15588-1 (Свойства фотона)

Свойства фотона

Электродинамический расчет фотона

Сначала коротко о свойствах фотона.

Иногда ошибочно считается, что электромагнитные кванты - это всегда микрочастицы (фотоны), но это неверно, потому что их длина волны может быть любой. Например, существуют электромагнитные кванты с длиной волны 21 см, свойства которых можно исследовать с помощью обычных радиоантенн, т.е. наблюдать у них электрические и магнитные потоки индукции. Таким образом, экспериментально подтверждено, что кванты электромагнитного потока излучения, как и все электромагнитные волны, имеют полевую структуру, т.е. состоят из электрических и магнитных потоков и, соответственно, на них распространяются все законы электродинамики. Поэтому, как любые электромагнитные волны, фотоны можно полностью рассчитывать чисто на основе электродинамики, используя только электромагнитные постоянные.

Электрические и магнитные потоки (поля) - это реальные физические объекты, представляющие одну из форм материи. Электрический поток - это количество электричества (кулон), магнитный поток - это количество магнетизма (вебер). Фотон - это квант электромагнитного потока излучения, т.е. состоит из кванта электрического потока и кванта магнитного потока. Дискретность энергии электромагнитных потоков излучения (квантов света) - это следствие дискретности энергии электрических и магнитных потоков. В электромагнитной волне энергия электрического потока всегда равна энергии магнитного потока. Согласно электродинамике, изменяющийся электрический поток образует ток смещения I_см = dФ_e/dt, а изменяющийся магнитный поток создает ЭДС U = dФ_m/dt, т.е. изменяющийся электромагнитный поток представляет ток смещения I_см = dФ_e/dt с ЭДС U = dФ_m/dt и мощностью UI_см = dФ_m·dФ_e/(dt)².

Зная частоту изменения электрического потока индукции (частоту электромагнитного кванта), можно найти ток электрического смещения:

I_см = 2ev,

где e - квант электрического потока (квант количества электричества) 1.602·10^-19 Кл, v - частота. Магнитная энергия электромагнитного кванта:

W_м = I_смФ₀/2,

где Ф₀ - квант магнитного потока (квант количества магнетизма) 2.068·10^-15 Вб. Согласно электродинамике, в поперечной электромагнитной волне электрическая энергия всегда равна магнитной W_э = W_м, поэтому полная энергия электромагнитного кванта равна:

W = W_э + W_м = 2W_м = I_смФ₀.

Коэффициент пропорциональности h = 2eФ₀ упрощает выражение:

W = I_смФ₀ = 2eФ₀v = hv.

Зная частоту изменения магнитного потока индукции, можно найти ЭДС:

U = 2Ф₀v.

Это максимальный потенциальный барьер, который может преодолеть, например, электрон при поглощении фотона. Об ЭДС фотонов можно судить по падению напряжения на светодиодах. Например, для светодиодов с красным спектром излучения 0.7·10^-6 м оно примерно равно 1.8 В.

Эффективная мощность электромагнитного возмущения:

P = UI_см = 2Ф₀v·2ev = 4eФ₀v².

Протяженность поперечного возмущения равна половине длины волны, так как в поперечном возмущении разноименные области расположены поперечно, а не продольно, что является отличием поперечного возмущения от продольного. Т.е., чтобы найти энергию, надо умножить мощность на время, равное половине периода:

W = PT/2 = 4eФ₀v²/2v = 2eФ₀v = hv.

Соотношение между ЭДС и энергией:

W = 2eФ₀v = eU.

Получается, 1 В – 1.602·10^-19 Дж, т.е. равен одному электронвольту. Таким образом, электромагнитный квант с ЭДС в один вольт обладает энергией, равной одному электронвольту (1 эВ = 1.602·10^-19 Дж). Например, в фотоне с длиной электромагнитной волны 0.5·10^-6 м:

ток смещения – 1.921·10^-4 А;

ЭДС – 2.480 В;

мощность – 4.764·10^-4 Вт;

электромагнитная энергия – 3.972·10^-19 Дж;

электромагнитная энергия в электронвольтах – 2.480 эВ (W_e = 2Ф₀v);

электромагнитная масса – 4.420·10^-36 кг (M = ee₀mm₀W).

