О природе фотона

Размещено на http://allbest.ru

О природе фотона

Королёв Александр Иванович, магистр, редактор

Введение

Фотон был введён как квант (кусочек) электромагнитной волны [1]. Э/м волна в целом же характеризуется колебаниями напряжённостей. Фотоны рождаются и поглощаются атомами, в процессах взаимодействия элементарных частиц, а также отдельными элементарными частицами, движущимися ускоренно относительно среды распространения (“физического поля”).

Аналогом физического поля для механических волн является среда атомов и молекул. Известно, что поле в математике и других областях представляется некоторой статичной структурой, на которой могут проводиться операции или возникать движения. В физике есть старое понятие для такой условно статичной среды распространения электромагнитных волн - это т. н. “мировой эфир”. Оно соответствует понятию “поля” в общем смысле.

Электрические и магнитные поля в “эфире” являются таковыми только по отношению к медленным процессам. Когда рассматриваются источники “полей”, конечная скорость распространения, то правильнее говорить уже не о полях, а о течениях. Вообще говоря, движение и покой присущи всем физическим явлениям, важно эти понятия корректно применять. Когда речь идёт о малоизученной субстанции пространства, лучше ограничиться термином “среда”.

Метод оценки энергии и массы

Базовое понятие при рассмотрении любого физического явления - это энергия. Энергия определяется как мера движения и взаимодействия тел и делится в соответствие с этим на два главных типа: кинетическую и потенциальную. Существующие типы электромагнитных волн и течений показывают наличие у светоносной среды как продольной, так и поперечной упругости. В механике плотность энергии упругих колебаний некоторой частоты может быть выражена [2] через амплитуду колебательной скорости va (кинетическая часть) и амплитуду давления pa (потенциальная часть) (1).

(1)

Здесь с- плотность среды, в- коэффициент сжимаемости. Измеряемой на практике величиной является квадрат давления. Плотность потока энергии э/м волны же определяется вектором Пойтинга и в случае поляризованной монохроматической волны пропорциональна квадрату электрической напряжённости (2).

(2)

При этом движение светоносной среды не рассматривается, поэтому кинетическая часть энергии пропадает из виду.

Другим способом среднее по времени значение плотности энергии электромагнитной волны еem можно оценить, используя формулу Ланжевена [2] для отражения плоской звуковой волны от зеркала (3).

(3)

Здесь P- давление э/м волны на зеркало, R- коэффициент отражения. P и R определяются экспериментально. Получить из еem энергию одного фотона Ep можно делением на концентрацию фотонов n в падающем на зеркало коллимированном пучке (4).

, (4)

Здесь Nt - среднее число актов излучения атомов источника за время t в направлении на зеркало, измеряется экспериментально. s- площадь зеркала. Если использовать существенно расходящийся пучок, в формуле для концентрации нужно учесть угол расхождения.

Эффективную массу фотона можно получить путём измерения силы давления излучения на зеркало F. Если коэффициент отражения зеркала близок к 1, это будет (5):

(5)

Ввиду того, что структура фотона на настоящий день подлинно не известна, описанный метод можно использовать в первом приближении.

Свойства фотона

Рассмотрим полуклассическую теорию электронных орбиталей в атоме [3]. В модели атома Бора электроны рассматриваются в виде шариков, вращающихся вокруг ядра. фотон волна атом орбиталь

Энергия электрона, находящегося на n-ой орбите, обратно пропорциональна радиусу орбиты Rn (6):

(6)

Здесь k- коэффициент пропорциональности из закона Кулона, q- заряд ядра, e- заряд электрона. При волновом рассмотрении же электрон на орбитали представляется волной Де-Бройля с некоторой частотой и длиной волны лдБ. При этом устойчивые орбитали содержат целое число лдБ, что описывается соотношением (7):

(7)

Связь длины волны с частотой задаётся известным соотношением, в частности для электронной волны на n-ой орбитали это (8):

(8)

Здесь un- скорость движения электрона по орбитали. un находится при корпускулярном рассмотрении вращения электрона по круговой орбите в виде (9):

(9)

me- это масса электрона. Подстановка длины волны из (7) и скорости из (9) в (8) даёт:

, (10)

Энергия фотона, поглощённого или излучённого n-ой электронной орбиталью, в популярной теории равна произведению частоты на постоянную Планка [1]. Поэтому, согласно (10), она будет пропорциональна радиусу в степени -3/2. Но это не согласуется с обратной пропорциональностью в (6), что свидетельствует о пробеле в теории. В квантовой механике проблема не решается, а становится “неопределённой”.

В механике средняя по времени плотность энергии упругих волн может быть выражена через частоту [4] по формуле (11):

(11)

Здесь a- амплитуда колебаний частиц среды, щ- циклическая частота. Квантование упругой механической волны имеет физический смысл, если отдельный квант (фонон) соответствует упругому колебанию атома, молекулы, либо некоторой их агломерации. Энергию одного фонона при этом можно получить делением е на концентрацию фононов в волне. При этом сохранится пропорциональность квадратам амплитуды и частоты.

Зависимость от амплитуды. Из механики известно, что для импульсного возбуждения резонанса на некоторой частоте (тоне) имеет значение не только период импульса, но и его амплитуда (перемещения или ускорения). С увеличением амплитуды, помимо основного тона, начинают возбуждаться и другие частоты собственных колебаний объекта. Аналогичная ситуация должна быть и для электромагнитных волн. Атомные орбитали - это своего рода резонаторы, которые поглощают и испускают фотоны на собственных частотах. Величина скачка электрона с одного такого резонатора на другой должна зависеть не только от частоты поглощённой или излучённой частички э/м волны, но и от её амплитуды.

Зависимость от частоты. Механические резонансные характеристики, а также распределения коэффициента затухания звука по частоте имеют сходство со спектром излучения АЧТ. Это говорит о том, что электроны в атомах поглощают и излучают кванты э/м излучения в определённом частотном диапазоне подобно тому, как атомы в целом излучают и поглощают фононы.

Даже если рассмотреть упругие волны в электронном газе, т. е. электрический ток, можно найти схожие резонансные характеристики и распределения по частоте для модуля импеданса. Это показывает общность физических свойств волн разной природы. Резонансное поглощение не возникает для волн слишком низкой или слишком высокой частоты. Среда их поглощает по другим причинам.

Для электромагнитных волн на низких частотах степень поглощения определяется электрической проводимостью экрана (подвижностью электронов в его среде). На высоких - массивностью атомных ядер и их концентрацией. На средних частотах же поглощение и излучение характеризуются структурой электронных орбиталей. Фотоны в последнем случае можно назвать “атомными”.

Описанное сходство экспериментальных данных для различных волн позволяет получить следующее выражение для энергии фотона Ep (12):

(12)

Здесь - масса светоносной среды плотностью в объёме фотона, амплитуда фотона. При рассмотрении процессов излучения или поглощения, связанных с межорбитальными переходами.

Для звуковой волны связь квадрата амплитуды колебаний со средней плотностью энергии задаётся [3] как (13):

(13)

Здесь v- фазовая скорость, г- отношение теплоёмкости при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме. Связь е с амплитудой избыточного давления (14):

(14)

Используя подобие (2) и (14), получим, что плотность поляризованного, синфазного и монохроматического потока электромагнитной энергии должна быть (15):

(15)

В общем случае световой поток состоит из несвязанных кусочков волн- квантов, он подобен потоку звука от источника с переменной во времени и пространстве формой.

Вектор Пойтинга при этом можно использовать только для полей отдельных квантов.

Объём фотона зависит от формы и внутреннего строения. Рассмотрим модель фотона в виде элементарного сдвигового возмущения светоносной среды,- по аналогии с фононом поперечной звуковой волны. Амплитуда фотона при этом характеризует его ширину.

Толщина d же, как и у поперечного фонона, вблизи источника должна соответствовать его размеру (~2Rn для “атомного” фотона). Далее фотон должен расплываться, уменьшаясь в амплитуде, за исключением случая плоского волнового фронта.

Продольный размер фотона при выходе из источника определяется длиной волны . Объём фотона, таким образом, можно оценить как (16):

(16)

Выразив длину волны через частоту и скорость света c, получим для энергии фотона (17):

(17)

Выражение согласуется с популярной формулой в части пропорциональности первой степени частоты. Но при этом остаётся несоответствие, описанное в начале пункта. Это можно объяснить тем, что формула применима только на достаточном удалении от атома, когда фотон уже сформировался.

В процессе перехода электрона на другую орбиталь же только часть энергии уходит на образование фотона. Другая часть может уйти в ядро, передаться соседним орбиталям, а также светоносной среде в виде т. н. “нулевых колебаний”.

Амплитуду колебательной скорости частиц светоносной среды в фотоне можно найти как (18):

(18)

Заключение

Определив энергию фотона по методике из п. 2 для квазиплоской, поляризованной и монохроматической световой волны, можно по формуле (17) оценить его амплитуду. Плотность светоносной среды можно взять из астрофизических расчётов для плотности тёмной материи.

Толщина фотона будет равна размеру излучающей орбитали в атомах, которую можно оценить с помощью микроскопа. Если в эксперименте удастся создать синфазный пучок фотонов и провести прямое измерение амплитуды электрической напряжённости в нём, то можно проверить соотношение (15) для плотности потока э/м энергии и найти коэффициент пропорциональности.

Зная объём фотона, можно оценить массу светоносной среды в нём , которую следует отличать от эффективной массы .

Стоит сказать о характере движения фотонов. При рождении они вылетают по направлению действия побуждающей причины. Например, при вынужденном излучении рождающиеся фотоны сонаправлены поглощённым. Если же излучение “спонтанное” (вызвано возмущениями светоносной среды) или тепловое, критическое воздействие на возбужденную электронную орбиталь может прийти с любого направления.

Выход фотона из атома при этом будет равновероятен во всех направлениях. Затем, в процессе распространения фотон может менять изначальное направление из-за взаимодействия с препятствиями (дифракции), либо вместе со светоносной средой под действием гравитационного поля. При этом он ещё может поворачиваться, о чём говорят экспериментальные данные по поляризации.

Фотоны различаются как по частоте, так и по размерам. Слияние одночастотных фотонов воедино может привести либо к гашению, либо к увеличению амплитуды (интерференция).

Способность фотона к расширению в процессе распространения, сопровождающемуся снижением амплитуды, показывает возможность разделения его на части в виде новых фотонов. Множество фотонов по соседству образует большую электромагнитную волну. Помимо электромагнитных фотонов можно выделить электродинамические и магнитодинамические [5]- в виде кусочков соответствующих переменных полей (течений).

Создавать более точную теорию фотона затруднительно, пока достоверно не известна его структура, и не измерены основные физические параметры, такие как масса, амплитуда, размеры и, конечно, энергия. Настоящая статья проливает “частицу света” на физические свойства фотона.

Список литературы

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. -- М.. -- Т. IV. Оптика.

2. Энциклопедия физики и техники (сайт), URL: www.femto.com.ua.

3. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. -- М.; Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.

4. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. -- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.

5. Korolev A. I., Magnetodynamic waves in the air, JMMM, 327 (2013), p. 172-176.

Аннотация

О природе фотона. Королёв Александр Иванович, магистр, редактор

В статье рассмотрены физические свойства фотона, как кванта электромагнитной волны в среде. Дан метод экспериментальной оценки его энергии и массы на основе эффекта давления излучения. Введено понятие амплитуды фотона, через которую выражена энергия по аналогии с энергией кванта упругой механической волны (фонона). Рассмотрена модель фотона в виде элементарного сдвигового возмущения, на основе чего сделана оценка его объёма. Итоговое выражение для энергии соответствует общеизвестному в части пропорциональности первой степени частоты, но более информативно.

Ключевые слова: светоносная среда, электромагнитная волна, фотон, квант

Размещено на Allbest.ru