельные фотоны могут использоваться в новых приборах для точнейших измерений линейных и угловых величин, магнитных и электрических полей, гравитации.
Взаимодействие фотонов с веществом
Фотоны активно взаимодействуют с веществом, оказывая на него разнообразные воздействия. Давайте рассмотрим некоторые примеры такого взаимодействия более подробно.
Фотоионизация атомов и молекул
При поглощении высокоэнергетичного фотона валентный электрон может полностью покинуть атом или молекулу. Этот процесс называется фотоионизацией. Образовавшиеся ионы и свободные электроны играют важную роль в химических реакциях и физических процессах в космосе, верхних слоях атмосферы Земли.
Фотодиссоциация молекул
Молекулы многих веществ под действием фотонов определенных длин волн распадаются на фрагменты. Этот процесс носит название фотодиссоциации. Он важен для химии атмосферы, где запускает цепочки химических реакций под действием солнечного ультрафиолета.
Оптическая накачка лазеров
В лазерах для создания инверсной населенности используется оптическая накачка - облучение рабочего тела интенсивным светом от ламп-вспышек или других лазеров. Происходит перевод атомов и молекул в возбужденное состояние поглощением фотонов.
Фоторазрушение полимеров
Под действием фотонов ультрафиолетового излучения происходит химическое разрушение полимерных материалов - пластмасс, резин, лакокрасочных покрытий. Объясняется это разрывом химических связей и образованием свободных радикалов под действием фотонов.
Фотосинтез
Фотосинтез в растениях - это процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ. Происходит поглощение фотонов пигментами листьев и фотолиз воды с выделением кислорода.
Фотохромный эффект
Некоторые материалы под действием фотонов необратимо или обратимо меняют свою структуру и оптические свойства. Это используется в фотохромных очках, оптических запоминающих устройствах, датчиках освещенности.
