Foton

Foton
Fotoner som sendes ut av en laser i en koherent stråle
Klassifisering	Elementær partikkel
Familie	Bosoner
Gruppe	Målebosoner
Interaksjoner	Elektromagnetisk
Symbol	$\område$
Teoretiserte	Albert Einstein (1905–17)
Fysiske egenskaper
Gjennomsnittlig liv	Stabil
Elektrisk ladning	0
Snurre rundt	1

Fotonet er energikvantumet til elektromagnetisk stråling . Historisk også kalt lyskvantumet , ble det introdusert på begynnelsen av det tjuende århundre, da det ble forstått at i en elektromagnetisk bølge er energi fordelt i diskrete og udelelige pakker. [1] [2]

Begrepet "foton" stammer fra det greske φωτός ( photòs ), genitiv av φῶς ( phòs ), som betyr lys , og ble laget i Paris i juli 1926 av den optiske fysikeren Frithiof Wolfers; [3] noen måneder senere ble den gjenbrukt av den amerikanske kjemikeren Gilbert Lewis [4] og umiddelbart adoptert av mange fysikere, og ble endelig.

Med fremveksten av kvantefeltteorien har fotonet effektivt fått rollen som partikkel assosiert med det elektromagnetiske feltet , klassifisert som en elementær vektorboson med nullmasse som formidler den elektromagnetiske interaksjonen ( gauge boson ). Det er vanligvis indikert med den greske bokstaven γ (gamma), et symbol sannsynligvis avledet fra gammastråler .

Introduksjon

Konseptet foton ble introdusert i kvantefysikken for å forklare motsetningene som dukket opp mellom klassisk elektromagnetisme og eksperimentene som ble utført ved begynnelsen av det nittende århundre og det tjuende århundre. I følge den klassiske teorien utviklet av Maxwell , er lys , radiobølger og UV-stråler alle elektromagnetisk stråling, det vil si elektriske og magnetiske felt som forplanter seg i materie og i vakuumet etter en bølgedynamikk . Fotonet ble introdusert som en elementær bestanddel av disse strålingene av Max Planck og Albert Einstein mellom 1900 og 1905, som en enhet som ikke kan deles videre. [5] Klassisk, i henhold til superposisjonsprinsippet , kan hver bølge alltid dekomponeres som summen eller bidraget av to eller flere andre bølger. Tvert imot postulerer kvantemekanikken for elektromagnetiske bølger, i samsvar med eksperimentene, eksistensen av et "kvante" av udelelig fundamental energi, som derfor har både bølge- og partikkelegenskaper (et fenomen kjent som bølge-partikkel dualisme ). [6]

Fra partikkelsynspunktet har fotonet null masse og har ingen elektrisk ladning . Dens iboende vinkelmomentum, spinn , kan bare anta de to verdiene av (i enheter av ) som tilsvarer de forskjellige klassiske polarisasjonstilstandene. [7] I vakuum forplanter fotoner seg alltid med lysets hastighet (siden det ikke er noen observatør som de er stasjonære i forhold til) og deres virkeområde er ubegrenset. Dette betyr at et foton kan fortsette å reise i rom-tid på ubestemt tid uten noen grense, inntil det blir absorbert av en annen partikkel. Av denne grunn er det fortsatt mulig å oppdage fotonene som sendes ut i de tidlige livsstadiene av universet, som danner den kosmiske bakgrunnsstrålingen . [8] $\ pm 1$ $\hbar$

Fra bølgesynspunkt har et foton sin egen vibrasjonsfrekvens og bølgelengde . Produktet av frekvens og bølgelengde er lik forplantningshastigheten til bølgen, i dette tilfellet av lys: $\ nu$ $\ lambda$

{\ displaystyle \ lambda \ nu = c}

Derfor avtar bølgelengden etter hvert som frekvensen øker. For eksempel har et foton som utgjør grønt lys en frekvens på 600 THz og derfor en bølgelengde lik: $\ nu$ $\ lambda$

{\ displaystyle \ lambda = {\ frac {c} {\ nu}} \ simeq {\ frac {3 \ ganger 10 ^ {8} \ \ mathrm {ms ^ {- 1}}} {600 \ ganger 10 ^ { 12} \ \ mathrm {s ^ {- 1}}}} = 5 \ ganger 10 ^ {- 7} \ \ mathrm {m} = 500 \ \ mathrm {nm}}

som tilsvarer størrelsen på noen bakterier [9] eller omtrent en hundredel av tykkelsen til et hårstrå. Fotoner har også en energi proporsjonal med frekvensen : $Og$ $\ nu$

{\ displaystyle E = h \ nu}

hvor er Plancks konstant , i motsetning til klassiske bølger hvor energien er proporsjonal med kvadratet av amplituden. Fotoner utgjør alle strålinger i det elektromagnetiske spekteret (og ikke bare de av synlig stråling ). Ved høye frekvenser, som i gammastråler , bærer fotoner derfor store mengder energi og er farlige for mennesker ettersom de kan skade den molekylære strukturen til DNA . [10] Ved lave frekvenser reduseres derimot energiene som transporteres betraktelig, fotonene forplanter seg uten å bli hindret av små gjenstander og følgelig kan radiobølger sendes over store avstander. $h$

En vanlig 100 W rødt lyslampe kan sende ut hundrevis av billioner av fotoner hvert sekund (dvs. i størrelsesorden ). [11] Dette betyr at lys er bygd opp av et enormt antall fotoner som, tatt hver for seg, derfor bærer med seg en uendelig liten mengde energi. Imidlertid er denne uendelige mengden energi tilstrekkelig til å bryte noen molekylære bindinger og for eksempel til å utløse klorofyllfotosyntesereaksjonene til planter. I dette tilfellet et foton av blått lys med en bølgelengde på 450 nm, som derfor bærer en ekstremt liten energi sammenlignet med energiskalaene for hverdagsopplevelse lik: $10 ^ {{20}}$

{\ displaystyle E = h \ nu = {\ frac {hc} {\ lambda}} \ simeq {\ frac {(6,626 \ ganger 10 ^ {- 34} \ \ mathrm {Js}) (3 \ ganger 10 ^ { 8} \ \ mathrm {ms ^ {- 1}})} {4,5 \ ganger 10 ^ {- 7} \ \ mathrm {m}}} \ simeq 4,4 \ ganger 10 ^ {- 19} \ \ mathrm {J}}

det absorberes av en reseptor og starter produksjonen av sukker. Av denne grunn brukes noen spesielle lamper for å akselerere veksten av planter. [12]

Fotonet har hatt grunnleggende relevans i utviklingen av kvantemekanikk , så vel som innen optikk , og har viktige anvendelser innen fotokjemi , mikroskopi , resonansenergioverføring og optisk kommunikasjon som kvantekryptografi . [1. 3]

Historisk utvikling

Frem til 1700-tallet hadde mange teorier introdusert en korpuskulær modell for lys. En av de første tekstene som presenterer denne hypotesen er et kompendium av studiene til den irakiske vitenskapsmannen Alhazen , oversatt i 1270 av den polske munken Vitellione , som under den overordnede tittelen De Aspectibus samler noen arbeider, inkludert Book of optics , datert. 1021 , kjent i Vesten som Alhazen Prospect . I boken regnes lysstråler for å være strømmer av partikler som «ikke har noen fornuftige egenskaper bortsett fra energi». [14] Siden partikkelmodellen ikke forklarer fenomener som refraksjon , diffraksjon og dobbeltbrytning , foreslo René Descartes en bølgemodell i 1637, [15] etterfulgt av Robert Hooke i 1665, [16] og Christian Huygens i 1678. [17] Den korpuskulære teorien forblir imidlertid dominerende, hovedsakelig på grunn av påvirkningen fra Isaac Newtons oppdagelser . [18] På begynnelsen av det nittende århundre demonstrerte Thomas Young og Augustin-Jean Fresnel definitivt interferensen og diffraksjonen av lys, noe som bekrefter soliditeten til bølgemodellen, som ble generelt akseptert i 1850. [19] I 1865 la Maxwells ligninger [20] grunnlaget for elektromagnetisme , og identifiserte lys som elektromagnetisk stråling , og Heinrich Hertz sine påfølgende oppdagelser gir ytterligere bevis på dette, [21] som får partikkelmodellen til å virke feil.

Maxwells ligninger tar imidlertid ikke hensyn til alle egenskapene til lys: de viser lysenergiens avhengighet av intensiteten til strålingen, og ikke av frekvensen , mens noen eksperimenter angående fotokjemi viser at i noen tilfeller ikke intensiteten bidra til energien som bæres av bølgen, som utelukkende avhenger av frekvensen. Selv forskningen på den svarte kroppen , utført av forskjellige forskere i andre halvdel av det nittende århundre, [22] spesielt Max Planck , [23] [24] viser at energien som hvert system absorberer eller sender ut er en heltallsmultippel. av en fundamental mengde, kvantumet av elektromagnetisk energi.

Studiene på den fotoelektriske effekten utført på begynnelsen av det tjuende århundre av forskjellige forskere, inkludert hovedsakelig Albert Einstein , viste til slutt at separasjonen av elektroner fra deres eget atom utelukkende avhenger av frekvensen til strålingen de blir truffet fra, [ 25] og derfor ble hypotesen om en kvantisert energi nødvendig for å beskrive de energetiske utvekslingene mellom lys og materie. [26]

" Kvantet " ble introdusert som en elementær bestanddel av disse strålingene av Max Planck i 1900, som en enhet som ikke kan deles videre. Som en del av sine studier på den svarte kroppen , formulerte den tyske fysikeren, som antok at atomer utveksler energi gjennom "endelige pakker", en modell i samsvar med de eksperimentelle dataene. På denne måten løste han problemet med uendelig utslipp i svart kroppsstråling (et problem kjent som " ultrafiolett katastrofe "), som dukket opp ved å bruke Maxwells ligninger . Den sanne naturen til lyskvanter forble opprinnelig et mysterium: Planck selv introduserte dem ikke direkte som virkelige fysiske enheter, men snarere som en matematisk enhet for å få endene til å møtes. [27]

Teorien om lyskvanter ( Lichtquant ) ble også foreslått av Albert Einstein i 1905, etter hans studier av den fotoelektriske effekten , for å forklare utslippet av elektroner fra overflaten til et metall påvirket av elektromagnetisk stråling , en effekt som viste data i uenighet med Maxwells bølgeteori . Einstein introduserte ideen om at ikke bare atomer sender ut og absorberer energi i "endelige pakker", kvanta foreslått av Max Planck, men at det er den elektromagnetiske strålingen i seg selv som består av kvanter , det vil si av diskrete energimengder, da kalt fotoner i 1926. Med andre ord, siden den elektromagnetiske strålingen er kvantisert, er energien ikke jevnt fordelt over hele amplituden til den elektromagnetiske bølgen , men konsentrert i fundamentale vibrasjoner av energi.

Selv om den tyske fysikeren aksepterte gyldigheten av Maxwells ligninger, viser han i 1909 [26] og 1916 [28] at mange eksperimenter bare kan forklares ved å anta at energi er lokalisert i punktlignende kvanter som beveger seg uavhengig av hverandre. selv om bølgen er kontinuerlig fordelt i rommet. For sine studier av den fotoelektriske effekten og den påfølgende oppdagelsen av lyskvanta mottok Einstein Nobelprisen i fysikk i 1921 . [29]

Einsteins kvantehypotese ble ikke akseptert på flere år av en viktig del av det vitenskapelige samfunnet, inkludert Hendrik Lorentz , Max Planck og Robert Millikan (vinnere av henholdsvis Nobelprisen i fysikk i 1902 , 1918 og 1923 ), ifølge hvilke reell eksistens av fotoner var en uakseptabel hypotese, tatt i betraktning at i interferensfenomener oppfører elektromagnetiske strålinger seg som bølger. [30] Den første skepsisen til disse tidens store vitenskapsmenn er ikke overraskende, gitt at selv Max Planck , som først antok eksistensen av kvanter (riktignok med referanse til atomer , som sender ut og absorberer "energipakker"), mente, noen år var disse kvantene bare et matematisk hjelpemiddel for å gjøre opp regnskapet og ikke et reelt fysisk fenomen. [31] Men senere demonstrerte den samme Robert Millikan eksperimentelt Einsteins hypotese om energien til fotonet, og derfor av elektronet som sendes ut, som kun avhenger av frekvensen til strålingen, [32] og i 1916 utførte han en studie på elektronene som sendes ut av natrium som motsier Maxwells klassiske bølgeteori . [33]

Det korpuskulære aspektet av lys ble definitivt bekreftet av de eksperimentelle studiene til Arthur Holly Compton . Faktisk observerte den amerikanske fysikeren i 1921 at i kollisjoner med elektroner oppfører fotoner seg som materielle partikler som har bevart energi og momentum ; [34] så i 1923 publiserte han resultatene av sine eksperimenter ( Compton-effekten ) som utvilsomt bekreftet Einsteins hypotese : elektromagnetisk stråling består av kvanter (fotoner) som interagerer med elektroner og oppfører seg som enkeltpartikler og hvert foton det samhandler med bare ett elektron . [35] For den eksperimentelle observasjonen av det lineære momentumet til fotoner [36] og oppdagelsen av den homonyme effekten mottok Arthur Compton Nobelprisen i 1927 .

Problemet med å kombinere lysets bølge- og partikkelnatur opptok Einsteins gjenværende liv , [37] og ble løst takket være kvanteelektrodynamikk og standardmodellen .

Fysiske egenskaper

Fotonet er en masseløs partikkel [38] og siden det ikke forfaller spontant, er dets gjennomsnittlige levetid uendelig. Fotonet har to mulige polarisasjonstilstander og beskrives av bølgevektoren , som bestemmer bølgelengden og forplantningsretningen. Fotonet er målebosonet for elektromagnetisme [39] og følgelig er de andre kvantetallene, slik som leptontallet , baryontallet og smaken null. [40] Fotoner sendes ut i mange naturlige prosesser, for eksempel under akselerasjonen av en ladet partikkel, overgangen til et atom eller molekyl til et lavere energinivå, eller utslettelse av en partikkel med dens respektive antipartikkel.

I vakuum forplanter fotonet seg konstant med lyshastigheten c , definert som lik

{\ displaystyle c = {\ sqrt {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0} \ mu _ {0}}}} = 299.792.458 \ \ mathrm {m/s}}

hvor og er den dielektriske konstanten og den magnetiske permeabiliteten til vakuumet. Når en elektromagnetisk bølge ikke forplanter seg i et vakuum, skal disse to siste konstantene multipliseres med de relative og materielle verdiene. $\ varepsilon _ {0}$ $\ mu _ {0}$ $\ varepsilon _ {r}$ $\ mu _ {r}$

Energien og modulen til momentvektoren er hentet fra den generelle spredningsrelasjonen [41] $Og$ $s$

{\ displaystyle E ^ {2} = p ^ {2} c ^ {2} + m ^ {2} c ^ {4}}

som i tilfellet med fotonet, som er en null massepartikkel, blir

{\ displaystyle E = pc}

Energi og momentum avhenger utelukkende av frekvens : $\ nu$

{\ displaystyle E = \ hbar \ omega = h \ nu = {\ frac {hc} {\ lambda}}}

{\ displaystyle \ mathbf {p} = \ hbar \ mathbf {k}}

hvor er modulbølgevektoren , vinkelfrekvensen og den reduserte Planck-konstanten . [42] ${\ displaystyle {\ bf {k}}}$ ${\ displaystyle k = {\ frac {2 \ pi} {\ lambda}}}$ ${\ displaystyle \ omega = 2 \ pi \ nu}$ ${\ displaystyle \ hbar = {\ frac {h} {2 \ pi}}}$

Siden retningen til er forplantningsretningen, er størrelsen: ${\ displaystyle {\ bf {p}}}$

{\ displaystyle p = \ hbar k = {\ frac {h \ nu} {c}} = {\ frac {h} {\ lambda}}}

I denne forbindelse bør du vurdere følgende eksempel: den fotoelektriske effekten , dvs. utvinning av elektroner fra en overflate, skjer bare hvis bølgelengden til den innfallende elektromagnetiske strålingen er mindre enn eller lik ( grønt lys ), lik . Ved å bruke formelen og vurdere det beregnes det at den tilsvarende frekvensen er lik ; derfor oppstår den fotoelektriske effekten for frekvenser større enn eller lik den nevnte verdien. På dette tidspunktet kan energien til fotonene (uttrykt i Joules ) og deres bevegelsesmengde bestemmes : ${\ displaystyle 546 \; {\ tekst {nm}}}$ ${\ displaystyle 5.46 \ cdot 10 ^ {- 7} \; {\ tekst {m}}}$ ${\ displaystyle \ nu = {\ frac {c} {\ lambda}}}$ ${\ displaystyle c = 3 \ cdot 10 ^ {8} \; {\ frac {\ tekst {m}} {\ tekst {s}}}}$ ${\ displaystyle 5.4945 \ cdot 10 ^ {14} {\ tekst {Hz}}}$ $Og$ ${\ tekst {J}}$ $s$

${\ displaystyle E = h \ nu = 3,64 \ cdot 10 ^ {- 19} \; {\ tekst {J}}}$ ;
${\ displaystyle p = {\ frac {h \ nu} {c}} = 1,21 \ cdot 10 ^ {- 27} \; {\ tekst {kg}} {\ frac {\ tekst {m}} {\ tekst { s}}}}$ [43] .

Verdien av kan også fås fra forholdet . $s$ ${\ displaystyle {\ frac {h} {\ lambda}}}$

Minimumsenergien til fotonene som er nødvendig for å starte den fotoelektriske effekten , hvis verdi tilsvarer ekstraksjonsarbeidet , er også uttrykt i elektronvolt ; siden energi i Joule og energi i eV er relatert av forhold ; i eksemplet nevnt ovenfor vil det være . Denne energien tilsvarer kaliumterskelverdien [ 44] . ${\ displaystyle 1eV = 1,602176487 \ cdot 10 ^ {- 19} \; {\ tekst {J}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {3.64 \ cdot 10 ^ {- 19} \; {\ text {J}}} {1.602 \ cdot 10 ^ {- 19} \; {\ text {J}} / {\ text { eV}}}} = 2,27 \; {\ tekst {eV}}}$

Fotonet har også vinkelmomentum av spinn , som ikke er avhengig av frekvens. Denne egenskapen ble eksperimentelt verifisert av Raman og Bhagavantam i 1931. [45] Modulen til spinnvektoren er , og dens komponent langs bevegelsesretningen, heliciteten , er . De to helicitetsverdiene tilsvarer de to tilstandene av sirkulær polarisering. [46] ${\ displaystyle {\ sqrt {2}} \ hbar}$ ${\ displaystyle \ pm 1}$

Selv om massen i hvile er null, er det mulig å definere en ekvivalent masse som starter fra Einstein-relasjonen E = mc² og ser på et grønt lys med frekvens lik det viser seg å være lik ${\ displaystyle 5.4945 \ cdot 10 ^ {14} Hz}$

{\ displaystyle m _ {\ gamma} = {\ frac {h \ nu} {c ^ {2}}} = {\ frac {6,62607 \ ganger 10 ^ {- 34} \ \ mathrm {Js} \ ganger 5 , 4945 \ ganger 10 ^ {14} \ \ mathrm {Hz}} {2,9979 ^ {2} \ ganger 10 ^ {8 \ ganger 2} \ \ mathrm {m ^ {2} / s ^ {2}} } } = 4,050884989 \ ganger 10 ^ {- 36} \ \ mathrm {kg}}

{\ displaystyle 1 \ \ mathrm {kg} = m _ {\ gamma} ^ {- 1} \ ganger 1 \ \ mathrm {kg} \ ganger m _ {\ gamma} = 1,4755215 \ ganger 10 ^ {40} \ m_ {\ gamma}}

Bølge-partikkel dualitet av fotonet

Fotonet, som et hvilket som helst kvanteobjekt, har både egenskapene til en partikkel og egenskapene til en bølge. Denne karakteristikken, kalt bølge-partikkel-dualitet , er bevist av fenomener som diffraksjon og interferens , verifisert av mange eksperimenter inkludert dobbeltspalteeksperimentet , der passasjen av et enkelt elektron genererer et diffraksjonsmønster. Denne dualismen skyldes at fotonet er beskrevet av en sannsynlighetsfordeling som inneholder all den dynamiske informasjonen til systemet. [47] Konseptet med bølgefunksjon , løsning av Schrödinger-ligningen for partikler med ikke-null hvilemasse, er ikke generelt anvendelig for fotonet, siden interferensen av fotoner gjelder den elektromagnetiske bølgeligningen Dette faktum antydet at Maxwells ligninger er Schrödinger-ligningen for fotoner, selv om det vitenskapelige samfunnet ikke er enige om dette faktum, [48] [49] ettersom de to uttrykkene er matematisk forskjellige, med utgangspunkt i det faktum at det ene er løst i komplekst felt og det andre i det virkelige feltet . [50]

Parallelt med bølgenaturen kan fotonet også betraktes som et materiell punkt , ettersom det sendes ut eller absorberes av forskjellige kvantesystemer som en atomkjerne eller elektroner , mye mindre enn bølgelengden. Usikkerhetsprinsippet, formulert av Heisenberg i 1927 , fastslår også at to kanonisk konjugerte variabler av fotonet ikke kan kjennes samtidig, og bekrefter dermed umuligheten av en fullstendig representasjon gjennom en korpuskulær beskrivelse. [51]

For å oppsummere spørsmålet om bølge-partikkel-dualisme, kan det sies at elektromagnetiske strålinger oppfører seg som bølger når de beveger seg i rommet, men når de samhandler med andre elementære partikler (materialer eller kraftbærere), manifesterer de tydelig sin kvantenatur.

Heisenbergs tankeeksperiment

Heisenbergs tankeeksperiment for å lokalisere et elektron med et høyoppløselig gammastrålemikroskop er en viktig verifikasjon av usikkerhetsprinsippet : en innfallende gammastråle samhandler med elektronet ved å avlede strålen inn i instrumentets åpningsvinkel Klassisk optikk viser at posisjonen til elektronet måles med en usikkerhet som avhenger av og av bølgelengden til de innfallende fotonene: $\ theta$ $\ Delta x$ $\ theta$ $\ lambda$

\ Delta x \ sim {\ frac {\ lambda} {\ sin \ theta}}

Momentumet til elektronet er like usikkert, siden det mottar en skyvekraft gitt av interaksjonen med gammastrålen, og usikkerheten er gitt av: $\ Delta s$

\ Delta p \ sim p _ {\ mathrm {foton}} \ sin \ theta = {\ frac {h} {\ lambda}} \ sin \ theta

Hvis den elektromagnetiske strålingen ikke ble kvantisert, kunne dens intensitet og frekvens variere uavhengig, slik at partikkelen kunne lokaliseres med vilkårlig presisjon, noe som bryter med usikkerhetsprinsippet, som oppnås fra formelen ved å plassere . [52] Prinsippet brukt på fotonet forbyr samtidig måling av antall fotoner i en elektromagnetisk bølge og fasen til selve bølgen: $\ Delta x \ Delta p \, \ sim \, h$ $n$ $\ phi$

\ Delta n \ Delta \ phi> 1 \

Siden de er masseløse, kan ikke fotoner lokaliseres uten å forårsake deres ødeleggelse, da de ikke kan identifiseres av en vektor i rommet. Dette gjør anvendelsen av Heisenbergs prinsipp umulig , og fører til bruk av den andre kvantiseringsformalismen . $\ Delta x \ Delta p> h / 2$

Formalismen til den andre kvantiseringen

I følge kvantefeltteorien " er den elektromagnetiske kraften et resultat av samspillet mellom elektronfeltet og fotonet " [53] .

Kvantetilstanden assosiert med et foton er Fock-tilstanden , betegnet med , som betyr fotoner i det modale elektromagnetiske feltet. Hvis feltet er multimodus, er dets kvantetilstand et tensorprodukt av de fotoniske tilstandene, for eksempel, $| n \ rangle$ $n$

| n_ {k_ {0}} \ rangle \ otimes | n_ {k_ {1}} \ rangle \ otimes \ dots \ otimes | n_ {k_ {n}} \ rangle \ dots

med mulig momentum til modusene og antall fotoner i en gitt modus. $k_ {i}$ ${\ displaystyle n_ {k_ {i}}}$

Spinn og masse

Fotoner har spinn og er derfor klassifisert som bosoner . De formidler den elektromagnetiske interaksjonen; utgjør gauge-bosonene til kvanteelektrodynamikk ( QED), som er en U (1) gauge-teori . De har en invariant masse (konstant for hver hastighet og numerisk sammenfallende med massen i hvile ) lik null, men en bestemt (og endelig) mengde energi ved lysets hastighet. Imidlertid sier den generelle relativitetsteorien at de bærer energi, at de påvirkes av tyngdekraften , og dette bekreftes av observasjoner. $1$ ${\ displaystyle v <c}$ $m_ {0}$

En ikke-relativistisk spinnpartikkel har tre mulige spinnprojeksjoner . Imidlertid har partikler med null masse, som fotonet, bare to spinnprojeksjoner, da nullprojeksjonen krever at fotonet er stasjonært, og denne situasjonen eksisterer ikke, ifølge relativitetsteoriene. Disse projeksjonene tilsvarer venstre og høyre sirkulære polarisasjoner av klassiske elektromagnetiske bølger. Den mest kjente lineære polarisasjonen er gitt av overlagringen av de foregående. Spinn 0-tilstanden ville i stedet tilsvare i teorien en polarisering langs forplantningsaksen, som faktisk ikke eksisterer. $1$ ${\ displaystyle (-1,0, + 1)}$

Fotonproduksjon

To fotoner kan produseres etter utslettelse av en partikkel med dens antipartikkel [54] , eller de kan sendes ut individuelt i form av bremsestråling (også kjent som bremsstrahlung ).

En lignende invers prosess er produksjonen av et par , eller dannelsen av et elektron - positron -par , en reaksjon der en gammastråle interagerer med materie ved å konvertere energien til materie og antimaterie: hvis et høyenergisk foton kolliderer med et mål, gjennomgår en uelastisk kollisjon som produserer et elektron og et positron. [55]

Fotoner i materie

I materie kobler fotoner seg til mediets eksitasjoner og oppfører seg annerledes. For eksempel når de kobles til fononer eller eksitoner , produserer de polaritoner . Dispersjonen lar dem oppnå en effektiv masse, og derfor synker hastigheten under lysets hastighet i vakuum.

Stråling-materie interaksjon

Det er flere mekanismer for interaksjon mellom stråling og materie. Avhengig av energien til de innfallende fotonene, kan de mest sannsynlige effektene oppsummeres som følger:

${\ displaystyle 1eV-100keV}$ : fotoelektrisk effekt , hvor fotonet er fullstendig absorbert av et atomelektron.
${\ displaystyle 100keV-1MeV}$ : Compton-effekt , der fotonet gir deler av energien sin til et atomelektron og avbøyes.
deretter: dreiemomentproduksjon , hvor en del av fotonets energi omdannes til masse, og produserer et elektron og et positron. Hvis fotonets energi er nøyaktig 1,022 MeV, så forsvinner den, da denne verdien tilsvarer summen av hvilemassene til elektron og positron. ${\ displaystyle 1,022MeV}$

Interaksjonskoeffisienter for fotoner

I forhold til en kollimert stråle av monoenergetiske fotoner av energi og fluens og et medium , er koeffisientene for lineær dempning, energioverføring og energiabsorpsjon definert. $Og$ $\ phi$ $L$

Lineær dempningskoeffisient

Fotonene til primærstrålen som interagerte med mediet kan betraktes som alle borte fra primærstrålen. Hvis det indikerer sannsynligheten for interaksjon av fotoner med mediet, har vi: $\ mu$

{\ displaystyle \ operatørnavn {d} \! \ phi = - \ mu \ phi \ operatørnavn {d} \! l}

Ved å integrere får du

\ phi (L) = \ phi _ {0} e ^ {- \ mu L}

hvor er den lineære dempningskoeffisienten og forholdet brukes ofte , kalt masse-lineær dempningskoeffisient, hvor er tettheten til mediet. $\ mu$ $\ mu / \ rho$ $\rho$

Energioverføringskoeffisient

Det er en koeffisient som tar hensyn til den kinetiske energien som overføres av fotonene til de sekundært ladede partiklene som genereres av interaksjonene. Gitt den gjennomsnittlige kinetiske energien som overføres, har vi: ${\ bar {\ varepsilon}} _ {tr}$

{\ displaystyle \ operatørnavn {d} \! {\ bar {\ varepsilon}} _ {tr} = E \ mu _ {tr} \ operatørnavn {d} \! l}

hvor er energioverføringskoeffisienten. Siden ikke alle fenomener med interaksjon av fotoner med materie forutser energioverføring fra fotonet til mediet ( Rayleigh-spredning ) kan vi anta . $\ mu _ {tr}$ $\ mu> \ mu _ {tr}$

Energiabsorpsjonskoeffisient

Sekundære elektroner kan miste energien sin i mediet, ikke bare ved kollisjoner, men også ved strålingsprosesser. I dette andre tilfellet frigjør fotonene på denne måten energien ikke lokalt, men langt fra punktet til mediet der de ble generert. Følgelig er energien som frigjøres lokalt i mediet av sekundærelektronene, generelt sett mindre enn energien som overføres til dem. Vi kan derfor skrive:

\ mu _ {en} = \ mu _ {tr} (1-g) <\ mu _ {tr}

hvor faktoren tar hensyn til tap av energi til sekundære elektroner gjennom strålingsfenomener som Bremsstrahlung, annihilering av positroner under flyging og fluorescens. $g$

Merknader

^ foton i Treccani Encyclopedia , på treccani.it , Treccani.
^ Photon , på britannica.com . _ _ Hentet 28. oktober 2012 .
^ ( FR ) Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences , t. 183, juli-desember 1926, s. 276-277 Une action probable de la matière sur les quanta de radiation
^ GN Lewis , The conservation of photons , in Nature , vol. 118, 1926, s. 874–875, DOI : 10.1038 / 118874a0 .
^ ( DE ) Max Planck, "Ueber die Elementarquanta der Materie und der Eletricität" , i Annalen der Physik , vol. 2, 1900, s. 564.
^ Bølger og fotoner , på phy6.org . Hentet 28. oktober 2012 .
^ Polarization and Spin , på mathpages.com . Hentet 27. oktober 2012 .
^ Den kosmiske bakgrunnsstrålingen , på bo.astro.it . Hentet 28. oktober 2012 .
^ Diameter av en bakterie , på hypertextbook.com . Hentet 28. oktober 2012 .
^ DNA Ligasi , på pianetachimica.it . Hentet 28. oktober 2012 .
^ ( EN ) Antall fotoner som sendes ut av en lyspære per sekund , på vias.org . Hentet 28. oktober 2012 .
^ LED for dyrking av planter: lavt forbruk og høy effektivitet , på actionmutant.net . Arkivert fra originalen 5. november 2012 .
^ Alt et foton kan gjøre , på daily.wired.it . Hentet 28. oktober 2012 .
^ R. Rashed, The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham , in Arabic Sciences and Philosophy: A Historical Journal , vol. 17, n. 1, Cambridge University Press , 2007, s. 7–55 [19], DOI : 10.1017 / S0957423907000355 .
"I hans optikk beholder de minste delene av lys , som han kaller dem, bare egenskaper som kan behandles med geometri og verifiseres ved eksperimenter; de mangler alle fornuftige egenskaper bortsett fra energi."
^ ( FR ) R. Descartes , Discours de la méthode (Diskurs om metode) , Imprimerie de Ian Maire, 1637.
^ R. Hooke , Micrographia : eller noen fysiologiske beskrivelser av små kropper laget av forstørrelsesglass med observasjoner og forespørsler etterpå... , London (UK), Royal Society of London , 1667.
^ ( FR ) C. Huygens , Traité de la lumière , 1678.
^ I. Newton , Opticks , 4th , Dover (NY ) , Dover Publications, 1952 [1730] , Bok II, del III, Proposisjoner XII – XX; Søk 25–29, ISBN 0-486-60205-2 .
^ JZ Buchwald, The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century , University of Chicago Press , 1989, ISBN 0-226-07886-8 , OCLC 18069573 .
^ JC Maxwell , A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field , i Philosophical Transactions of the Royal Society of London , vol. 155, 1865, s. 459-512, DOI : 10.1098 / rstl.1865.0008 . Denne artikkelen fulgte en presentasjon av Maxwell 8. desember 1864 til Royal Society.
^ ( DE ) H. Hertz , Über Strahlen elektrischer Kraft , i Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin) , vol. 1888, 1888, s. 1297-1307.
^ W. Wien , Wilhelm Wien Nobelforelesning , på nobelprize.org , 1911 .
^ ( DE ) M. Planck , Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum , i Annalen der Physik , vol. 4, 1901, s. 553–563, DOI : 10.1002 / andp.19013090310 .
^ M. Planck , Max Plancks Nobelforelesning , på nobelprize.org , 1920 .
^ Frekvens - avhengighet av luminiscens s. 276f., Photoelectric effect section 1.4 in M. Alonso, EJ Finn, Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics , Addison-Wesley , 1968, ISBN 0-201-00262-0 .
^ a b ( DE ) A. Einstein , Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung , i Physikalische Zeitschrift , vol. 10, 1909, s. 817-825. . En engelsk oversettelse er tilgjengelig fra Wikisource .
^ "Amaldis fysikk", vol. 3, elektromagnetisme, atom- og subatomær fysikk, red. Zanichelli, 2012, s. 408 og 416.
^ ( DE ) A. Einstein , Zur Quantentheorie der Strahlung , i Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft zu Zürich , vol. 16, 1916b, s. 47. Også Physikalische Zeitschrift , 18 , 121–128 (1917).
^ Nobelprisen i fysikk 1921
^ "Fysikken til Amaldi", vol. 3, Elektromagnetisme, atom- og subatomær fysikk, red. Zanichelli, 2012, kap. 13 (kvanteteori) side. 416.
^ "Fysikken til Amaldi", vol. 3, cit., P. 408.
^ "Tunge fotoner" av Murphy Frederick V. og Yount David E., "The Sciences" n. 38, okt. 1971, s. 66.
^ "Amaldis fysikk", vol. 3, cit., s. 411.
^ "Tunge fotoner", "Vitenskapene" n. 38/1971 cit.
^ "Fysikken til Amaldi", vol. 3, cit., s. 412, 416 og 417.
^ A. Compton , en kvanteteori om spredning av røntgenstråler av lyselementer , i Physical Review , vol. 21, 1923, s. 483-502, DOI : 10.1103 / PhysRev.21.483 .
^ A. Pais , Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein , Oxford University Press , 1982, ISBN 0-19-853907-X .
^ Se cit. i note 1 og cit. i note 2, s. 94. VV Kobychev , Popov, SB, Begrensninger på fotonladningen fra observasjoner av ekstragalaktiske kilder , i Astronomy Letters , vol. 31, 2005, s. 147–151, DOI : 10.1134 / 1.1883345 .
^ IJR Aitchison, AJG Hei, Gauge Theories in Particle Physics , IOP Publishing , 1993, ISBN 0-85274-328-9 .
^ C. Amsler , et al., Review of Particle Physics , in Physics Letters , B667, 2008, s. 1–1340.
^ M. Alonso og EJ Finn, Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics , Addison-Wesley , 1968, ISBN 0-201-00262-0 .
^ Elektromagnetisk stråling er laget av fotoner
^ "Amaldis fysikk", vol. 3, elektromagnetisme, atom- og subatomær fysikk, red. Zanichelli, 2012, s. 449.
^ Se tabellene under punktene fotoelektrisk effekt og ekstraksjonsarbeid .
^ CV Raman , S. Bhagavantam, Eksperimentelt bevis på spinn av foton ( PDF ) , i Indian Journal of Physics , vol . 6, 1931, s. 353. Hentet 17. oktober 2009 (arkivert fra originalen 3. juni 2016) .
^ C. Burgess , G. Moore, Standardmodellen. A Primer , Cambridge University Press , 2007, ISBN 0-521-86036-9 .
^ BEA Saleh og MC Teich, Fundamentals of Photonics ( Wiley, 1991)
^ HA Kramers , Quantum Mechanics , Amsterdam, Nord- Holland , 1958.
^ D. Bohm , Quantum Theory , Dover Publications , 1989 [ 1954 ] , ISBN 0-486-65969-0 .
^ TD Newton, Wigner , EP , Lokaliserte tilstander for elementærpartikler , i Reviews of Modern Physics , vol. 21, 1949, s. 400–406, DOI : 10.1103 / RevModPhys.21.400 .
^ ( DE ) W. Heisenberg , Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik , i Zeitschrift für Physik , vol. 43, 1927, s. 172–198, DOI : 10.1007 / BF01397280 .
^ LI Schiff, Quantum Mechanics , 3. utg ., McGraw-Hill, 1968, s. 10 flg., ISBN 0-07-055287-8 . .
^ "Odyssey in the zeptospace - En reise inn i fysikken til LHC", av Gian Francesco Giudice, red. Springer, 2011, s. 69.
^ et enkelt foton kan ikke produseres på denne måten siden, i massesentersystemet, har de to kolliderende partiklene null totalt bevegelsesmengde, mens for fotoner dette ikke kan skje: resultatet er at to fotoner må produseres med motsatt bevegelsesmengde slik at totalt momentum er null, i samsvar med loven om bevaring av momentum
^ For eksempel avsnitt 9.3 i M. Alonso , EJ Finn, Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics , Addison-Wesley , 1968.

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Wiktionary inneholder ordboklemmaet « foton »
Wikimedia Commons inneholder bilder eller andre filer på foton

Eksterne lenker

foton , på Treccani.it - Online Encyclopedias , Institute of the Italian Encyclopedia .

Photon , i Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

( NO ) IUPAC Gold Book, "photon" , på goldbook.iupac.org .
( EN ) Gjennomgangen av partikkelfysikk Den mest oppdaterte informasjonen om partikkelegenskaper , på pdg.lbl.gov .
( NO ) Bilder mellom sidene til CERN