Таким образом, в электромагнитных волнах дискретны токи смещения и энергия электрических и магнитных потоков. Для их вычисления достаточно знать частоту электромагнитного кванта, величину кванта электрического потока и кванта магнитного потока, либо вместо них, чисто для упрощения выражения, можно использовать коэффициент пропорциональности h = 2eФ₀ = 6.626·10^-34 Кл·Вб, представляющий квант электромагнитного потока, его еще называют квантом действия, изменяя размерность с Кл·Вб на Дж/Гц или Дж·с. То, что электродинамика через электромагнитные постоянные позволяет рассчитывать дискретные электромагнитные волны - фотоны, не является чем-то необычным, электродинамика и создана для того, чтобы объяснять и рассчитывать электромагнитные процессы. В том, что частица фотон имеет электрический поток такой же, как, например, у частицы электрон, также нет ничего необычного - многие частицы имеют такой же элементарный электрический поток. При движении со скоростью света этот элементарный электрический поток представляет квант магнитного потока, так как магнитный поток - это движущийся электрический поток B = m₀[vD]. В том, что частица фотон имеет электрический поток, но не имеет электрического заряда, также нет ничего необычного - электрические потоки материальны, обладают энергией (массой) и, согласно электродинамике, могут существовать без зарядов. Электрический поток, как и заряд, измеряется в кулонах и представляет количество электричества.

Теперь более подробно о свойствах фотона.

«Начнем с простой механической аналогии. Если ударить по какому-либо месту натянутого шнура, то от места удара в противоположных направлениях побегут два поперечных возмущения.»

Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.248.

Фотон является дискретной поперечной волной (поперечное возмущение); его свойства можно представить, рассмотрев другие поперечные волны, например, одиночный горб, бегущий вдоль по шнуру. Волновое возмущение, распространяясь по шнуру, переносит энергию, импульс и момент импульса. В начале горба шнур, поднимаясь (смещаясь), и в конце, опускаясь, образует момент импульса, который ориентирован поперечно направлению движения. Перенос момента количества движения отражает вихревой характер поперечных возмущений. Все поперечные возмущения переносят момент количества движения, ориентация которого зависит от типа поляризации. Линейно поляризованные возмущения, распространяющиеся по натянутому шнуру, имеют поперечную ориентацию момента количества движения, а циркулярно поляризованные - продольную.

«... уединенные волновые возмущения, локализованные в ограниченной области пространства, проявляют свойства дискретных объектов (частиц или квазичастиц); ... Они (солитоны - уединенные возмущения) обнаруживают поведение, роднящее их с материальными частицами: они локализованы в конечной области; перемещаются без деформации, перенося энергию и импульс, момент импульса; способны сохранять свою структуру при взаимодействиях (соударениях) с такими же объектами, могут образовывать связанные состояния, объединяться в коллективы (ансамбли) и т.д.»

Физическая энциклопедия. ВОЛНЫ.

Волны представляют распространяющиеся разноименные области возмущения, которые связаны с переменными (колебательными) потоками смещения среды.

Чтобы представить, как устроен фотон - квант света, надо проанализировать электродинамические процессы, протекающие в электромагнитной волне, рассмотреть полевую структуру поперечного возмущения, т.е. его вихревое электрическое поле, поток электрического смещения, ток смещения и пр.

«Электромагнитные волны - распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля.»

Энциклопедия элементарной физики. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ.

Поперечные электромагнитные волны - это распространяющиеся со скоростью света поперечные электрические смещения поля, представляющие переменные токи смещения - вихревые электрические поля.

«... свет есть частный случай электромагнитных волн. От всех остальных электромагнитных волн свет отличается только количественно - длиной волны.»

Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.2. С.18.

Согласно корпускулярно-волновому дуализму, фотоны нужно рассматривать не только как частицы, но и как электромагнитные волны. Дискретные электромагнитные потоки излучения представляют движущиеся электромагнитные кванты.

«... распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.»

Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.378.

Электромагнитные волны представляют вихревые электрические поля, являющиеся дискретными, так как электрические потоки дискретны (квант электрического потока - элементарный электрический заряд). Движущийся электрический поток обладает магнитной индукцией B = m₀[vD], т.е. любое движущееся электрическое возмущение поля представляет электромагнитное возмущение - электромагнитный поток, состоящий из двух потоков - электрического и магнитного. Если движение происходит со скоростью света, то, согласно электродинамике, энергия электрического потока равна энергии магнитного потока.

Максвелл еще в 1873 году создал теорию электромагнитного поля и описал электромагнитные волны как возмущения в виде вихревых электрических полей, поэтому свет не является чем-то неизвестным. Существенное, что изменилось со времен Максвелла, - была установлена квантовая природа полей, а так как вихревое электрическое поле представляет поток смещения поля, его дискретность приводит к дискретности возмущений, т.е. к дискретности электромагнитных волн в виде квантов света - фотонов. Фотон представляет дискретное поперечное электрическое смещение поля в один квант заряда, образующее две разноименные области возмущения поля. Рассмотрим более детально полевую структуру фотона и протекающие там электродинамические процессы с учетом квантовой природы поля.

Направление движения возмущения поля (фотона)

На рисунке условно изображено дискретное поперечное электрическое возмущение (смещение) квантового поля. Знаком (+) обозначена положительная область возмущения, знаком (-) - отрицательная. Между разноименными областями существует электрическое смещение, которое представляет электрический поток величиной в квант количества электричества. Движение (изменение) электрического потока всегда связано с током смещения. Стрелки "/\" и "\/" указывают направление тока электрического смещения квантов поля (квантов заряда). Вначале, образуя возмущение (напряженность), ток электрического смещения поля течет в одну сторону, в конце возмущения - в обратную, т.е. в результате смещения возникает область с избытком в один квант и область с недостатком - дырка, которые, распространяясь как поперечное возмущение, представляют вихревое (нестационарное) электрическое поле. Поперечное возмущение, проходя участки поля в виде расходящихся и затем сходящихся разноименных областей как поперечное противоположное движение зарядов с разными знаками, совершаемое за период в половину длины волны фотона, образует в пространстве движущийся дискретный круговой ток электрического смещения I_см = 2ev, где e - квант электрического заряда, v - частота электромагнитной волны. Эффективный радиус, по которому течет замкнутый ток смещения: r = l/2p, где l - длина волны фотона. Надо заметить, что отрицательная область возмущения создает обратное направление тока, поэтому ток замкнут по кругу (аналогия с током проводимости, где отрицательно заряженные электроны движутся в одну сторону, но принято считать, что ток течет в обратном направлении). Иногда возмущение удобнее представлять как состоящее из двух разноименных токов смещения - положительного и отрицательного. Движущийся круговой ток смещения для покоящегося наблюдателя является переменным, так как в начале распространяющегося возмущения он течет в одном направлении, в конце - в обратном.

Движение фотона представляет волну де Бройля, т.е. движение поперечного возмущения поля, согласно принципу Гюйгенса, сопровождается возникновением вторичных электромагнитных волн (отражающих поперечную полевую структуру фотона), которые, интерферируя в окружающем пространстве, гасят друг друга, не излучаясь. Таким образом, движущееся квантовое возмущение поля окружено вторичными (парциальными) волнами, которые не могут излучаться, так как в процессе распространения интерферируют между собой, гася друг друга, т.е. фотон представляет устойчивое возбужденное состояние поля (квантованное волновое образование) - стабильную элементарную частицу.

«... фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом.»

Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.381.

«Свет, испускаемый обычными источниками, представляет собой набор множества плоскополяризованных цугов волн, ...»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.401.

«Волны де Бройля - волны, связанные с любой движущейся микрочастицей, ...»