Чем отличается в физике фотон от кванта?
Квант — более общее понятие, элементарная частица.
А фотон это одна из разновидностей таких частиц.
ЧАСТИЦА СВЕТА.
Источник: физика
Остальные ответы
А вы проявите дедуктивный метод.
Каждый фотон является квантом. Но не каждый квант является фотоном.
Квант — неделимая порция какой-либо величины.
Фотон — квант светового излучения.
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
Кванты и фотоны
Физически кванты и фотоны — это одно и то же, а исторически разница между ними та же, что между призывником и солдатом, замыслом и воплощением.
Но вот что интересно: сделав решительный шаг вперед, Эйнштейн вместе с тем как бы отступил назад — во вчерашний день физики.
Биография фотона неожиданно связала вчера и сегодня в истории открытия элементарных частиц материи. Это двухвековая биография. Некоторые ее эпизоды только что и разворачивались перед нами. Теперь нужно вставить в их цепь начальное звено, чтобы цепь замкнулась, как в рассказе о всяком стоящем приключении, даже если это лишь приключение ищущей человеческой мысли.
Дело в том, что за двести лет до Эйнштейна частицы света уже существовали в науке. Они появились почти одновременно с волнами Гюйгенса. Их придумал Ньютон. Этим-то он и обогатил будущих «алхимиков», не сумев ничем помочь современникам. В отличие от волновой его теория света называлась «теорией истечения». Световым частицам он дал имя — корпускулы, что значило по-латыни «маленькие тела». Оттого и теория его получила второе название — корпускулярная. Так называют и сегодня фотонную теорию Эйнштейна.
Так что же — снова подтверждается старая поговорка: «Ничего нет нового под луной»? Тем наглядней подтверждается, что и мысль-то об излучении света как об истечении особого вещества была и во времена Ньютона вовсе не нова. Мы же застали Кеплера у дверей пражского казначейства как раз за размышлением на эту тему, а он ведь умер, когда Ньютон еще не родился!
Нет, не стоит все же безоговорочно полагаться на старую мудрость. Ньютон не повторял Кеплера, а Эйнштейн — Ньютона. Верно лишь одно: спор между идеями прерывности и непрерывности — очень старый спор в физической науке.
Кеплер думал, что световое вещество истекает непрерывно и движется с бесконечной скоростью. А во времена Ньютона Ремер уже доказал конечность скорости света. Ньютону виделась иная картина, чем Кеплеру: истечение прерывистого светового вещества. И при этом световые корпускулы разного цвета представлялись ему тельцами разной величины — красные были самыми большими, фиолетовые — самыми маленькими, и, соответственно своим размерам, они двигались, по его предположению, с разными скоростями.
Что еще мог сказать Ньютон о придуманных им корпускулах? Чтобы объяснить преломление света, он сказал, что корпускулы притягиваются веществом призмы. А для объяснения отражения света он снабдил их еще и противоположной способностью — отталкиваться от вещества. В объяснении нуждалось множество явлений, и с ньютоновыми корпускулами получалось примерно то же, что с эфиром: им надо было приписывать все новые и новые противоречивые качества.
Сознавая это, а еще больше, вероятно, предвидя будущие затруднения, Ньютон так же не настаивал на своей теории истечения, как и на дальнодействии через пустоту. «Я гипотез не строю». На том и на другом настаивали его ученики. Они были, как говорят в Риме, правовернее папы.
Весь XVIII век господствовала теория истечения, весь XIX век — теория волновая. В долгой борьбе Гюйгенс, казалось, навсегда победил Ньютона: волновая теория, хоть и опиравшаяся на предательский эфир, объясняла’ такие явления, в которых никак не могли быть повинны прямолинейно летящие корпускулы.
Вот одно из них, прекрасно описанное М. Минартом в его известной книге «Свет и цвет в природе»:
«. Ночь. Вдалеке шум автомобиля, приближающегося к нам. Его фары бросают ослепительные лучи света 1на широкую дорогу. Велосипедист случайно пересекает эти ослепительные лучи так, что мы на мгновенье оказываемся в его тени. И тогда внезапно силуэт велосипедиста обрисовывается удивительно красивым светом, как будто излучаемым краем силуэта. Тот же эффект можно наблюдать у пешеходов и у деревьев».
Но ведь это значит, что свет способен огибать препятствия? И не «как бы огибать», а действительно делать это.
Да. Совершенно так же, как морские волны огибают мол. Это называется дифракцией (все на той же ученой латыни). Однако поток световых частиц, как пригоршня с силой брошенных песчинок, загибаться за край преграды не мог бы. Это неотъемлемое свойство волн. Оно и принесло теории Гюйгенса торжество. Идеи Ньютона должны были отступиться.
Но. «никогда не должно пренебрегать предвидениями или гаданиями гениальных людей». Это сказал французский физик и астроном Араго. Замечательно, что сам он, крупный ученый, работая в середине XIX века над биографией Ньютона, не счел нужным хотя бы словом обмолвиться об его корпускулярной теории, — такой незыблемой казалась тогда теория волновая. Он пренебрег «предвидениями и гаданиями» Ньютона, хотя о гениальности его говорил на каждой странице.
Оказывается, чтобы не пренебрегать чем-нибудь, надо знать заранее, чего оно стоит!
Араго знал, что корпускулы света — вчерашний день физики, но он не знал, что они еще и предвидение. Такие вещи всегда узнаются задним числом. Когда появились кванты Планка и фотонная теория Эйнштейна, о забытых корпускулах Ньютона вспомнили все.
Но как раз теперь-то воспоминание о них уже ничего существенного не могло дать науке: в физических свойствах фотонов и старых корпускул не было почти ничего общего. Й фотоны появились не потому, что Эйнштейн вспомнил о Ньютоне раньше других, а потому, что одной волнообразно- стью света уже нельзя было объяснить новых фактов. Пришлось увидеть еще и прерывистый град там, где прежде усматривали лишь непрерывный ветер. Но всего удивительней — и об этом рассказ впереди, — что пришлось вернуться к частицам, не отвергая волн.
. Хотя цепь, пожалуй, и замкнулась, биография фотона на этом, конечно, не обрывается. Скорее, здесь только и начинается главное. Правда, это главное исторически вовсе не было связано с биографией частицы света: нам надо прикоснуться к физическим прозрениям еще одной революционной теории в естествознании XX века — теории относительности. Надо заглянуть в странный неклассический мир открытых ею законов движения материи. В наших «путевых заметках» без этого не обойтись. (Один остроумный философ говорил, что о гуляющем человеке никогда нельзя сказать, будто он делает крюк. Такой «крюк» и есть самый маршрут прогулки.)
Так попробуем, вопреки истории рождения идей теории относительности и вопреки общепринятым традициям рассказа о них, попробуем взять себе в провожатые по странному миру этих идей именно фотон, как одну из «первооснов материи». Может быть, тогда этот мир предстанет перед нами весомо, грубо и зримо — не как абстракция, а как физическая неизбежность.
Смотрите также:
Книга содержит сведения о жизни и деятельности ученых, внесших значительный вклад в развитие науки.
О физике
Эта книга адресована всем, кто интересуется физикой. В наше время знание основ физики необходимо каждому, чтобы иметь правильное представление об окружающем мире
И старшего. Школьного возраста. 2-е издание исправленное и дополненное. В этой книге Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках
В 1667 г. появилась книга И. Бехера «Подземная физика», в которой нашли отражение идеи автора о составных первоначалах сложных тел.
Последние добавления:
Единая теория электромагнитного излучения
В настоящее время теория света (электромагнитного излучения) состоит из двух частей – волновой теории света и квантовой теории света. Это очень неудобно, и, самое главное, в этом нет необходимости. Можно перейти к единой теории света. При этом переходе автоматически исправляются ошибки волновой теории света и квантовой теории света, существующие сейчас.
Современная теория электромагнитного излучения целиком построена на ошибочных первичных формулах. Основные формулы волновой теории света подогнаны под ответ, полученный из эксперимента. Этот позволило физикам вывести правильную математику, не зная самого физического явления. Однако в ряде случаев даже этот приём не помогает, поскольку в теории остались явные провалы. На этот случай в физике используется другой метод: неудобные проблемы, показывающие несовершенство теории, замалчиваются. Супер монополия официальной науки легко позволяет это делать, разумеется, для пользы всего общества.
Большинство людей находятся под влиянием такого информационного давления много лет, и верят в незыблемость электромагнитной теории света не потому, что это так и есть, а потому, что система образования построена таким образом.
Для того, чтобы понять, как можно перейти к единой теории электромагнитного излучения, пройдём по пути первооткрывателей, и повторим процесс открытия фотонов. Накопленные за три столетия знания позволяют найти ошибочные предположения, сделанные при анализе основных физических экспериментов.
Анализ процесса открытия фотонов
Квантовая оптика, предложенная М. Планком и развитая в дальнейшем А. Эйнштейном, не трансформировалась в единую теорию света потому, что не сопровождалась корректной физической моделью. Она не смогла объяснить важнейшие физические явления — отражение, преломление, дифракцию и интерференцию света. Простейшая задачка о полупрозрачном зеркале ставила квантовую оптику в тупик. Теория до сих пор не имеет ответа на вопрос — в чём заключается отличие квантов, прошедших зеркало, от квантов, отразившихся от него.
Ошибка квантовой теории света заключается в предположении о точечных размерах квантов света и бесструктурности фотона. Это предположение никогда не было выведено теоретически и никогда не было подтверждено экспериментально. Более того, позднее в квантовой физике появились экспериментальные данные, что квант имеет размеры, сравнимые с длиной волны. Предположение о сложном строении фотонов сейчас намного реальнее, чем предположение о бесструктурности фотона. Это предположение позволяет описать отражение, преломление, интерференцию и дифракцию электромагнитного излучения.
Официальная физика не может допустить предположение о сложной структуре фотонов по инерции. Для подтверждения сложной структуры квантов не надо даже ставить эксперименты, поскольку прямые эксперименты, показывающие сложное строение кванта давно проведены и хорошо известны. Это эксперименты по разложению кванта на составляющие его части.
«Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискетными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона .
Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии:
Фотон – элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света и имеет массу покоя, равную нулю». [3]
Точечный бесструктурный фотон или фотон, «размазанный» по пространству, не может обладать волновыми характеристиками.
Фотон, обладающий волновыми свойствами, должен иметь одновременно и сложную внутреннюю структуру и протяжённые размеры.
Для определения структуры фотона нужно было бы поставить физический эксперимент, но этот эксперимент давно проведён. Это эксперимент по разложению фотона на составляющие его части.
«При повышении энергии фотонов все более и более проявляется их корпускулярные свойства. Это наглядно проявляется в фотоэффекте, в эффекте Комптона, а при дальнейшем повышении энергии обнаруживается еще одно кардинальное свойство фотонов, заключающееся в том, что они превращаются в электрически заряженные частицы — электрон и позитрон (положительный электрон). Это явление возникает тогда, когда фотоны достигают энергии, величина которой удовлетворяет условию:
где — масса покоя электрона; — скорость света.
Такие фотоны вблизи ядер атомов превращаются в пару частиц: электрон и позитрон, а фотон исчезает. Таким образом, имеет место порождение заряженных частиц фотонами высоких энергий. Этот процесс принадлежит к числу таких процессов, когда происходят коренные преобразования вещества. При наблюдении в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, электронно-позитронная пара, порождаемая — фотоном, образует «вилку», являющуюся следом электрона и позитрона, как это схематически показано на рис. 1.
Рис. 1. След распада фотона в камере Вильсона.
В точке М камеры Вильсона происходит превращение фотона в электронно — позитронную пару. Под действием магнитного поля движущиеся электрон и позитрон отклоняются в противоположные стороны. При очень сильном магнитном поле траектории электрона и позитрона могут превратиться в окружности.
Наряду с порождением частиц фотонами высоких энергий может иметь место и обратный процесс — превращение электрона и позитрона в два или большее число — фотонов.
Этот процесс называется не вполне удачно аннигиляцией электрона и позитрона». [2]
Если бы фотон представлял собой бесструктурную частицу, то наличие любого количества энергии не служило бы поводом для его распада. Но если в состав фотона до его распада входила связанная электронно — позитронная пара, то наличие энергии равной, или большей условию (2), является принципиальным. Наличие такого количества энергии позволяет электрону и позитрону при определённых условиях получать собственную массу покоя и выходить из состава фотона, в котором они находились в связанном состоянии.
Таким образом, эксперимент по разложению фотона на составляющие его части показывает, что в состав кванта электромагнитного излучения входит связанная электронно – позитронная пара.
Вывод основного уравнения
единой теории электромагнитного излучения
Для перехода к единой теории света нужно сделать всего одно предположение – фотон сам обладает волновыми свойствами. Уже давно есть математический подход, позволяющий описать волновой процесс внутри единого кванта . Для этого нужно вывести вектор Умова – Пойнтинга для естественной единицы излучения – фотона. Сейчас этот вектор вычисляется для искусственной единицы площади в искусственную единицу времени.
Прежде, чем перейти к внутренней структуре фотона, попробуем выяснить, что такое свет: волна или квант, или квант с волновыми свойствами.
В волновой теории света предполагается, что система уравнений, описывающей свойства электромагнитной волны (3), полностью описывает свойства волны света.
Согласно уравнениям (3), вектора и в волне света изменяются синхронно, в одной фазе. Описать этими уравнениями квант света нельзя. Независимый колебательный процесс в таком кванте электромагнитного излучения невозможен (рис 2), поэтому в официальной физике существует две теории света: корпускулярная и волновая.
Рис. 2. Вектора и в бегущей электромагнитной волне изменяются в одной фазе.
Проблема объединения волновой и квантовой теории света решается просто – нужно или вообще отказаться от уравнений Максвелла (3), или ввести третий физический вектор, изменяющийся в противофазе по отношению к электрическому и магнитному векторам. Математическое описание это сильно не усложняет, но даёт возможность для независимого физического существования фотона, обладающего волновыми свойствами.
В электромагнитной теории есть такой вектор. Это импульс электромагнитного поля . Если воспользоваться принципом эквивалентности Эйнштейна, можно импульс электромагнитного поля преобразовать в гравитационный импульс .
«Аналогия между силами тяготения и силами инерции лежит в основе принципа эквивалентности гравитационных сил и сил инерции (принципа эквивалентности Эйнштейна): все физические явления в поле сил тяготения происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряжённости обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а прочие начальные условия для рассматриваемых тел одинаковы. Этот принцип является основой общей теории относительности».[3]
Из принципа эквивалентности Эйнштейна следует равенство инерционной и гравитационной масс:
В настоящее время это равенство доказано экспериментально с большой точностью. Из (4) следует равенство инерционного импульса и гравитационного импульса:
Инерционный импульс равен элементарному вектору Умова – Пойнтинга, гравитационный импульс кванта также ему равен.
где — вектор Умова – Пойнтинга каждого кванта электромагнитного излучения,
— гравитационная масса кванта, — скорость света.
В соответствии с (4), гравитационный импульс кванта можно преобразовать в гравитационную составляющую кванта:
Гравитационная составляющая кванта физически эквивалентна гравитационной массе кванта.
В единой теории электромагнитного излучения целесообразно ввести гравитационную проницаемость среды , в которой распространяется электромагнитное излучение. От величины гравитационной проницаемости зависит скорость света.
Система уравнений единой теории электромагнитного излучения состоит из трёх уравнений. Для этого к системе уравнений (9) добавляется уравнение (10), описывающее гравитационную составляющую кванта . Это уравнение было впервые предложено в [12], [ 13 ] и [14].
где e и m — диэлектрическая и магнитная проницаемости среды,
— гравитационная проницаемость среды,
— постоянная Планка, — скорость света.
Уравнение (10) даёт возможность существовать кванту с независимым внутренним колебательным процессом вследствие сдвига электромагнитной и гравитационной составляющей кванта на . Осцилляция в противофазе электромагнитной и гравитационной составляющей фотона даёт совершенно новые теоретические перспективы.
Возможность независимого колебательного процесса в каждом фотоне является принципиальным звеном, отличающим единую теорию света от волновой теории света.
В рамках единой теории света легко решаются нерешаемые проблемы электромагнитной теории:
1) Проблема поперечного направления электромагнитных колебаний.
В единой теории электромагнитного излучения направление колебаний электромагнитной составляющей в кванте является поперечным, а гравитационной – продольным.
2) Проблема поиска светового эфира.
Для колебаний кванта не нужно ни твёрдого эфира, ни физического вакуума, ни электромагнитного поля, поскольку колебания кванта являются внутренними. Соответственно, для объяснения существования света нет необходимости в поисках эфира или физического вакуума.
3) Закон сохранения энергии в кванте соблюдается автоматически – сумма гравитационной и электромагнитной энергии в кванте всегда равна общей энергии кванта.
4) В рамках единой теории света просто и наглядно объясняется отражение, преломление, интерференция и дифракция электромагнитного излучения.
Сложная структура фотона
В единой теории электромагнитного излучения фотон имеет сложную внутреннюю структуру. Только сложная структура светового кванта даёт возможность существования независимого колебательного процесса внутри каждого кванта света. Ширина фотона зависит от его фазы, но не превышает половину длины волны. При движении кванта света вдоль оси происходит постоянная осцилляция связанной электронно – позитронной пары, входящей в структуру кванта, что проявляется в изменении ширины кванта.
На (рис. 3) видно пять точек экстремума на протяжении длины волны: точки 0, , , , . Эти точки разбивают участок, равный на четыре интервала, в которых динамика векторов , и образует четыре не повторяющиеся комбинации.
Можно назвать эти четыре интервала условно фазами фотона и рассмотреть эти фазы последовательно.
Рис. 3. Четыре фазы движения светового кванта.
На (рис. 3) сплошной красной линией показан график изменения вектора гравитационной составляющей фотона . Прерывистыми чёрными линиями показаны графики изменения векторов и .
Рассмотрим последовательно четыре фазы движения фотона.
Первая фаза движения фотона: .
В первой фазе движения фотона происходит удаление электрона от позитрона со скоростью света в постоянно осциллирующей связанной электронно-позитронной паре, входящей в структуру фотона (рис. 4,б).
Рис. 4. Первая фаза движения кванта электромагнитного излучения и мгновенный срез структуры фотона в первой фазе.
В первой фазе, за счёт удаления электрона от позитрона увеличивается напряженность электрического поля кванта от нуля в точке 0 до максимума в точке . За счёт этого же процесса происходит увеличение напряженности магнитного поля кванта от нуля до максимума. Этот процесс происходит при движении кванта со скоростью света вдоль оси .
При движении кванта вдоль оси происходит постоянное уменьшение вектора гравитационной составляющей кванта от максимума в точке 0 до нуля в точке .
В первой фазе движения фотона энергия гравитационного поля фотона преобразуется в энергию электромагнитного поля фотона.
Осцилляция связанной электронно – позитронной пары и взаимное преобразование полей в кванте происходит со скоростью света .
Вторая фаза движения фотона: .
В этой фазе кванта происходит непрерывное уменьшение вектора напряженности электромагнитной составляющей кванта и за счёт сближения электрона и позитрона со скоростью света в постоянно осциллирующей связанной электронно-позитронной паре, входящей в структуру кванта, при его движении вдоль оси .
Максимальное значение электромагнитная составляющая кванта имеет в точке , и уменьшается до нуля в точке .
Во второй фазе кванта направление векторов и остаётся таким же, как и в первой фазе.
Рис. 5. Вторая фаза движения кванта электромагнитного излучения и мгновенный срез структуры фотона во второй фазе.
При движении кванта вдоль оси происходит непрерывное увеличение вектора гравитационного поля кванта от нуля в точке до максимума в точке .
Во второй фазе движения фотона энергия электромагнитной составляющей фотона преобразуется в энергию гравитационной составляющей фотона.
Третья фаза движения фотона: .
В этой фазе, при движении кванта электромагнитного излучения со скоростью света вдоль оси , происходит удаление электрона от позитрона со скоростью света в постоянно осциллирующей электронно-позитронной паре.
Рис. 6. Третья фаза движения кванта электромагнитного излучения и мгновенный срез структуры фотона в третьей фазе.
При движении фотона вдоль оси происходит увеличение напряженности электромагнитной составляющей кванта и от нуля в точке до максимального значения в точке .
Третья фаза отличается от первой фазы противоположным направлением осцилляции электронно – позитронной пары (рис.6,б) кванта.
При движении кванта вдоль оси происходит уменьшение напряжённости гравитационной составляющей кванта от максимального значения в точке до нуля в точке .
В третьей фазе движения фотона энергия гравитационной составляющей фотона преобразуется в энергию электромагнитной составляющей фотона.
Четвёртая фаза движения фотона: .
В этой фазе происходит уменьшение вектора напряженности электрической составляющей кванта за счёт сближения со скоростью света постоянно осциллирующей связанной электронно-позитронной пары, входящей в структуру фотона. За счёт этого же процесса происходит уменьшение вектора напряженности магнитной составляющей кванта . При движении кванта электромагнитного излучения вдоль оси со скоростью света от точки до точки , электромагнитное поле кванта уменьшается от максимума в точке до нуля в точке .
Рис. 7. Четвёртая фаза движения кванта электромагнитного излучения и мгновенный срез структуры фотона в четвёртой фазе.
В четвёртой фазе кванта направление векторов и остаётся таким же, как и в третьей фазе, но противоположным их направлению в первой и второй фазах. Это происходит потому, что электрон и позитрон в третьей и четвёртой фазе меняются местами по отношению к их положению в первой и второй фазах движения кванта (рис.7,б).
При движении кванта вдоль оси от точки до точки происходит постоянное увеличение напряжённости гравитационной составляющей кванта от нуля в точке до максимального значения в точке .
В четвёртой фазе энергия электромагнитной составляющей фотона преобразуется в энергию гравитационной составляющей фотона.
В точках 0, , и т.д., квант света существует только в виде гравитационной составляющей, в точках и квант света существует только в виде электромагнитной составляющей.
При описании электромагнитного излучения с позиций единой теории, можно использовать геометрическое изображение процесса, но это изображение принципиально отличается от его описания существующей геометрической оптикой. При геометрическом изображении траектории кванта света, необходимо учитывать ширину электромагнитной составляющей кванта света.
Единая теория электромагнитного излучения показывает возможность независимого существования фотона в виде частицы со сложной внутренней структурой и внутренним колебательным процессом. Это позволяет устранить проблемы и исправить ошибки в теории электромагнитного излучения, существующие сейчас.
Преобразование энергии внутри кванта электромагнитного излучения
В сложном кванте электромагнитного излучения существует внутренний колебательный процесс. В физике хорошо известен физический эксперимент аннигиляции фотона. Этот эксперимент показывает, что при определённых условиях фотон превращается в пару: электрон и позитрон. Это позволяет предположить, что электрон и позитрон существовали в составе фотона и до его аннигиляции. Известно, что между электроном и позитроном действуют силы притяжения, поэтому единственным способом их взаимного существования в фотоне является осцилляция. В этом случае в связанной электронно – позитронной паре будет осуществляться постоянный колебательный процесс. Именно с этим процессом связаны волновые свойства фотона.
Рассмотрим колебательный процесс в общем виде, и применим его для внутренних колебаний фотона.
Допустим, что существует тело, на которое действует сила:
Такой силе соответствует потенциальная энергия:
Движение тела под действием такой силы представляет собой колебания влево и вправо от положения равновесия. Согласно второму уравнению Ньютона, уравнение этих колебаний имеет вид:
Это уравнение имеет два частных решения:
Частные решения первых двух уравнений системы (9), позволяют описать поведение электрической и магнитной составляющей кванта электромагнитного излучения в виде (14) ((на рис.8) показано пунктирной линией).
Частное решение вида (15) позволяет описать изменение гравитационной составляющей кванта (показано сплошной красной линией).
Рис. 8. Изменение напряжённостей векторов , и в кванте электромагнитного излучения .
Кинетическая энергия в кванте электромагнитного излучения представлена электромагнитной составляющей и . Для кинетической энергии запишем общее решение в виде:
Кинетическая энергия в каждый момент времени равна:
Частота колебаний определяется формулой . Подставляя в выражение кинетической энергии, получим:
Потенциальная энергия в кванте электромагнитного излучения представлена гравитационной составляющей кванта .
Для потенциальной энергии запишем общее решение уравнения (13) в виде:
Потенциальная энергия в каждый момент времени равна:
Множитель перед тригонометрической функцией в выражении потенциальной и кинетической энергии одинаков.
Кинетическая энергия представлена в фотоне электромагнитной составляющей и . Функция выражает изменение кинетической энергии (рис.8).
Потенциальная энергия представлена в фотоне гравитационной составляющей . Функция выражает изменение потенциальной энергии (рис.8).
Рис. 9. Взаимное преобразование кинетической и потенциальной энергии в едином кванте электромагнитного излучения.
Функции и очень похожи одна на другую. Одна может быть получена из другой смещением по оси времени на . Где — период колебаний электромагнитной волны.
Кинетическая энергия , и потенциальная энергия , колеблется от максимального значения до нуля, причём, когда одна величина имеет максимальное значение, другая равна нулю.
Электрическая составляющая и магнитная составляющая кванта совершают колебания в одной фазе, поэтому на плоском графике (рис. 9) эти кривые совпадают (чёрная сплошная линия).
Функции и описывают колебания вокруг среднего значения, равного половине максимального.
Из формул (21) и (22) видно, что величина колеблется вокруг своего среднего положения, определяемого величиной от максимального уровня.
Уравнение (24) показывает, что сумма потенциальной и кинетической энергии системы кванта электромагнитного излучения, т.е. полная энергия системы кванта постоянна, что физически соответствует закону сохранения энергии.
Это означает, что единая теория электромагнитного излучения не противоречит закону сохранения энергии.
Существование кванта электромагнитного излучения сложной структуры с внутренним колебательным процессом даёт теории новые возможности. Этот физический принцип позволяет физически описать взаимодействие электромагнитного излучения с веществом во всех физических явлениях, что было невозможно в рамках электромагнитной теории.
Покажем, как единая теория электромагнитного излучения описывает процесс излучения и поглощения фотонов атомами вещества.
В квантовой теории света есть модель излучения и поглощения фотонов, которая математически точно описывает этот процесс. Но физический процесс излучения и поглощения фотонов не достаточно хорошо описан, поскольку не известна структура фотона, электрона, позитрона и их взаимное превращение, являющееся основой преобразования энергии атома вещества в энергию излучаемого фотона. Также не известен физический механизм перехода электрона с одной квантовой орбиты на другую.
Процесс излучения фотона покажем на примере атома водорода одной спектральной серии – например, серии Лаймана, и одной спектральной линии этой серии — например — эта линия соответствует длине волны . При переходе с четвертой боровской орбиты на первую, электрон излучает фотон с этой длиной волны.
Единая теория электромагнитного излучения имеет возможность описать физические процессы, происходящие при излучении фотона. Независимый принцип существования фотона, в составе которого есть постоянно осциллирующая связанная электронно – позитронная пара, позволяет описать физический процесс излучения фотона.
Для возникновения фотона, в соответствии с единой теорией электромагнитного излучения, необходимо наличие разности потенциалов двух квантовых орбит системы ядро — электрон (рис. 10).
Рис. 10. Излучение кванта сложной структуры и траектория осцилляции электронно – позитронной пары кванта.
Переход электрона с одной орбиты на другую одновременно с излучением фотона, связан с образованием пары частиц, уходящих в составе фотона: одна с отрицательным зарядом (электрон) и положительной массой, другая с положительным зарядом (позитрон) и отрицательной массой.
Так как электрон и позитрон находятся в связанном состоянии, сумма этих частиц обладает нулевой массой покоя и нулевым зарядом, поэтому для неё нет запрета на движение со скоростью света.
В единой теории электромагнитного излучения при образовании связанной электронно — позитронной пары, из электрического поля атома разность потенциалов квантовых орбит преобразуется в электрическую составляющую кванта . При этом, разноименно заряженные частицы электрон и позитрон, начинают двигаться друг к другу со скоростью света, поскольку обладают суммарной нулевой массой. В результате этого движения образуется магнитная составляющая кванта точно так же, как магнитное поле проводника образуется после включения тока.
Одновременно с этим, фотон начинает своё движение со скоростью света в направлении, перпендикулярном векторам электрической и магнитной составляющей фотона.
Электрон, существовавший на возбужденной орбите до излучения кванта, уходит в составе фотона вместе с позитроном, образовавшемся на основной орбите. На основной орбите остается электрон, образовавшийся из физического вакуума вместе с позитроном, ушедшим в составе фотона.
Поглощение фотонов
Покажем, как единая теория электромагнитного излучения описывает процесс поглощения фотонов атомами вещества.
Процесс поглощения кванта электромагнитного излучения покажем на примере атома водорода одной спектральной серии – например, серии Лаймана, и одной спектральной линии этой серии — например . Эта линия соответствует длине волны .
При поглощении кванта этой длины волны, электрон переходит с первой боровской орбиты на четвёртую.
Рис. 11. Траектория осцилляции электронно – позитронной пары фотона и его захват электроном, находящимся на квантовой орбите атома вещества.
Для физического процесса поглощения кванта электромагнитного излучения атомом вещества, необходимо наличие электрона на основной орбите, и свободной возбуждённой орбиты, отличающейся от орбиты, занятой электроном, на величину энергии кванта.
При прохождении электронно-позитронной пары кванта достаточно близко от электрона, находящегося на основной квантовой орбите атома вещества, за счёт сил притяжения между электроном вещества и позитроном фотона, возможен захват фотона атомом вещества.
При захвате фотона атомом вещества, электрическая составляющая кванта преобразуется в разность потенциалов квантовых орбит.
В результате этого процесса на основной квантовой орбите электрон и позитрон взаимно компенсируются, а на возбуждённой квантовой орбите появляется электрон, пришедший в составе кванта .
Таким образом, единая теория электромагнитного излучения даёт простой и понятный физический механизм поглощения и излучения кванта атомами вещества.
Литература
1. Фейнмановские лекции по физике. М., Издательство Мир, 1976.
2. Королев Ф.А. Курс физики. Оптика, атомная и ядерная физика: Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов. 2-е изд., перераб. М., Просвещение, 1974.
3. Трофимова Т. И. Курс Физики. «Высшая школа». М.,1997.
4. Ландсберг Г.С. Оптика 5 -е изд. М., 1976.
5. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М., «Советское радио» 1962.
6. Харрик Н., Спектроскопия внутреннего отражения, пер с англ., М., 1970.
7. Специальные электрические источники и преобразователи энергии; п/р д.т.н. Алиевского А.М. 2-е перераб. изд. М., Энергоатомиздат, 1993.
8. Советский энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия». 1985.
9. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М., «Высшая школа». 1995.
10. Калитиевский Н. И. Волновая оптика. 2-е. Изд., М., 1978.
11. Джеммер М. Понятие массы в классической и современной физике, пер. с англ. М.,
12. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Проектирование новых физических технологий. Вопросы оборонной техники. Научно — технический сборник. № 1-2. М., Н.Т.Ц. «Информтехника» 1995.
13. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Физическое моделирование электромагнитного излучения с применением гравитации. Тула, 1997.
14. Дрюков В.М. Илюхина Н.И. Единое физическое моделирование электромагнитного излучения. Тула, 1997.
15. Дрюков В.М. О чём молчат физики. Тула, 2004.
16. Дрюков В.М. Drjukow . narod . ru 2008.
Физики впервые увидели столкновение фотона с фотоном
Физики из коллаборации ATLAS впервые зарегистрировали эффект рассеяния квантов света, фотонов, на фотонах. Этот эффект — одно из старейших предсказаний квантовой электродинамики, он был описан теоретически более 70 лет назад, но до сих пор не был обнаружен экспериментально. Интересно, что он нарушает классические уравнения Максвелла, являясь чисто квантовым явлением. Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Nature Physics, однако препринт статьи вышел еще в феврале 2017 года. Подробности о нем сообщал портал «Элементы.ру»
Одно из главных свойств классической максвелловской электродинамики — принцип суперпозиции для электромагнитных полей в вакууме. Он позволяет напрямую складывать поля от разных зарядов. Так как фотоны — это возбуждения полей, то в рамках классической электродинамики они не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого они должны свободно проходить друг через друга.
Квантовая электродинамика расширяет действие классической теории на движение заряженных частиц с околосветовыми скоростями, кроме того она учитывает квантование энергии полей. Благодаря этому в квантовой электродинамике можно объяснить необычные явления, связанные с высокоэнергетичными процессами — например, рождение из вакуума пар электронов и позитронов в полях высокой интенсивности.
В рамках квантовой электродинамики два фотона могут столкнуться друг с другом и рассеяться. Но этот процесс идет не напрямую — кванты света незаряжены и не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого происходит промежуточное образование виртуальной пары частица-античастица (электрон-позитрон) из одного фотона, с которой и взаимодействует второй фотон. Такой процесс очень маловероятен для квантов видимого света. Оценить это можно из того, что свет от квазаров, удаленных на 10 миллиардов световых лет, достигает Земли. Но с ростом энергии фотонов вероятность процесса с рождением виртуальных электронов возрастает.
До сих пор интенсивности и энергий даже самых мощных лазеров не хватало для того, чтобы увидеть рассеяние фотонов напрямую. Однако исследователи уже нашли способ увидеть этот процесс косвенно, например, в процессах распада одного фотона на пару более низкоэнергетичных квантов вблизи тяжелого ядра атома.
Увидеть напрямую рассеяние фотона на фотоне удалось лишь в Большом адронном коллайдере. Процесс стал различимым в экспериментах после увеличения энергии частиц в ускорителе в 2015 году — с запуском Run 2. Физики коллаборации ATLAS исследовали процессы «ультрапериферийных» столкновений между тяжелыми ядрами свинца, разогнанными коллайдером до энергий 5 тераэлектронвольт на нуклон ядра. В таких столкновениях сами ядра не сталкиваются между собой напрямую. Вместо этого происходит взаимодействие их электромагнитных полей, в которых возникают фотоны огромных энергий (это связано с близостью скорости ядер к скорости света).
Ультрапериферийные столкновения отличаются большой чистотой. В них, в случае успешного рассеяния, возникает лишь пара фотонов с направленными в разные стороны поперечными импульсами. В противоположность этому обычные столкновения ядер образуют тысячи новых частиц-осколков. Среди четырех миллиардов событий, собранных ATLAS в 2015 году на статистике столкновений ядер свинца ученым удалось отобрать 13, соответствующих рассеянию. Это примерно в 4,5 раза больше, чем фоновый сигнал, который ожидали увидеть физики.
Коллаборация продолжит исследовать процесс в конце 2018 года, когда на коллайдере вновь пройдет сеанс столкновений тяжелых ядер. Интересно, что именно детектор ATLAS оказался подходящим для поиска редких событий рассеяния фотонов на фотонах, хотя для анализа столкновений тяжелых ядер был специально разработан другой эксперимент — ALICE.
Сейчас на Большом адронном коллайдере продолжается набор статистики протон-протонных столкновений. Недавно ученые отчитались об открытии на ускорителе первого дважды очарованного бариона, а еще весной физики коллаборации ATLAS рассказали о необычном избытке событий рождения двух бозонов слабого взаимодействия в области высоких энергий (около трех тераэлектроновольт). Он может указывать на новую сверхтяжелую частицу, однако статистическая значимость сигнала пока не превышает трех сигма.
Владимир Королёв
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Дважды магический изотоп кислорода 28O оказался нестабильным
Он распался на кислород 24O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.