Энергия, масса и импульс фотона

Физика > Энергия, масса и импульс фотона

 

Рассмотрите характеристики фотона: энергия, масса и импульс. Читайте, что такое элементарная частица, фотоэффект, излучение черного тела, формулы, квант света.

Фотон считается элементарной частичкой. Это квант света, транспортирующий импульс и энергию.

Задача обучения

• Разобраться в физических характеристиках фотона.

Основные пункты

• E = hν – энергия фотона выступает пропорциональной его частоте.
• P = ℏk – момент фотона выступает пропорциональным волновому вектору.
• Масса остатка приравнивается к 0.

Термины

• Излучение черного тела – разновидность электромагнитных лучей внутри или вокруг тела в термодинамическом балансе. Излучается черным телом со стабильным равномерным температурным показателем.
• Элементарная частичка – не обладает субструктурой.
• Фотоэлектрический эффект – появление электронов из-за поглощения энергии от электромагнитных лучей.

Фотон выступает элементарной частичкой. Это квант света, лишенный массы в состоянии покоя и электрического заряда. Современная концепция построена на работах Альберта Эйнштейна, старавшегося объяснить экспериментальные наблюдения фотоэлектрических эффектов, которые не соответствовали классической волновой модели света. Например, модель фотонов учитывала тот факт, что энергия света зависит от частоты. Явление черного тела объяснил Макс Планк, основываясь на квазиклассических моделях, где свет характеризуется формулами Максвелла, но материальные объекты поглощают и излучают свет в количествах квантованных энергий.

Фотоны фигурируют во множестве привычных процессах. К примеру, они появляются в торшерах и лазерах. При ускорении заряд выпускает фотоны, что именуют синхротронным излучением. В молекулярных, ядерных и атомных переходах на пониженный энергетический уровень фотоны выбрасываются или поглощаются. Также фотон появляется при аннигиляции частички и античастицы. Давайте посмотрим, как выглядит характеристика фотона.

Фотоны излучаются в когерентном лазерном пучке

Энергия фотона: Она оказывается в прямой пропорциональности частоте, а коэффициентом пропорциональности служит постоянная Планка. Поэтому E = hν, где E – энергия, а ν – частота.

Импульс фотона: В специальной теории относительности энергия, импульс и масса покоя соотносятся как E² = (mc²)² + p²c² (c – световая скорость). В случае фотона с нулевой массой покоя получаем E = pc. Соединяем с первой формулой и выводим:

p = hν/c = h/λ (λ – длина световой волны).

Импульс фотона – векторная величина, а р указывает направленность распространения фотона, поэтому можно записать р = ℏk, где ℏ = h/2p, а k – волновой вектор.

Тогда, как объект с нулевой массой покоя способен располагать ненулевым импульсом? Подобная путаница часто образуется из-за использования формы импульса (mv – в нерелятивистской механике и γmv – в релятивистской, где v – скорость и Эту формулу нельзя применять при v = с.

---