Чем квант отличается от фотона
Перейти к содержимому

Чем квант отличается от фотона

  • автор:

Чем квант отличается от фотона

Гамма-квант (γ) – фотон большой энергии, т.е. квант гамма-излучения. Условно гамма-квантами считают фотоны с энергией больше 10 кэВ. Гамма-кванты могут испускаться (поглощаться) атомными ядрами при переходах из одного квантового состояния в другое, при превращениях элементарных частиц, торможении заряженных частиц высокой энергии, синхротронном излучении. Примером процесса с участием элементарных частиц, в котором рождаются гамма-кванты, является аннигиляция (уничтожение) электрона е- и позитрона е + с образованием двух фотонов: е − + е + → 2γ. Если аннигилируют практически неподвижные е — и е + , то фотоны уносят энергию, равную сумме энергий покоя е − и е + , т.е. энергию
2mс 2 = 2·0.511 МэВ = 1.022 МэВ, где m – масса электрона и позитрона. Фотоны разлетаются в противоположные стороны и каждый уносит энергию 0.511 МэВ.

Кванты и фотоны

Физически кванты и фотоны — это одно и то же, а исторически разница между ними та же, что между призывником и солдатом, замыслом и воплощением.

Но вот что интересно: сделав решительный шаг вперед, Эйнштейн вместе с тем как бы отступил назад — во вчерашний день физики.

Биография фотона неожиданно связала вчера и сегодня в истории открытия элементарных частиц материи. Это двухвековая биография. Некоторые ее эпизоды только что и разворачивались перед нами. Теперь нужно вставить в их цепь начальное звено, чтобы цепь замкнулась, как в рассказе о всяком стоящем приключении, даже если это лишь приключение ищущей человеческой мысли.

Дело в том, что за двести лет до Эйнштейна частицы света уже существовали в науке. Они появились почти одновременно с волнами Гюйгенса. Их придумал Ньютон. Этим-то он и обогатил будущих «алхимиков», не сумев ничем помочь современникам. В отличие от волновой его теория света называлась «теорией истечения». Световым частицам он дал имя — корпускулы, что значило по-латыни «маленькие тела». Оттого и теория его получила второе название — корпускулярная. Так называют и сегодня фотонную теорию Эйнштейна.

Так что же — снова подтверждается старая поговорка: «Ничего нет нового под луной»? Тем наглядней подтверждается, что и мысль-то об излучении света как об истечении особого вещества была и во времена Ньютона вовсе не нова. Мы же застали Кеплера у дверей пражского казначейства как раз за размышлением на эту тему, а он ведь умер, когда Ньютон еще не родился!

Нет, не стоит все же безоговорочно полагаться на старую мудрость. Ньютон не повторял Кеплера, а Эйнштейн — Ньютона. Верно лишь одно: спор между идеями прерывности и непрерывности — очень старый спор в физической науке.

Кеплер думал, что световое вещество истекает непрерывно и движется с бесконечной скоростью. А во времена Ньютона Ремер уже доказал конечность скорости света. Ньютону виделась иная картина, чем Кеплеру: истечение прерывистого светового вещества. И при этом световые корпускулы разного цвета представлялись ему тельцами разной величины — красные были самыми большими, фиолетовые — самыми маленькими, и, соответственно своим размерам, они двигались, по его предположению, с разными скоростями.

Что еще мог сказать Ньютон о придуманных им корпускулах? Чтобы объяснить преломление света, он сказал, что корпускулы притягиваются веществом призмы. А для объяснения отражения света он снабдил их еще и противоположной способностью — отталкиваться от вещества. В объяснении нуждалось множество явлений, и с ньютоновыми корпускулами получалось примерно то же, что с эфиром: им надо было приписывать все новые и новые противоречивые качества.

Сознавая это, а еще больше, вероятно, предвидя будущие затруднения, Ньютон так же не настаивал на своей теории истечения, как и на дальнодействии через пустоту. «Я гипотез не строю». На том и на другом настаивали его ученики. Они были, как говорят в Риме, правовернее папы.

Весь XVIII век господствовала теория истечения, весь XIX век — теория волновая. В долгой борьбе Гюйгенс, казалось, навсегда победил Ньютона: волновая теория, хоть и опиравшаяся на предательский эфир, объясняла’ такие явления, в которых никак не могли быть повинны прямолинейно летящие корпускулы.

Вот одно из них, прекрасно описанное М. Минартом в его известной книге «Свет и цвет в природе»:

«. Ночь. Вдалеке шум автомобиля, приближающегося к нам. Его фары бросают ослепительные лучи света 1на широкую дорогу. Велосипедист случайно пересекает эти ослепительные лучи так, что мы на мгновенье оказываемся в его тени. И тогда внезапно силуэт велосипедиста обрисовывается удивительно красивым светом, как будто излучаемым краем силуэта. Тот же эффект можно наблюдать у пешеходов и у деревьев».

Но ведь это значит, что свет способен огибать препятствия? И не «как бы огибать», а действительно делать это.

Да. Совершенно так же, как морские волны огибают мол. Это называется дифракцией (все на той же ученой латыни). Однако поток световых частиц, как пригоршня с силой брошенных песчинок, загибаться за край преграды не мог бы. Это неотъемлемое свойство волн. Оно и принесло теории Гюйгенса торжество. Идеи Ньютона должны были отступиться.

Но. «никогда не должно пренебрегать предвидениями или гаданиями гениальных людей». Это сказал французский физик и астроном Араго. Замечательно, что сам он, крупный ученый, работая в середине XIX века над биографией Ньютона, не счел нужным хотя бы словом обмолвиться об его корпускулярной теории, — такой незыблемой казалась тогда теория волновая. Он пренебрег «предвидениями и гаданиями» Ньютона, хотя о гениальности его говорил на каждой странице.

Оказывается, чтобы не пренебрегать чем-нибудь, надо знать заранее, чего оно стоит!

Араго знал, что корпускулы света — вчерашний день физики, но он не знал, что они еще и предвидение. Такие вещи всегда узнаются задним числом. Когда появились кванты Планка и фотонная теория Эйнштейна, о забытых корпускулах Ньютона вспомнили все.

Но как раз теперь-то воспоминание о них уже ничего существенного не могло дать науке: в физических свойствах фотонов и старых корпускул не было почти ничего общего. Й фотоны появились не потому, что Эйнштейн вспомнил о Ньютоне раньше других, а потому, что одной волнообразно- стью света уже нельзя было объяснить новых фактов. Пришлось увидеть еще и прерывистый град там, где прежде усматривали лишь непрерывный ветер. Но всего удивительней — и об этом рассказ впереди, — что пришлось вернуться к частицам, не отвергая волн.

. Хотя цепь, пожалуй, и замкнулась, биография фотона на этом, конечно, не обрывается. Скорее, здесь только и начинается главное. Правда, это главное исторически вовсе не было связано с биографией частицы света: нам надо прикоснуться к физическим прозрениям еще одной революционной теории в естествознании XX века — теории относительности. Надо заглянуть в странный неклассический мир открытых ею законов движения материи. В наших «путевых заметках» без этого не обойтись. (Один остроумный философ говорил, что о гуляющем человеке никогда нельзя сказать, будто он делает крюк. Такой «крюк» и есть самый маршрут прогулки.)

Так попробуем, вопреки истории рождения идей теории относительности и вопреки общепринятым традициям рассказа о них, попробуем взять себе в провожатые по странному миру этих идей именно фотон, как одну из «первооснов материи». Может быть, тогда этот мир предстанет перед нами весомо, грубо и зримо — не как абстракция, а как физическая неизбежность.

Смотрите также:

Книга содержит сведения о жизни и деятельности ученых, внесших значительный вклад в развитие науки.
О физике

Эта книга адресована всем, кто интересуется физикой. В наше время знание основ физики необходимо каждому, чтобы иметь правильное представление об окружающем мире

И старшего. Школьного возраста. 2-е издание исправленное и дополненное. В этой книге Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках

В 1667 г. появилась книга И. Бехера «Подземная физика», в которой нашли отражение идеи автора о составных первоначалах сложных тел.

Последние добавления:

Разбираемся в физике частиц: 7) частицы – это кванты

Вот мы, наконец, и добрались до нашей цели: понять, что на самом деле представляют собой те штуки, что мы зовём «частицами», а именно – электроны, фотоны, кварки, глюоны и нейтрино. Всё, это, конечно же относится к современной науке. Стоит помнить, что в науке нет никаких гарантий того, что текущее понимание не будет в дальнейшем углублено.

Предыдущая статья описывала, что такое поля – объекты, обладающие значением в любой точке пространства и в любой момент времени (функции от пространства и времени), удовлетворяющие уравнению движения, и физически осмысленные в плане того, что они способны переносить энергию из одного места в другое и влиять на физические процессы Вселенной.

Мы узнали, что большинство знакомых нам полей описывают свойство среды, такой, как высота верёвки или давление в газе. Но также мы узнали, что в эйнштейновской теории относительности существует особый класс полей, релятивистские поля, не требующие среды. Или, по крайней мере, если у них и есть среда, она весьма необычная. Ничто в уравнениях поля не требует наличия какой-то среды и не говорит о том, какое свойство этой среды описывают релятивистские поля.

Так что пока мы будем рассматривать релятивистские поля как элементарные физические объекты вселенной, а не как определённые свойства неизвестной среды. Будет ли среди физиков поддерживаться такая точка зрения и дальше – покажет время.

Мы рассматривали два класса релятивистских полей, и теперь мы изучим их чуть подробнее. Они удовлетворяют либо уравнению движения Класса 0, где cw = c (где c – универсальный предел скорости, часто называемый «скоростью света»).

Или уравнениям движения Класса 1, где cw=c

В предыдущей статье показано, что μ – минимальная частота волны в таких полях. В этой статье мы будем обозначать её νmin.

Почему универсальный предел скорости часто называют скоростью света? Волны с уравнением класса 0 перемещаются со скоростью cw. Свет (общий термин, обозначающий электромагнитные волны любой частоты), перемещаясь через пустое пространство, удовлетворяет релятивистскому уравнению класса 0, поэтому волны света (и волны любых релятивистских полей, удовлетворяющих релятивистскому уравнению класса 0) перемещаются со скоростью c.

Более того, в той же статье мы видели, что если у поля класса 1 есть волна с амплитудой А, частотой ν, длиной волны λ и равновесным состоянием Z0, то уравнение движения требует, чтобы частота и длина волны были связаны с величиной μ = νmin, появляющейся в уравнениях, формулой

Это пифагорова формула – её можно при желании представить в виде треугольника, как на рис. 1. Минимальная частота любой волны равна νmin, а присвоение ν = νmin (и, следовательно, при λ → ∞), соответствует сжатию треугольника до вертикальной линии (рис. 1, внизу). Также можно получить схожее соотношение класса 0, сделав μ = νmin нулевым. Потом можно извлечь квадратный корень, и получить

Это уже треугольник, сжатый до горизонтальной линии (рис. 1, справа). В этом случае минимальная частота равна нулю. Поле может колебаться как угодно медленно.

image

Рис. 1

На А никаких ограничений нет. Но это оттого, что мы игнорируем квантовую механику. Пришло время изучить релятивистские квантовые поля.

Релятивистские квантовые поля

Реальный мир – квантово-механический, поэтому амплитуда А не может быть любой. Она принимает дискретные значения, пропорциональные квадратному корню из n, неотрицательного целого числа, обозначающего количество квантов колебаний в волне. Хранящаяся в волне энергия равна

Где h – постоянная Планка, обязательно появляющаяся там, где квантовая механика имеет значение. Иначе говоря, энергия, связанная с каждым квантом колебаний, зависит только от частоты колебаний волны, и равна

Это соотношение впервые было предложено, конкретно для волн света, Эйнштейном в 1905 году, в его объяснении фотоэлектрического эффекта.

Но вспомним наше пифагорово соотношение частоты и длины волны. Если мы умножим его на h 2 , мы получим, что для кванта поля класса 1

Выглядит знакомо. Мы уже знаем, что любой объект в эйнштейновской теории относительности должен удовлетворять уравнению, описывающему его энергию, импульс и массу:

Ещё одно пифагорово соотношение. Минимальная энергия объекта равна mc 2 , что напоминает утверждение о минимальной частоте, которой может обладать волна класса 1, νmin. У нас может возникнуть искушение предположить, что, вероятно, для кванта релятивистского поля

Первое уравнение впервые появилось в работе Луи Де Бройля в 1924 году – почти через 20 лет после Эйнштейна. Почему это заняло так много времени? Я не знаю.

Рис. 2

Имеет ли это смысл? Как мы отмечали, в релятивистские поля класса 0 входят и электрические поля, а их волны – это электромагнитные волны, то есть, свет. Версия формулы (*), которую мы получаем для квантов класса 0, такая же, как для полей класса 1, у которых μ = νmin приравнивается к нулю – то есть, m = 0. Извлечём квадратный корень, и получим

Или Эйнштейновское уравнение для безмассовых частиц. А кванты электромагнитных волн (включая все виды света: видимый, ультрафиолет, инфракрасный, радиоволны, гамма-излучение, и т.п., отличающиеся только частотой, и, следовательно, энергией квантов) и правда будут безмассовыми частицами – как только мы применим указанную выше пару уравнений (**) и (***). Это фотоны.

Из уравнения (***) мы, наконец, можем подсчитать массу частицы. Каждая обладающая массой частица – это квант поля класса 1. Минимальная частота таких волн равна νmin. Минимальная энергия одного кванта такой волны равна h, помноженной на частоту. А масса частицы – просто минимальная энергия, делённая на c 2 .

Если мы хотим понять, откуда берётся масса частицы, нам нужно понять, что определяет νmin, и почему вообще существует минимальная частота. Для таких частиц, как электроны и кварки, это полностью неясно, но известно, что в этом важную роль играет поле Хиггса.

Заключим: частицы природы – это кванты релятивистских квантовых полей. Безмассовые частицы – это кванты волн полей, удовлетворяющих уравнению класса 0. Обладающие массой соответствуют полям уравнения класса 1. Всяких деталей существует множество, но этот факт – одно из основных фундаментальных свойств нашего мира.

Действительно ли эти кванты ведут себя как частицы?

Мы представляем себе частицы, как частички пыли или песчинки. Кванты в этом смысле частицами не являются – это волны, у которых для определённой частоты есть минимальные энергия и амплитуда. Но они ведут себя так похоже на частицы, что нас можно простить за использование слова «частица» в их описании. Посмотрим, почему так.

Если поднять волну в воде, и позволить ей пройти через камни, лежащие неглубоко под поверхностью, часть волны перейдёт линию камней, а часть отразится, как показано на рис. 3. То, какая именно часть волны перейдёт линию, зависит от формы камней, их близости к поверхности, и т.п. Но суть в том, что часть волны передаётся через камни, а часть отразится. Часть энергии волны пойдёт в том же направлении, часть пойдёт в обратном.

Но если вы отправите один фотон в сторону отражающего стекла, этот фотон либо пройдёт сквозь него, либо отразится (рис. 4). Точнее сказать, если вы измерите поведение фотона, то узнаете, отразился он или передался. Если не измерите – невозможно будет сказать, что произошло. Добро пожаловать в болото квантовой механики. Фотон – это квант. Его энергию нельзя поделить на часть, которая прошла через стекло, и часть, которая отразилась – потому что тогда с каждой стороны будет меньше одного кванта, что запрещено. (Мелкий шрифт: стекло не меняет частоту фотона, поэтому энергию нельзя разделить между двумя или более квантами меньших частот). Так что фотон, хотя это и волна, ведёт себя как частица в этом случае. Он либо отражается от стекла, либо нет. Отражается он, или нет – этого квантовая механика не предсказывает. Она даёт только вероятность отражения. Но она предсказывает, что, что бы там ни произошло, фотон будет путешествовать как единое целое и сохранять свою идентичность.

А что будет с двумя фотонами? Это зависит. К примеру, если фотоны испущены в разное время из разных мест, то наблюдатель увидит два кванта, разделённых в пространстве, и, вероятно, двигающихся в разных направлениях (рис. 5). У них могут быть и разные частоты.

Рис. 5: независимые кванты

В особом случае, когда два фотона испускаются совместно и идеально синхронно (как в лазерах), они ведут себя, как показано на рис. 6. Если мы отправим комбинацию из двух фотонов на стекло, то сможет случиться не две, а три вещи. Либо оба фотона пройдут через стекло, либо оба отразятся, либо один пройдёт, а другой отразится. От стекла отразятся 0, 1 или 2 фотона – других вариантов нет. В этом смысле кванты света опять ведут себя, как частицы, как маленькие мячики – если бросить два мяча в решётку, в которой есть отверстия, то от решётки смогут отразиться 0, 1 или 2 мяча, и через отверстия пройдут 0, 1 или 2 мяча. Не существует возможности, в которой от решётки отразится 1,538 мяча.

Но это фотоны, которые, не имея массы, обязаны двигаться со скоростью света и E = p c. Что насчёт частиц с массой, вроде электронов? Электроны – это кванты электрического поля, и, как и фотоны, их можно испускать, поглощать, отражать или передавать как единое целое. У них есть определённые энергия и импульс, , где me — это масса электрона. Отличие электронов от фотонов в том, что они движутся медленнее света, поэтому могут и покоиться. Зарисовка такого события (в квантовой механике из-за принципа неопределённости ничто не может быть по-настоящему статичным) стационарного электрона дана на рис. 7. Это волна минимальной частоты, полученной присвоением длине волны очень большого, практически бесконечного, значения. Поэтому пространственная форма волны на рис. не демонстрирует никаких извилин – она просто колеблется во времени.

Так что, да, на самом деле кванты ведут себя очень похоже на частицы, и потому называть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны, W-частицы и частицы Хиггса «частицами» не будет катастрофическим обманом. Но слово «квант» подходит для этого лучше – потому что это именно кванты.

Чем фермионы и бозоны отличаются друг от друга

• Все элементарные частицы делятся на фермионы и бозоны.
• Фермионы (включая электроны, кварки и нейтрино) удовлетворяют принципу запрета Паули – два фермиона одного типа не могут делать одно и то же.
• Бозоны (включая фотоны, W и Z частицы, глюоны, гравитоны и частицы Хиггса) другие: два или более бозонов одного типа могут делать одно и то же.

Именно поэтому из фотонов можно делать лазеры – поскольку они бозоны, они могут находиться в одинаковом состоянии и порождать мощный луч одного света. Но лазер нельзя сделать из электронов, являющихся фермионами.

Как проявляет себя это различие на языке математики? Оказывается, что приводимые мною формулы подходят для бозонов, а для фермионов их нужно изменить – слегка, но с большими последствиями. Для бозонов у нас будет:

Что означает, что энергия каждого кванта равна h ν. Это подразумевает, что кванты-бозоны могут делать одно и то же; когда n больше 1, у бозонного поля волна будет состоять из нескольких квантов, колеблющихся и движущихся совместно. Но для фермионов:

Энергия одного кванта всё ещё равна h ν, так что всё обсуждение частиц и их энергий, импульса и масс остаётся в силе. Но количество квантов у электронной волны может равняться только 0 или 1. Десять электронов, в отличие от десяти фотонов, нельзя организовать в одну волну большей амплитуды. Поэтому не существует фермионных волн, состоящих из большого количества фермионов, колеблющихся и движущихся совместно.

Чем отличается в физике фотон от кванта?

Квант — более общее понятие, элементарная частица.
А фотон это одна из разновидностей таких частиц.
ЧАСТИЦА СВЕТА.

Источник: физика
Остальные ответы

А вы проявите дедуктивный метод.
Каждый фотон является квантом. Но не каждый квант является фотоном.

Квант — неделимая порция какой-либо величины.
Фотон — квант светового излучения.

Похожие вопросы
Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *