Фотон в физике

Свет имеет фундаментальное значение в мире, без него невозможна жизнь на Земле. В существовании света важную роль играют фотоны. Ведь именно фотоны, будучи частицами света, несут энергию, которая необходима для процессов фотосинтеза, благодаря которому растения производят кислород и становятся основой пищевой цепочки на планете. Кроме того, фотоны обеспечивают передачу информации через волоконно-оптические сети, поддерживая работу интернета и современных коммуникаций. Именно фотоны делают возможным использование солнечной энергии для производства электричества с помощью солнечных панелей. Таким образом, фотоны не только создают свет, который мы видим, но и оказывают большое влияние на развитие технологий.

Что такое фотон в физике

Фотон – это элементарная частица, которая является квантовой единицей света. Проще говоря, если представить свет как поток энергии, то фотон – это его минимальная «порция», которую невозможно разделить на более мелкие части. В школьной программе свет чаще всего описывают как волну, и это действительно одна из его сторон. Но в квантовой физике свет проявляет и другую природу – он ведёт себя как частица. Именно эту частицу называют фотоном.

С этой двойственной природой света учащиеся впервые подробно знакомятся в 11 классе, когда начинается изучение квантовой физики.

Полезная информация о фотоне

Фотоны обладают уникальными особенностями, которые привлекают ученых к их детальному изучению, заставляя по-новому взглянуть на законы физики. Давайте разберемся, что такого необычного в фотонах и почему без них невозможно представить современную науку.

Масса и скорость фотона

Как видите, фотоны – это не просто абстрактное понятие из учебника, а ключ к современным технологиям. После того как мы разобрали их определение, двойственную природу и поляризацию, пришло время изучить количественные характеристики этих удивительных частиц.

Здесь кроется один из самых интересных парадоксов квантовой физики. В отличие от всех других известных частиц. Масса покоя фотона строго равна нулю. Это не приближение, а точное значение, подтвержденное многочисленными экспериментами. Это означает, что фотон не может существовать в состоянии покоя – он всегда находится в движении.

Скорость фотона в вакууме постоянна: 299 792 458 м/с, то есть равна скорости света. Это максимально возможная скорость во Вселенной.

Частота фотона

Немаловажную роль в характеристике фотона играет его частота.

Частота – это количество колебаний электромагнитного поля в секунду, она определяет такие показатели, как:

• энергию фотона: чем выше частота, тем больше энергия;
• тип электромагнитного излучения.

Так, в зависимости от частоты различают такие виды волн:

• радиоволны: 3 кГц – 300 МГц;
• микроволны: 300 МГц – 300 ГГц;
• инфракрасное излучение: 300 ГГц – 400 ТГц;
• видимый свет: 400 ТГц – 790 ТГц;
• ультрафиолет: 790 ТГц – 30 ПГц;
• рентгеновское излучение: 30 ПГц – 300 ЭГц;
• гамма-излучение: >300 ЭГц.

Наш глаз может воспринимать очень малую часть спектра – от 400 ТГц до 790 ТГц. Все остальные частоты для нас невидимы без специальных приборов.

Частота в физике обозначается буквой ν («ню»).

Длина волны фотона

Перейдем к понятию длина волны, которое непрерывно связано с понятием частоты.

Длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями электромагнитной волны. Она обозначается буквой λ («лямбда») и обратно пропорциональна частоте:

λ = c / ν, где: 
λ  – длина волны (в метрах)
c –  3 × 10⁸ м/с (скорость света) 
ν – частота (в герцах)

Для каждого типа излучения определены диапазоны длин волн:

• радиоволны: 100 км – 1 м;
• микроволны: 1 м – 1 мм;
• инфракрасное излучение: 1 мм – 750 нм;
• видимый свет: 380 нм – 750 нм;
• ультрафиолет: 10 нм – 380 нм;
• рентгеновское излучение: 0,01нм –10 нм;
• гамма-излучение: <0,01 нм.

Энергия фотона

Важно понимать, что фотоны переносят дискретные порции энергии, которые определяют их воздействие на вещество.

Из ключевых особенностей можно выделить то, что энергия фотона зависит только от частоты излучения, а чем выше частота, тем больше энергия. Также энергия фотона определяет, какие процессы он может вызвать.

Так, например, видимый свет, о котором мы говорили ранее, возбуждает электроны в сетчатке глаза, запускает фотосинтез в растениях и участвует во многих других процессах. Ультрафиолет способен разрывать молекулярные связи, из-за чего происходит выцветание красок. Также именно он стимулирует выработку витамина D в коже. Рентген, в свою очередь, проходит сквозь мягкие ткани, но задерживается костями.

Формула энергии фотона

Разобравшись с тем, на что влияет энергия фотона, давайте узнаем как она вычисляется.

Энергию фотона можно точно рассчитать по фундаментальной формуле:

E = h × ν, где:
E – энергия фотона (в джоулях)
h = 6,626 × 10^-34 Дж·с (постоянная Планка)
ν – частота излучения (в герцах)

Также энергию фотона можно найти через длину волны фотона:

E = (h × c) / λ, где:
h = 6,626 × 10^-34 Дж·с (постоянная Планка)
c = 3 × 10⁸ м/с (скорость света)
λ – длина волны (в метрах)

Формулу для расчета энергии фотона часто используют на практике. Например, в астрономии – для определения температуры звезд по их спектру, в медицине – для подбора безопасной дозы УФ-облучения, в квантовой оптике – для расчета энергии лазерного импульса, и в других сферах.

Импульс фотона

​​Хотя фотоны не имеют массы, они обладают импульсом – это кажется парадоксальным, но подтверждается экспериментами.

Казалось бы, со школы мы привыкли, что импульс – это произведение массы на скорость (p = mv). Но в квантовом мире все иначе. Импульс фотона проявляется не через массу, а через его волновую природу. ​​Это можно сравнить с ветром: хотя воздушный поток сам по себе не имеет твердой массы, он способен двигать парусные суда и вращать лопасти ветрогенераторов. Аналогично фотоны, не обладая массой, передают свой импульс при столкновении с поверхностью.

Импульс фотона возникает не из-за механического движения массы, а как характеристика электромагнитного поля, переносящего энергию и количество движения через пространство. На практике это явление используется в лазерном охлаждении, в солнечных парусах и оптических пинцетах.

это интересно

20+ лучших онлайн-курсов ЕГЭ по физике

Подборка платных и бесплатных курсов ЕГЭ по физике и рекомендации экспертов по их выбору

Подробнее

Формула импульса фотона

Теперь, когда мы поняли физический смысл, перейдем к математическому описанию импульса фотона. Импульс фотона рассчитывается по формуле:

p = h / λ, где: 
p – импульс фотона (кг×м/с)
λ – длина волны (в метрах)
h = 6,626 × 10^-34 Дж/с (постоянная Планка)

Для точных расчетов используется связь между энергией и импульсом фотона:

p = E / c = hν / c, где:
p – импульс фотона (кг×м/с)
E – энергия фотона (в джоулях)
c = 3 × 10⁸ м/с (скорость света)
h = 6,626 × 10^-34 Дж/с (постоянная Планка)
ν – частота излучения (в герцах)

Свойства фотона

Мы уже говорили об особенностях фотона, о его характеристиках, о важных понятиях в теме фотон. Рассмотрим основные свойства фотона.

Фотоны обладают уникальным сочетанием квантовых и волновых свойств. Не имея массы покоя, они тем не менее переносят энергию и импульс, всегда двигаясь со скоростью света. Эти частицы демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм – в разных экспериментах проявляют себя то как волны (интерференция, дифракция), то как частицы (фотоэффект, комптоновское рассеяние). Особый интерес представляет их спиновая природа и способность к поляризации, что широко используется в оптических технологиях.

Наиболее удивительное свойство – квантовая запутанность: пары фотонов могут образовывать связанные состояния, когда изменение одного мгновенно влияет на другой, независимо от расстояния. Это явление, названное Эйнштейном жутким действием на расстоянии, лежит в основе квантовой криптографии и новых вычислительных технологий. При этом фотоны остаются электрически нейтральными и не взаимодействуют друг с другом в вакууме, что делает их идеальными переносчиками квантовой информации.

Задачи по теме «Фотон»

Теперь, когда мы разобрались со всей теорией по теме, давайте применим полученные знания на практике.

Задача 1

Фотон видимого света имеет частоту 5×10¹⁴ Гц. Рассчитайте его энергию. Ответ выразите в джоулях.

Задача 2

Длина волны фотона в вакууме равна 600 нм. Чему равна его частота? 

Задача 3

Фотон имеет длину волны 400 нм. Чему равен его импульс?

Задача 4

Во сколько раз энергия фотона фиолетового света (λ = 400 нм) больше энергии фотона красного света (λ = 700 нм)? 

Задача 5

В статье сказано, что фотон в одних экспериментах ведет себя как частица, а в других – как волна. Как вы думаете, почему ученые не могут сказать, что фотон – это только частица или только волна? Приведите примеры из статьи, подтверждающие каждое из этих свойств.

Ответы к задачам

Ниже приведено подробное решение каждой задачи. 

Задача 1

Формула энергии фотона:

E = h × ν, где h = 6,626 × 10^-34 Дж/с (постоянная Планка), ν = 5 × 10¹⁴ Гц

Подставляем: E = 6,626 × 10^-34 × 5 × 10¹⁴ = 3,313 × 10^-19 Дж

Ответ: 3,313 × 10^-19 Дж

Задача 2

Мы знаем, что длины волны находится по формуле: λ = c / ν

Тогда: ν = c / λ,
где c = 3 × 10⁸ м/с (скорость света), λ = 600 нм = 600 × 10^-9 м

Подставляем: ν = 3 × 10⁸ / 600 × 10^-9 = 5 × 10¹⁴ Гц

Ответ: 5 × 10¹⁴ Гц

Задача 3

Формула импульса фотона: p = h / λ,
где h = 6,626 × 10^-34 Дж×с, λ = 400 нм = 400 × 10^-9 м

Подставляем: p = 6,626 × 10^-34 / 400 × 10^-9 = 1,656 × 10^-27 кг×м/с

Ответ: 1,656 × 10^-27 кг×м/с

Задача 4

Мы знаем, что энергия фотона обратно пропорциональна длине волны: E = hc/λ

Тогда отношение энергий можно выразить так: 

E₁ / E₂ = λ₂ / λ₁ = 700 нм / 400 нм = 1,75

Ответ: в 1,75 раза

Задача 5

Статья показывает, что фотон обладает двойственной природой. Как частица он вызывает фотоэффект (выбивает электроны), а как волна создает интерференцию на дифракционной решетке. Это называется корпускулярно-волновым дуализмом. Оба свойства важны для технологий. Так, например, волновые – в оптоволоконной связи, а корпускулярные – в солнечных батареях.

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Анастасия Заслонова, учитель физики первой квалификационной категории: