Berechnung der Energie eines Photonenquants elektromagnetischer Strahlung. Photonenenergie. Welle-Teilchen-Dualität des Photons

Photon – Elementarteilchen, Quantum elektromagnetische Strahlung.

Photonenenergie: ε = hv, wobei h = 6,626 · 10 -34 J s – Plancksches Wirkungsquantum.

Photonenmasse: m = h·v/c 2 . Diese Formel ergibt sich aus den Formeln

ε = hv und ε = m·c 2. Die Masse, definiert durch die Formel m = h·v/c 2, ist die Masse des sich bewegenden Photons. Das Photon hat keine Ruhemasse (m 0 = 0), da es nicht im Ruhezustand existieren kann.

Photonenimpuls: Alle Photonen bewegen sich mit der Geschwindigkeit c = 3·10 8 m/s. Offensichtlich ist der Photonenimpuls P = m c, was bedeutet

P = h·v/c = h/λ.

4. Externer photoelektrischer Effekt. Strom-Spannungs-Kennlinien des photoelektrischen Effekts. Stoletovs Gesetze. Einsteins Gleichung

Der äußere photoelektrische Effekt ist das Phänomen der Emission von Elektronen durch einen Stoff unter Lichteinfluss.

Die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung im Stromkreis wird als Strom-Spannungs-Kennlinie der Fotozelle bezeichnet.

1) Die Anzahl der pro Zeiteinheit von der Kathode ausgestoßenen Photoelektronen N’ e ist proportional zur Intensität des auf die Kathode einfallenden Lichts (Stoletovs Gesetz). Oder anders ausgedrückt: Der Sättigungsstrom ist proportional zur Leistung der auf die Kathode einfallenden Strahlung: Ń f = P/ε f.

2) Die maximale Geschwindigkeit V max, die ein Elektron beim Austritt aus der Kathode hat, hängt nur von der Lichtfrequenz ν und nicht von seiner Intensität ab.

3) Für jeden Stoff gibt es eine Grenzfrequenz des Lichts ν 0, unterhalb derer der photoelektrische Effekt nicht beobachtet wird: v 0 = A out /h. Einsteins Gleichung: ε = A out + mv 2 max /2, wobei ε = hv die Energie des absorbierten Photons ist, A out die Austrittsarbeit des Elektrons ist, das die Substanz verlässt, mv 2 max /2 die maximale kinetische Energie von das emittierte Elektron.

Einsteins Gleichung ist tatsächlich eine der Formen, das Energieerhaltungsgesetz zu formulieren. Der Strom in der Fotozelle stoppt, wenn alle emittierten Fotoelektronen abgebremst werden, bevor sie die Anode erreichen. Dazu ist es notwendig, an die Fotozelle eine Sperrspannung (Haltespannung) anzulegen, deren Wert sich ebenfalls aus dem Energieerhaltungssatz ergibt:

|e|u з = mv 2 max /2.

5. Leichter Druck

Unter Lichtdruck versteht man den Druck, den Licht ausübt, das auf die Oberfläche eines Körpers fällt.

Betrachten wir Licht als einen Photonenstrom, dann müssen Teilchen nach den Prinzipien der klassischen Mechanik beim Aufprall auf einen Körper Impuls übertragen, also Druck ausüben. Dieser Druck wird manchmal Strahlungsdruck genannt. Um den Lichtdruck zu berechnen, können Sie die folgende Formel verwenden:

P = W/z (1+ P), wobei W die Menge an Strahlungsenergie ist, die normalerweise in 1 s auf 1 m2 Oberfläche einfällt; c ist die Lichtgeschwindigkeit, P- Reflexionsfaktor.

Wenn Licht in einem Winkel zur Normalen einfällt, kann der Druck durch die Formel ausgedrückt werden:

6. Compton-Effekt und seine Erklärung

Der Compton-Effekt (Compton-Effekt) ist das Phänomen der Änderung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung aufgrund ihrer Streuung durch Elektronen.

Für die Streuung an einem stationären Elektron beträgt die Frequenz des gestreuten Photons:

Dabei ist der Streuwinkel (der Winkel zwischen den Richtungen der Photonenausbreitung vor und nach der Streuung).

Die Compton-Wellenlänge ist ein Längendimensionsparameter, der für relativistische Quantenprozesse charakteristisch ist.

λ С = h/m 0 e c = 2,4∙10 -12 m – Compton-Wellenlänge des Elektrons.

Der Compton-Effekt kann nicht im Rahmen der klassischen Elektrodynamik erklärt werden. Aus Sicht der klassischen Physik ist eine elektromagnetische Welle ein kontinuierliches Objekt und sollte aufgrund der Streuung an freien Elektronen ihre Wellenlänge nicht ändern. Der Compton-Effekt ist ein direkter Beweis für die Quantisierung Elektromagnetische Welle, mit anderen Worten, bestätigt die Existenz eines Photons. Der Compton-Effekt ist ein weiterer Beweis für die Gültigkeit des Welle-Teilchen-Dualismus von Mikropartikeln.

Es liegt in der Natur des Menschen, die Gesetze, nach denen wir leben, erklären zu wollen. die Umwelt. Zu Beginn des Bewusstseins wurde alles Beobachtete einer ganzen Reihe verschiedener Donner, Blitze und Winde zugeschrieben – sie alle verdanken ihr Erscheinen den Gottheiten. Dann wich die Mystik der Wissenschaft. Obwohl es noch in den Kinderschuhen steckte, erlaubte es es dennoch bereits neugierige Köpfe Teil erklären Naturphänomen, ohne auf Götter zurückzugreifen. Von besonderem Interesse war sichtbares Licht. In Versuchen, es irgendwie zu erklären, wurde vermutet, dass er es sei kontinuierlicher Fluss einige winzige Teilchen-Körperchen. I. Newton hielt an diesem Modell fest und verteidigte es aktiv. Und da es ein Teilchen gibt, muss es auf irgendeine Weise charakterisiert werden.

Jeder weiß das, wenn man die Hand darunter legt Sonnenstrahlen, dann wird einem warm. Es ist bekannt, dass dies aufgrund der Strahlung möglich ist. Doch wie genau überträgt Strahlung Wärme? So wurde zunächst die Photonenenergie entdeckt indirekte Methode. Und das Teilchen selbst wurde als „Lichtquant“ bezeichnet. Photonenenergie wird häufig verwendet Moderne Technologie: Sie ist es beispielsweise, die in großen Einzelhandelsgeschäften den automatischen Türöffnungsmechanismus auf den Markt bringt.

Möglichkeit des Unmöglichen

Ein Photon ist also ein Lichtteilchen, ein Energiequantum. Jedoch weitere Forschung Zweifel an der Genauigkeit des Korpuskularmodells aufkommen lassen. Zuerst wies Huygens auf einige ungewöhnliche Eigenschaften hin, und dann entdeckte Jung mit seinen Experimenten mit mehreren Schlitzen das Phänomen der Interferenz und bewies auf dieser Grundlage brillant ... die Wellennatur des Lichts. Es scheint, dass wir dem ein Ende setzen können, aber es stellte sich heraus, dass alles viel komplizierter war. Es ist kaum zu glauben, aber ein Photon weist gleichzeitig die Eigenschaften eines Teilchens und einer Welle auf. Das Ergebnis eines jeden Experiments hängt von den Erwartungen des Forschers selbst ab. Gedanke und Absicht verwandeln ein Teilchen irgendwie in eine Welle und wieder zurück. Die Photonenenergie bleibt unverändert und kann im Rahmen der klassischen elektromagnetischen Theorie berechnet werden.

Der Begriff „Lichtgeschwindigkeit“ steht in direktem Zusammenhang mit Photonen. Tatsächlich beträgt die Geschwindigkeit, mit der sich diese masselosen Teilchen bewegen, 300.000 km/s. Ihre Existenz ist untrennbar mit Bewegung verbunden: Auch wenn sie entstehen, bewegen sich Photonen und bilden einen Strahl.

Photonenenergie

Energie, Geschwindigkeit und Masse werden durch das berühmte E=mc2 miteinander in Beziehung gesetzt. Wenn wir es mit dem Planckschen Wirkungsquantum ergänzen, erhalten wir:

wobei v die Wellenlänge ist Lichtstrahlung(Photonenfrequenz); h ist das Plancksche Wirkungsquantum.

Wir wiederholen das seitdem dieses Teilchen existiert nur in Bewegung, dann ist der resultierende Wert genau für einen solchen Zustand anwendbar.

Offensichtlich nimmt mit zunehmender Frequenz auch die Energie zu. Jedoch menschliches Auge ist in der Lage, Photonen mit relativ kleinen Abmessungen einzufangen eigene Energien. Dies wird durch den Wert des Planckschen Wirkungsquantums erklärt, das durch eine Zahl mit der -34. Potenz dargestellt wird, was eine extrem niedrige Energie ergibt. Die intensivste Farbe ist beispielsweise Grün. Aber selbst seine Energie beträgt 4*10 hoch -19 Joule.

Nachwort

Der Übergang von der klassischen Mechanik zur modernen Quantenmechanik, in der nahezu alle Prozesse der Mikrowelt im Rahmen geeigneter Modelle erklärt werden können, dauerte bis in die 1900er Jahre. Ein Teil der Physiker hielt an dem fest, was Einstein zum Ausdruck brachte, während der andere an dem von Maxwell vorgeschlagenen Wellenmodell des Lichts festhielt. Endlich moderne Leistung das Photon wurde nach einem Experiment mit seiner Streuung an einem Elektron festgestellt (da sich dieses außerhalb des Atoms befindet, ist das Konzept der Energiehüllen auf es nicht anwendbar).

Das Photon ist ein masseloses Teilchen und kann nur im Vakuum existieren. Auch er hat keine elektrische Eigenschaften, das heißt seine Ladung gleich Null. Je nach Betrachtungskontext gibt es die Möglichkeit verschiedene Interpretationen Photonenbeschreibungen. In der Klassik (Elektrodynamik) wird es als elektromagnetische Welle mit zirkularer Polarisation dargestellt. Auch das Photon weist die Eigenschaften eines Teilchens auf. Diese duale Vorstellung davon nennt man Welle-Teilchen-Dualität. Andererseits beschreibt die Quantenelektrodynamik das Photonenteilchen als ein Eichboson, das die Bildung ermöglicht elektromagnetische Wechselwirkung.

Unter allen Teilchen im Universum hat das Photon die größte Zahl. Spin (intrinsisches mechanisches Moment) des Photons gleich eins. Außerdem kann ein Photon nur aus zwei bestehen Quantenzustände, von denen einer eine Spinprojektion in eine bestimmte Richtung gleich -1 und der andere gleich +1 hat. Gegeben Quanteneigenschaft Das Photon spiegelt sich in seiner klassischen Darstellung als Transversalität einer elektromagnetischen Welle wider. Die Ruhemasse eines Photons ist Null, was seine Ausbreitungsgeschwindigkeit impliziert. gleich der Geschwindigkeit Sweta.

Ein Photonenteilchen hat keine elektrischen Eigenschaften (Ladung) und ist ziemlich stabil, das heißt, das Photon ist nicht in der Lage, im Vakuum spontan zu zerfallen. Dieses Teilchen wird in vielen Fällen emittiert physikalische Prozesse, zum Beispiel beim Umzug elektrische Ladung mit Beschleunigung, sowie Energiesprünge des Atomkerns oder des Atoms selbst von einem Zustand in einen anderen. Auch bei umgekehrten Prozessen kann ein Photon absorbiert werden.

Welle-Teilchen-Dualität des Photons

Der dem Photon innewohnende Welle-Teilchen-Dualismus manifestiert sich in zahlreichen Formen physikalische Experimente. Photonenteilchen nehmen an Wellenprozessen wie Beugung und Interferenz teil, wenn die Größe von Hindernissen (Spalten, Blenden) mit der Größe des Teilchens selbst vergleichbar ist. Dies macht sich besonders bei Experimenten mit der Beugung einzelner Photonen an einem einzelnen Spalt bemerkbar. Der Punkt und die Korpuskularität des Photons manifestieren sich auch in den Prozessen der Absorption und Emission durch Objekte, deren Abmessungen viel größer sind. weniger Länge Photonenwellen. Andererseits ist die Darstellung eines Photons als Teilchen aber auch nicht vollständig, da sie durch Korrelationsexperimente, die auf verschränkten Zuständen von Elementarteilchen basieren, widerlegt wird. Daher ist es üblich, ein Photonenteilchen auch als Welle zu betrachten.

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Quellen:

• Photon 1099: Alles rund ums Auto

Hauptsächlich Quantum Nummer- Das ist ein Ganzes Nummer, was eine Definition des Zustands eines Elektrons auf dem Energieniveau ist. Das Energieniveau ist ein Satz stationäre Zustände Elektron in einem Atom mit ähnlichen Energiewerten. Hauptsächlich Quantum Nummer bestimmt den Abstand eines Elektrons vom Kern und charakterisiert die Energie der Elektronen, die diese Ebene einnehmen.

Die Menge der Zahlen, die den Zustand charakterisieren, nennt man Quantenzahlen. Wellenfunktion Elektron in einem Atom, sein einzigartiger Zustand wird durch vier Quantenzahlen bestimmt – Haupt-, Magnet-, Orbital- und Splintquantenzahl – das Bewegungsmoment des Elementars, ausgedrückt in quantitativer Wert. Hauptsächlich Quantum Nummer hat n .Wenn das Hauptquantum Nummer zunimmt, dann erhöhen sich die Umlaufbahn und die Energie des Elektrons entsprechend. Wie weniger Wert n, die mehr Wert Energieinteraktion Elektron Wenn die Gesamtenergie der Elektronen minimal ist, wird der Zustand des Atoms als unerregt oder Grundzustand bezeichnet. Zustand des Atoms mit hochwertig Energie heißt angeregt. Auf höchstem Niveau Nummer Elektronen können durch die Formel N = 2n2 bestimmt werden. Wenn ein Elektron von einem Energieniveau in ein anderes übergeht, ist das Hauptquantum Nummer.IN Quantentheorie die Aussage, dass die Energie des Elektrons quantisiert ist, also nur diskrete, bestimmte Werte. Um den Zustand eines Elektrons in einem Atom zu kennen, müssen die Energie des Elektrons, die Form des Elektrons und andere Parameter berücksichtigt werden. Aus der Gegend natürliche Zahlen, wobei n gleich 1 und 2 und 3 usw. sein kann, das Hauptquantum Nummer kann jeden beliebigen Wert annehmen. In der Quantentheorie Energieniveaus durch Buchstaben bezeichnet, der Wert n - durch Zahlen. Nummer des Zeitraums, in dem sich das Element befindet, gleich der Zahl Energieniveaus in einem Atom im Grundzustand. Alle Energieebenen bestehen aus Unterebenen. Die Unterebene besteht aus Atomorbitale, die durch das Hauptquant bestimmt und charakterisiert werden Nummer m n, Orbital Nummer m l und Quantum Nummer m ml. Die Anzahl der Unterebenen jeder Ebene überschreitet nicht n. Die Schrödinger-Wellengleichung ist die bequemste elektronische Struktur Atom.

Die Quantenphysik wurde zu einem großen Impuls für die Entwicklung der Wissenschaft im 20. Jahrhundert. Der Versuch, die Wechselwirkung kleinster Teilchen mit Hilfe der Quantenmechanik ganz anders zu beschreiben, als einige Probleme der klassischen Mechanik bereits unlösbar schienen, brachte eine echte Revolution hervor.

Gründe für die Entstehung der Quantenphysik

Physik – beschreibt die Gesetze, nach denen die Welt funktioniert. Die Newtonsche oder klassische Sprache entstand im Mittelalter und ihre Prämissen waren bereits in der Antike zu finden. Es erklärt perfekt alles, was in einem vom Menschen wahrgenommenen Maßstab ohne zusätzliche Informationen geschieht Messgeräte. Doch als die Menschen begannen, die Mikro- und Makrowelt zu studieren und zu erforschen, wie das funktioniert, sahen sie sich mit vielen Widersprüchen konfrontiert winzige Partikel, aus denen die Materie besteht, und die sie umgebenden Riesengalaxien dem Menschen lieb Die Milchstrasse. Es stellte sich heraus, dass die klassische Physik nicht für alles geeignet ist. So entstand die Quantenphysik – die Wissenschaft der Quantenmechanik und Quantenfeldsysteme. Technik für das Studium der Quantenphysik – das sind Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie. Sie werden auch in anderen verwandten Bereichen der Physik verwendet.

Grundprinzipien der Quantenphysik im Vergleich zur klassischen

Für diejenigen, die sich gerade erst kennenlernen Quantenphysik, seine Bestimmungen erscheinen oft unlogisch oder sogar absurd. Wenn man jedoch tiefer in sie eintaucht, ist es viel einfacher, die Logik nachzuvollziehen. Der einfachste Weg, die Grundprinzipien der Quantenphysik zu erlernen, besteht darin, sie mit der klassischen Physik zu vergleichen.

Wenn in der Klassik angenommen wird, dass die Natur unveränderlich ist, egal wie Wissenschaftler sie beschreiben, dann in Quantenphysik Das Ergebnis der Beobachtungen hängt stark davon ab, welche Messmethode verwendet wird.

Gemäß den Newtonschen Gesetzen der Mechanik, die die Grundlage der klassischen Physik bilden, ist ein Teilchen (bzw materieller Punkt) hat zu jedem Zeitpunkt eine bestimmte Position und Geschwindigkeit. IN Quantenmechanik das ist nicht so. Es basiert auf dem Prinzip der Überlagerung von Abständen. Das heißt, wenn Quantenteilchen kann in einem und einem anderen Zustand sein, es bedeutet, dass es auch in einem dritten Zustand sein kann – der Summe der beiden vorherigen (dies wird genannt). lineare Kombination). Daher ist es unmöglich, genau zu bestimmen, wo sich das Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Sie können nur die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass sie irgendwo ist.

Wenn drin klassische Physik Sie können eine Bewegungsbahn erstellen physischer Körper, dann gibt es im Quantenbereich nur eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die sich im Laufe der Zeit ändert. Außerdem liegt das Maximum der Verteilung immer dort, wo es durch die klassische Mechanik bestimmt wird! Dies ist sehr wichtig, da es erstens ermöglicht, den Zusammenhang zwischen Klassik und Klassik nachzuvollziehen Quantenmechanik und zweitens zeigt es, dass sie sich nicht widersprechen. Wir können sagen, dass die klassische Physik ein Sonderfall der Quantenphysik ist.

Wahrscheinlichkeit tritt in der klassischen Physik dann auf, wenn der Forscher einige Eigenschaften eines Objekts nicht kennt. In der Quantenphysik ist die Wahrscheinlichkeit von grundlegender Bedeutung und unabhängig vom Grad der Unwissenheit immer vorhanden.

IN klassische Mechanik Für ein Teilchen sind beliebige Energie- und Geschwindigkeitswerte zulässig, in einem Quantenteilchen sind jedoch nur bestimmte Werte, „quantisiert“, zulässig. Sie heißen Eigenwerte, von denen jeder seinen eigenen Zustand hat. Ein Quantum ist ein „Teil“ einer Größe, der nicht in Komponenten zerlegt werden kann.

Ein von fundamentale Prinzipien Quantenphysik – Heisenbergs Unschärferelation. Der Punkt hier ist, dass es keine Möglichkeit gibt, gleichzeitig die Geschwindigkeit und die Position eines Teilchens zu bestimmen. Man kann nur eines messen. Darüber hinaus gilt: Je besser das Gerät die Geschwindigkeit eines Teilchens misst, desto weniger weiß man über seine Position und umgekehrt.

Tatsache ist, dass man, um ein Teilchen zu messen, es „anschauen“ muss, das heißt, man muss ein Lichtteilchen – ein Photon – in seine Richtung schicken. Dieses Photon, über das der Forscher alles weiß, kollidiert mit dem zu messenden Teilchen und verändert dessen Eigenschaften. Das ist ungefähr so, als würde man die Geschwindigkeit eines fahrenden Autos messen, indem man ein anderes Auto mitschickt bekannte Geschwindigkeit Treffen Sie ihn und erkunden Sie dann das erste, indem Sie der veränderten Geschwindigkeit und Flugbahn des zweiten Autos folgen. Die Quantenphysik untersucht Objekte, die so klein sind, dass sogar Photonen – Lichtteilchen – ihre Eigenschaften ändern.

Mein kürzlich veröffentlichtes Konzept eines quasistationären Universums löste auf dieser Seite einen ganzen Sturm mexikanischer Leidenschaften aus, der bis heute nicht nachgelassen hat. Einer der Gründe für die Ablehnung dieses Konzepts war das Problem der Existenz einer Ruhemasse für ein Photon. Ich glaube nicht, dass es mir gelungen ist, alle von der Gültigkeit meiner Meinung zu überzeugen, dass das Photon eine Ruhemasse hat, also habe ich beschlossen, die Diskussion fortzusetzen, allerdings auf einer etwas anderen Ebene des Verständnisses.

Zunächst habe ich einfach im Internet nach Informationen darüber gesucht, was Wissenschaftler über die Masse eines Photons im Allgemeinen und seine Ruhemasse im Besonderen denken. Zu diesem Thema wurde so viel geschrieben, dass es sich nicht einmal lohnte, alles zu analysieren – zehn Leben würden dafür nicht ausreichen. Obwohl es im Wesentlichen keine großen Meinungsunterschiede gibt. Deshalb habe ich drei Artikel ausgewählt, daraus die aufschlussreichsten Auszüge entnommen und alle dazu eingeladen, gemeinsam über das Geschriebene nachzudenken.

Warum hat ein ruhendes Photon keine Masse (und existiert überhaupt nicht)? Dafür gibt es mehrere Erklärungen. Erste - Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus den Formeln. Zweitens – weil Licht hat eine duale Natur(ist sowohl eine Welle als auch ein Teilchenstrom), dann Offensichtlich ist der Begriff der Masse auf Strahlung überhaupt nicht anwendbar. Der dritte ist logisch: Stellen Sie sich ein schnell rotierendes Rad vor. Schaut man hindurch, sieht man statt Speichen eine Art Nebel, Dunst. Sobald Sie jedoch beginnen, die Rotationsgeschwindigkeit zu verringern, verschwindet der Dunst allmählich und nach Punkt Es bleiben nur die Stricknadeln übrig. IN in diesem Beispiel Der Dunst ist ein Teilchen, das Photon genannt wird. Es kann nur in Bewegung und mit einer genau definierten Geschwindigkeit beobachtet werden. Sinkt die Geschwindigkeit unter 300.000 km/s, verschwindet das Photon.

http://fb.ru/article/51422/kakova-massa-foton a

„Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus den Formeln“ ist ein sehr schwaches Argument, schon allein aus dem einfachen Grund, dass nein physikalische Formeln ist möglicherweise nicht absolut genau. Bei ihrer Ableitung wird sehr häufig auf das Prinzip der Vernachlässigung von Infinitesimalgrößen zurückgegriffen, was bedeutet, dass es immer ein Schlupfloch für Fehler gibt. Da die von mir berechnete Photonenruhemasse extrem klein ist (1,07721·10 -68 kg), kann man davon ausgehen, dass die Gleichsetzung eines so kleinen Wertes mit Null eine Folge der Vernachlässigung eines infinitesimalen Termes in einer langen Formelkette war.

Als nächstes fallen offensichtliche Widersprüche auf. Nach der Logik der Autoren des Artikels kann ein Photon keine Ruhemasse ungleich Null haben, da dies der Fall ist Welleneigenschaften. Aber jeder, der Quantenphysik studiert hat oder zumindest mit den Gleichungen von Schrödinger und de Broglie vertraut ist, weiß: Nicht nur das Photon hat Welleneigenschaften, sondern ausnahmslos alles. Elementarteilchen. Das heißt, wenn wir diese Logik anwenden, können weder ein Proton noch ein Elektron eine Ruhemasse haben. Wir alle wissen jedoch, dass dies nicht stimmt. Daher ist die Anwendung einer solchen Inside-Out-Logik absolut rechtswidrig.

Durch die Darstellung des Photons als eine Art „Dunst“, der beobachtet wird, wenn sich ein Rad mit Speichen dreht, scheinen die Autoren des Artikels jegliches Verständnis für den Kern des Problems verloren zu haben. Okay, betrachten wir die Analogie zwischen dem „Dunst“ und dem Photon als erfolgreich. Aber wir lesen weiter: „Sobald man anfängt, die Drehzahl zu reduzieren, verschwindet der Dunst allmählich und nach einem vollständigen Stillstand bleiben nur noch die Speichen übrig.“ In dieser Analogie ist die Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Rades gleichbedeutend mit der Verringerung der Geschwindigkeit des Photons. Und der Stopp, nach dem „nur noch die Speichen übrig bleiben“, ist eine vollständige Analogie zum Ruhezustand des Photons. Das heißt, während sie auf diese Weise bewiesen, dass das Photon keine Ruhemasse hat, bemerkten die Autoren des Artikels nicht einmal, wie sie das Gegenteil bewiesen: dass die Ruhemasse des Photons existiert!

Der „Dunst“ symbolisiert die Welleneigenschaften des Photons, die mit abnehmender Geschwindigkeit allmählich verschwinden. Was symbolisieren die Speichen eines stehengebliebenen Rades? Ein ruhendes Photon, das keine Welleneigenschaften aufweist. Und diese Sicht auf das Problem ist absolut legitim. Tatsächlich haben in der Quantenphysik nur bewegte Teilchen Welleneigenschaften. Ein stationäres Elektron oder Proton verhält sich ausschließlich wie ein Teilchen und weist keine Welleneigenschaften auf.

Und der letzte Fauxpas im zitierten Artikel: „Wenn die Geschwindigkeit unter 300.000 km/s sinkt, verschwindet das Photon.“ Wohin verschwindet es? Dies ist ein direkter Verstoß gegen das Energieerhaltungsgesetz. Dies bedeutet, dass die Autoren des Artikels in ihrer Argumentation falsch liegen.

Und hier sind zwei weitere Artikel, die direkt besagen, dass das Photon keine Ruhemasse hat.

Bei der Verwendung der Abhängigkeiten (8.4) und (8.5) wird normalerweise nicht betont, dass die in diesen Abhängigkeiten auftretende Photonenmasse die Bewegungsmasse ist. und das Photon hat keine Ruhemasse. In diesem Zusammenhang wird die Meinung geäußert, dass die Masse eines Photons dieselbe Masse (und sogar ein Maß für Materie) wie die Masse von Materieteilchen ist. Dies wird durch die falsche Vorstellung vom Photon als stabilem Teilchen erleichtert. In Wirklichkeit ist das Photon kein stabiles Teilchen und hat keine Ruhemasse.

http://rewolet.ru/book_79_chapter_67_%C2%A7_8.3._O_prirode_m ...

Das Photon ist ein Eichboson. Es hat keine Ruhemasse und keine elektrische Ladung und ist stabil.

Die Ruhemasse eines Photons wird experimentell als Null angenommen theoretische Begründungen

Da das Photon ein masseloses Teilchen ist, bewegt es sich im Vakuum mit der Geschwindigkeit c (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum).

http://traditio-ru.org/wiki/Photon

Nach der Lektüre der obigen Zitate stellt sich sofort die Frage: Ist das Photon stabil oder nicht? In der Teilchenphysik bedeutet die „Instabilität“ eines Teilchens, dass das Teilchen die Eigenschaft hat, in zwei oder mehr Elementarteilchen zu zerfallen. Beispielsweise lebt ein freies Neutron 14–15 Minuten lang spontan (ohne jegliches Neutron). äußere Gründe) zerfällt dann in drei Teilchen: ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino.

Knifflige Frage: Nach welcher Zeit und in welche Teilchen zerfällt ein Photon? Suchen Sie nicht in Fachbüchern oder im Internet nach Antworten, das verschwendet nur Ihre Zeit. Das Photon ist stabil. Dadurch kann der zweite Artikel sicher nach dem ersten versendet werden.

Nun, aus dem dritten hier zitierten Artikel geht klar hervor, dass das Problem der Photonenruhemasse noch lange nicht gelöst ist. „Die Restmasse des Photons halten gleich Null, basierend auf Experimenten und theoretischer Begründung.“ Frage: Ist es einfach, während eines Experiments eine Masse von 1,07721·10 -68 kg nachzuweisen? Um das Ausmaß der hier auftretenden Schwierigkeiten zu verstehen, lohnt es sich, sich ein anderes Problem in Erinnerung zu rufen Etwa ein halbes Jahrhundert lang glaubte die wissenschaftliche Welt aufgrund von Experimenten und theoretischen Begründungen, dass die Ruhemasse des Neutrinos gleich Null sei. In den 70er Jahren kamen die ersten Zweifel daran auf, und zwar irgendwann an der Wende Jahrhundert tauchten Daten auf, dass das Neutrino immer noch eine Ruheenergie in der Größenordnung von mehreren Elektronenvolt hat, was einer Masse in der Größenordnung von 10 -36 kg entspricht (≈ 10.000). weniger Masse Elektron). Und ob die Neutrinomasse tatsächlich so ist oder ob sie immer noch gleich Null ist, konnten die Experimentatoren bislang nicht eindeutig beantworten. Wie Sie sehen, ist es nicht so einfach, eine Masse von 10-36 kg von Null zu unterscheiden. Eine der Schwierigkeiten liegt hier natürlich darin begründet, dass Neutrinos äußerst schwach mit Materie interagieren. Allerdings ist seine geschätzte Ruhemasse im Vergleich zu der von mir berechneten Photonenruhemasse einfach kolossal. Das Verhältnis beträgt 10 32:1. Das heißt, ein Neutrino ist etwa so oft massereicher als ein Photon, wie die Sonne (deren Masse 2·10 30 kg beträgt) massereicher ist als ein 10-Gramm-Gewicht im Apothekenmaßstab. Sagen Sie mir also: Wenn die Existenz einer kolossalen Ruhemasse eines Neutrinos noch nicht experimentell bewiesen oder widerlegt wurde, kann man dann von Experimentatoren eine Antwort auf die Frage nach der Existenz einer winzigen Ruhemasse eines Photons verlangen? Natürlich nicht.

Daher gibt es keine sachliche Grundlage, um kategorisch zu behaupten, dass die Ruhemasse gleich Null ist.

Nun, die letzte Aussage „Da das Photon ein masseloses Teilchen ist, bewegt es sich im Vakuum mit der Geschwindigkeit c (der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum)“ ist nur eine logische Umkehrung der ebenfalls unbewiesenen Aussage „Ein Photon bewegt sich immer mit der Geschwindigkeit von.“ Licht, da seine Ruhemasse Null ist.

Was ist meiner Meinung nach der Grund für die anhaltende Überzeugung in Null Masse Photonenruhe? Es ist einfach. Die „Lichtgeschwindigkeit“ wird a priori mit der „Geschwindigkeit eines Photons“ identifiziert. Tatsächlich ist es jedoch anders zu verstehen: Die Lichtgeschwindigkeit ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle, die von einem sich bewegenden Photon erzeugt wird. In diesem Fall muss die Bewegungsgeschwindigkeit des Photons selbst nicht unbedingt mit der Geschwindigkeit der Welle übereinstimmen. Schließlich breiten sich De-Broglie-Wellen, die von anderen sich bewegenden Teilchen erzeugt werden, mit anderen Geschwindigkeiten aus als die Teilchen selbst.

In ihrer modernen Interpretation besagt die Quantenhypothese, dass Energie E Schwingungen eines Atoms oder Moleküls können gleich sein Hν, 2 Hν, 3 Hν usw., aber es gibt keine Schwingungen mit Energie im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden ganzen Zahlen, die ein Vielfaches von sind. Das bedeutet, dass Energie nicht kontinuierlich ist, wie jahrhundertelang angenommen wurde, sondern quantisiert , d.h. existiert nur in streng definierten diskreten Teilen. Kleinste Portion angerufen Energiequantum . Die Quantenhypothese kann auch als Aussage formuliert werden, dass auf atomar-molekularer Ebene Schwingungen mit keiner Amplitude auftreten. Gültige Werte Die Amplituden hängen von der Schwingungsfrequenz ab ν .

Im Jahr 1905 stellte Einstein eine kühne Idee vor, die die Quantenhypothese verallgemeinerte und zur Grundlage machte neue Theorie Licht (Quantentheorie des photoelektrischen Effekts). Nach Einsteins Theorie , Licht mit Frequenzν Nicht nur ausgesendet, wie Planck annahm, aber auch verteilt sich und wird in einzelnen Portionen (Quanten) vom Stoff aufgenommen, dessen Energie. Daher sollte die Ausbreitung von Licht nicht als kontinuierlicher Wellenprozess betrachtet werden, sondern als Strom diskreter Lichtquanten, die im Raum lokalisiert sind und sich mit der Geschwindigkeit der Lichtausbreitung im Vakuum bewegen ( Mit). Man nennt das Quantum elektromagnetischer Strahlung Photon .

Wie bereits erwähnt, entspricht die Emission von Elektronen aus der Oberfläche eines Metalls unter dem Einfluss der darauf einfallenden Strahlung der Vorstellung von Licht als elektromagnetischer Welle, denn Das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle wirkt auf die Elektronen im Metall und schlägt einige von ihnen aus. Einstein machte jedoch darauf aufmerksam, dass sich die Details des photoelektrischen Effekts, der von der Wellentheorie und der Photonentheorie (Quantenkorpuskulartheorie) des Lichts vorhergesagt wird, erheblich unterscheiden.

Wir können also die Energie des emittierten Elektrons anhand der Welle und messen Photonentheorie. Um die Frage zu beantworten, welche Theorie vorzuziehen ist, betrachten wir einige Details des photoelektrischen Effekts.

Lass uns beginnen mit Wellentheorie, und nehmen wir an, dass Die Platte wird mit monochromatischem Licht beleuchtet. Lichtwelle gekennzeichnet durch Parameter: Intensität und Häufigkeit(oder Wellenlänge). Die Wellentheorie sagt voraus, dass bei einer Änderung dieser Eigenschaften die folgenden Phänomene auftreten:

· Mit zunehmender Lichtintensität sollte die Anzahl der ausgestoßenen Elektronen und deren maximale Energie zunehmen, denn Eine höhere Lichtintensität bedeutet eine größere Amplitude elektrisches Feld und ein stärkeres elektrisches Feld zieht Elektronen mit höherer Energie heraus;

Elektronen herausgeschlagen; Die kinetische Energie hängt nur von der Intensität des einfallenden Lichts ab.

Die Photonen-(Korpuskular-)Theorie sagt etwas völlig anderes voraus. Zunächst stellen wir fest, dass in einem monochromatischen Strahl alle Photonen die gleiche Energie haben (gleich Hν). Eine Erhöhung der Intensität eines Lichtstrahls bedeutet eine Erhöhung der Anzahl der Photonen im Strahl, hat jedoch keinen Einfluss auf deren Energie, wenn die Frequenz unverändert bleibt. Nach Einsteins Theorie wird ein Elektron von der Oberfläche eines Metalls geschleudert, wenn ein einzelnes Photon damit kollidiert. In diesem Fall wird die gesamte Energie des Photons auf das Elektron übertragen und das Photon hört auf zu existieren. Weil Elektronen werden durch Anziehungskräfte im Metall gehalten; es ist nur minimale Energie erforderlich, um ein Elektron aus der Metalloberfläche herauszuschlagen A(die Austrittsarbeit genannt wird und bei den meisten Metallen in der Größenordnung von mehreren Elektronenvolt liegt). Ist die Frequenz ν des einfallenden Lichts klein, dann reicht die Energie und Energie des Photons nicht aus, um ein Elektron von der Metalloberfläche herauszuschlagen. Wenn , dann fliegen Elektronen aus der Oberfläche des Metalls heraus und Energie in einem solchen Prozess bleibt erhalten, d.h. Photonenenergie ( Hν) ist gleich kinetische Energie das emittierte Elektron plus die Arbeit, das Elektron aus dem Metall herauszuschlagen:

Gleichung (2.3.1) wird aufgerufen Einsteins Gleichung für den externen photoelektrischen Effekt.

Basierend auf diesen Überlegungen sagt die photonische (Korpuskular-)Theorie des Lichts Folgendes voraus.

1. Eine Erhöhung der Lichtintensität bedeutet eine Erhöhung der Anzahl einfallender Photonen, die von der Metalloberfläche herausgeschlagen werden mehr Elektronen. Da aber die Photonenenergie gleich ist, ändert sich die maximale kinetische Energie des Elektrons nicht ( bestätigt ICH Gesetz des photoelektrischen Effekts).

2. Mit zunehmender Frequenz des einfallenden Lichts steigt die maximale kinetische Energie der Elektronen gemäß Einsteins Formel (2.3.1) linear an. ( Bestätigung II Gesetz des photoelektrischen Effekts). Der Graph dieser Abhängigkeit ist in Abb. dargestellt. 2.3.

,

Reis. 2.3

3. Wenn die Frequenz ν kleiner als die kritische Frequenz ist, werden Elektronen nicht von der Oberfläche herausgeschlagen (III Gesetz).

Wir sehen also, dass sich die Vorhersagen der Korpuskulartheorie (Photonentheorie) stark von den Vorhersagen der Wellentheorie unterscheiden, aber sehr gut mit den drei experimentell festgestellten Gesetzen des photoelektrischen Effekts übereinstimmen.

Einsteins Gleichung wurde durch Millikans Experimente bestätigt, die 1913–1914 durchgeführt wurden. Der Hauptunterschied zum Stoletov-Experiment besteht darin, dass die Metalloberfläche im Vakuum gereinigt wurde. Die Abhängigkeit der maximalen kinetischen Energie von der Frequenz wurde untersucht und das Plancksche Wirkungsquantum bestimmt H.

Im Jahr 1926 Russische Physiker PI. Lukirsky und S.S. Prilezhaev nutzte die Methode eines Vakuum-Kugelkondensators, um den photoelektrischen Effekt zu untersuchen. Die Anode bestand aus den versilberten Wänden eines kugelförmigen Glaszylinders und die Kathode war eine Kugel ( R≈ 1,5 cm) vom untersuchten Metall entfernt und in der Mitte der Kugel platziert. Diese Form der Elektroden ermöglichte es, die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie zu erhöhen und dadurch die Verzögerungsspannung (und folglich H). Wert der Planckschen Konstante H, die aus diesen Experimenten erhalten wurde, stimmt mit den Werten überein, die mit anderen Methoden (von Schwarzkörperstrahlung und vom kurzwelligen Rand des kontinuierlichen Röntgenspektrums) ermittelt wurden. All dies ist ein Beweis für die Richtigkeit von Einsteins Gleichung und gleichzeitig seiner Quantentheorie des photoelektrischen Effekts.

Zur Erklärung Wärmestrahlung Planck schlug vor, dass Licht von Quanten emittiert wird. Als Einstein den photoelektrischen Effekt erklärte, schlug er vor, dass Licht von Quanten absorbiert wird. Einstein schlug auch vor, dass sich Licht durch Quanten ausbreitet, d. h. in Portionen. Das Quantum Lichtenergie heißt Photon . Diese. Wieder kamen wir zum Konzept des Korpuskels (Teilchens).

Die direkteste Bestätigung von Einsteins Hypothese lieferte Bothes Experiment, das die Koinzidenzmethode verwendete (Abb. 2.4).

Reis. 2.4

Dünne Metallfolie F wurde zwischen zwei platziert Gasentladungszähler SCH. Die Folie wurde von einem schwachen Strahl beleuchtet Röntgenstrahlen, unter dessen Einfluss sie selbst zur Quelle von Röntgenstrahlen wurde (dieses Phänomen wird Röntgenfluoreszenz genannt). Aufgrund der geringen Intensität des Primärstrahls war die Anzahl der von der Folie emittierten Quanten gering. Wenn Quanten auf den Zähler trafen, wurde der Mechanismus ausgelöst und auf dem sich bewegenden Papierband wurde eine Markierung erzeugt. Wäre die emittierte Energie gleichmäßig in alle Richtungen verteilt, wie es sich aus Wellenkonzepten ergibt, müssten beide Zähler gleichzeitig arbeiten und die Markierungen auf dem Band würden einander gegenüberstehen. In Wirklichkeit gab es eine völlig zufällige Anordnung der Markierungen. Dies kann nur dadurch erklärt werden, dass bei einzelnen Emissionsvorgängen Lichtteilchen auftreten, die in die eine oder andere Richtung fliegen. So wurde die Existenz spezieller Lichtteilchen – Photonen – experimentell nachgewiesen.

Ein Photon hat Energie . Für sichtbares Licht Wellenlänge λ = 0,5 µm und Energie E= 2,2 eV, für Röntgenstrahlung λ = µm und E= 0,5 eV.

Das Photon hat träge Masse , was aus der Beziehung gefunden werden kann:

Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit C= 3·10 8 m/s. Ersetzen wir diesen Geschwindigkeitswert in den Ausdruck für die relativistische Masse:

.

Ein Photon ist ein Teilchen, das keine Ruhemasse hat. Es kann nur existieren, indem es sich mit Lichtgeschwindigkeit c bewegt .

Lassen Sie uns den Zusammenhang zwischen Energie und Photonenimpuls finden.

Wir kennen den relativistischen Ausdruck für Impuls:

Und zum Thema Energie: