Квант - это реальность. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона Как найти энергию кванта

Некоторые физические величины, относящиеся к микрообъектам, изменяются не непрерывно, а скачкообразно. О величинах, которые могут принимать только вполне определенные, то есть дискретные значения (латинское "дискретус" означает разделенный, прерывистый), говорят, что они квантуются. В 1900 г. немецкий физик М. Планк, изучавший тепловое излучение твердых тел, пришел к выводу, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций - квантов - энергии. Значение одного кванта энергии равно: ΔE = h ν,

где ΔE - энергия кванта, Дж; ν - частота, с -1 ; h - постоянная Планка (одна из фундаментальных постоянных природы), равная 6,626·10 −34 Дж·с. Кванты энергии впоследствии назвали фотонами . Идея о квантовании энергии позволила объяснить происхождение линейчатых атомных спектров, состоящих из набора линий, объединенных в серии. Еще в 1885 г. швейцарский физик и математик И.Я. Бальмер установил, что длины волн, соответствующие определенным линиям в спектре атомов водорода, можно выразить как ряд целых чисел. Предложенное им уравнение, позднее модифицированное шведским физиком Ю.Р. Ридбергом, имеет вид:

1 / λ = R (1 / n 1 2 − 1 / n 2 2),

где λ - длина волны, см; R - постоянная Ридберга для атома водорода, равная 1,097373·10 5 см −1 , n 1 и n 2 - целые числа, причем n 1 < n 2 .

Первая квантовая теория строения атома была предложена Н. Бором. Он считал, что в изолированном атоме электроны двигаются по круговым стационарным орбитам, находясь на которых, они не излучают и не поглощают энергию. Каждой такой орбите отвечает дискретное значение энергии.
Переход электрона из одного стационарного состояния в другое сопровождается излучением кванта электромагнитного излучения, частота которого равна

ν = ΔE / h ,

где ΔE - разность энергий начального и конечного состояний электрона, h - постоянная Планка.

Дискретность энергии электрона является важнейшим принципом квантовой механики. Электроны в атоме могут иметь лишь строго определенные значения энергии. Им разрешен переход с одного уровня энергии на другой, а промежуточные состояния запрещены.

Квант (от лат. quantum - «сколько») - неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется ). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения - и последнее называют квантом . Например, энергия монохроматического электромагнитного излучения угловой частоты может принимать значения , где - редуцированная постоянная Планка, а - целое число. В этом случае имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а - смысл числа́ этих квантов (фотонов). В смысле, близком к этому, термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года - первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой.

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения - например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется».

Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соответствующих бозонным полям взаимодействия (фотон - квант электромагнитного поля, фонон - квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон - гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.

Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).

Некоторые кванты

Кванты некоторых полей имеют специальные названия:

• фотон - квант электромагнитного поля;
• глюон - квант векторного (глюонного) поля в квантовой хромодинамике (обеспечивает сильное взаимодействие);
• гравитон - гипотетический квант гравитационного поля;
• фонон - квант колебательного движения атомов кристалла.

· У всех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр, определяющий энергию волны, - это ее амплитуда (точнее, квадрат амплитуды). В случае света амплитуда определяет интенсивность излучения. Однако при изучении явления фотоэффекта - выбивания светом электронов из металла - обнаружилось, что энергия выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а зависит только от его частоты. Даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из того же металла ни одного электрона. Интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов, - но только если частота превышает некоторый порог. Оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на порции, получившие название квантов. Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна

· E = h ν ,

· где h = 4·10 -15 эВ ·с = 6·10 -34 Дж ·с - постоянная Планка, еще одна фундаментальная физическая величина, определяющая свойства нашего мира. С отдельным электроном при фотоэффекте взаимодействует отдельный квант, и если его энергии недостаточно, он не может выбить электрон из металла. Давний спор о природе света - волны это или поток частиц - разрешился в пользу своеобразного синтеза. Одни явления описываются волновыми уравнениями, а другие - представлениями о фотонах, квантах электромагнитного излучения, которые были введены в оборот двумя немецкими физиками - Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.

· Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт (1 эВ ) равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. Это очень небольшая величина, в единицах системы Си 1 эВ = 6·10 -18 Дж . Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт - вполне солидная величина.

· От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией - если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс.

Энергия фотона, согласно квантовой механике, пропорциональна частоте: , где h - постоянная Планка, Е - энергия, - частота. Длина электромагнитной волны в вакууме обратно пропорциональна частоте и выражается через скорость света: . Говоря о длине электромагнитных волн в среде, обычно подразумевают эквивалентную величину длины волны в вакууме, которая отличается на коэффициент преломления, поскольку частота волны при переходе из одной среды в другую сохраняется, а длина волны - изменяется.

Свет - электромагнитные волны видимого спектра. К видимого диапазона относятся электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7.5 10 14 - 4 10 14 Гц), т.е. с длиной волны от 400 до 760 нанометров.

В физике термин "свет" имеет широкое значение и является синонимом оптического излучения, т.е. включает в себя инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра.

Свойства света изучаются разделами физики оптикой и спектроскопией. Измерение интенсивности света - область фотометрии.

Некоторые люди думают, что квант — это лишь некая единица мельчайших размеров, никоим образом не относящаяся к реальной жизни. Однако дела обстоят далеко не так. Он не является только уделом занятия ученых. Квантовая теория важна для всех людей, так как помогает расширить свое сознание, значительно раздвигая границы миропонимания и заглядывая в самую его глубину. В ней изучается как микромир, так и обычный окружающий нас мир, на который чудесным образом удается посмотреть совершенно по-иному.

Понятие

Квант — это не есть нечто незначительное, касаемое лишь микромира. Он помогает описать окружающую реальность, исходя из собственных состояний.

Далеко не только материя и физические поля являются основой нашего мира. Они — лишь частица огромной квантовой реальности. Поэтому в будущем еще предстоит осмыслить всю глубину и широту этого простого, казалось бы, объяснения.

Квант — это неделимая фундаментальная единица энергии (quantum в переводе с латинского означает «сколько», «количество»), которая поглощается или отдается физической величиной.

Вокруг идеи развилось целое направление, получившее название квантовой физики. О ней говорят как о науке будущего.

Квантовая и классическая физика

Для большинства сначала новое направление покажется абсурдным и нелогичным. Но после углубленного изучения понятия приобретают глобальный смысл. Квантовая физика с легкостью может объяснить то, что классической не под силу.

В последней считается, что природа неизменна вне зависимости от способов ее описания. Но в квантовой физике это не так. В ее основе лежат не являющиеся основой а принцип суперпозиции. Согласно ему, квант — это частица, которая может находиться одновременно и в одном, и в другом состоянии, а также в их сумме. Поэтому невозможно рассчитать точно, где он будет находиться в какой-то момент времени. Возможно лишь вычисление вероятности.

В ней строится не физического тела, как обычно, а распределение вероятностей, изменяющихся во времени.

В классической физике также присутствует вероятность, но только в том случае, если исследователь не знает свойств объекта. В квантовой науке присутствует в любом случае всегда.

В классической механике используются любые значения скорости и энергии. В новой — только такие, которым соответствует собственное состояние. Это так называемые квантованные, определенные значения.

Гипотеза Макса Планка

Тело, которое нагрето, отдает и поглощает свет определенными порциями, а не непрерывно. Квант энергии — это и есть те минимальные частицы, о которых идет речь.

Каждая порция прямо пропорциональна частоте излучения. Коэффициент пропорциональности был назван в честь его открывателя постоянной Планка (хотя к нему некоторое отношение имел и Эйнштейн). Она равна 6,6265*10(-34) Дж/с.

Такова была гипотеза, озвученная Максом Планком в 1900 году, на основе которой удалось вычислить закон распределения энергии в спектре, который хорошо соответствовал экспериментальным данным. Таким образом, квантовая гипотеза подтверждалась. Она стала настоящей революцией. Множество физиков подхватило эту гипотезу, и так стала развиваться квантовая наука.

и квантовая реальность

Далеко не одним только научным деятелям-теоретикам было интересно новое направление. Многие мистические явления стало возможно объяснить научно. Хотя некоторые называют это «псевдонаукой».

Тем не менее, люди, интересовавшиеся ею, могли расширить границы своего восприятия и увидеть или почувствовать запредельное.

Например, стало очевидным, что квант света — это передача энергии Вселенной в сознание через пространственно-временной континиум. Ведь он является излучением энергии-частоты, которую называют также огненными символами ДНК или световыми кодами. Они поступают на планету через поток энергетической частоты. На теле человека — через систему чакр.

Сознание и материя — это энергия-частота. Все чувства, мысли и эмоции генерируют импульсы электричества, которые формируют световое тело. В основном на Земле имеются очень низкочастотные вибрации. Но те люди, которые научились получать из Вселенной энергию, входящую в квант излучения, это духовно развивающиеся индивиды, которые формируют свое световое тело на высоких частотах. Они могут не только освободиться от негативных вибраций, господствующих на планете, но и очищать пространство вокруг себя, помогая таким образом другим людям перейти на новый уровень развития.

Квант - неделимая порция какой-либо величины в физике. Фотон - квант электромагнитного поля;

Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Ско́рость све́та - абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией - если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс. Если световой пучок падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды разной оптической плотности, например воздух и воду, то часть света отражается от этой поверхности, а другая часть - проникает во вторую среду. При переходе из одной среды в другую луч света изменяет направление на границе этих сред. Это явление называется

преломлением света. Опыты показывают, что при одном и том же угле падения угол преломления тем меньше, чем плотнее в оптическом отношении среда, в которую проникает луч. Если свет идёт из среды более оптически плотной в среду менее плотную, то угол преломления луча больше угла падения. 1 . На границе раздела двух сред различной оптической плотности луч света при переходе из одной среды в другую меняет своё направление. 2. При переходе луча света в среду с большей оптической плотностью угол преломления меньше угла падения; при переходе луча света из оптически более плотной среды в среду менее плотную угол преломления больше угла падения. Преломление света сопровождается отражением, причём с увеличением угла падения яркость отражённого пучка возрастает, а преломлённого ослабевает. Чем более плотная среда тем меньше скорость света, чем менее плотная среда тем больше скорость света. Максимальное значение скорости света (в вакууме 3*10 в 8 степени м/с)

3.7 Спектр. Условия образования спектров излучения. Характер распределения энергии в спектре: непрерывные, линейчатые, полосатые спектры и системы их излучающие

Спектр - распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр - спектр частот электромагнитного излучения. В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671-1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму. Непрерывные спектры , как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры. Линейчатый спектр. это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного цвета (длины волны, частоты), имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр. Каждая линия имеет конечную ширину Это самый фундаментальный, основной тип спектров. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр. Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Полосатые спектры . Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Распределение энергии в спектре. Энергия теплового излучения с непрерывным спектром распределяется неравномерно по разным частям спектра. Характер этого распределения зависит как от температуры, так и от природы излучающего тела. Эмиссионный спектр, спектр излучения, спектр испускания - относительная интенсивность электромагнитного излучения объекта исследования по шкале частот. Обычно изучается излучение в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне от сильно нагретого вещества. Спектр излучения вещества представляют либо в виде горизонтальной цветовой полосы - результат расщепления света от объекта призмой - либо в виде графика относительной интенсивности, либо в виде таблицы. Нагретое вещество излучает электромагнитные волны (фотоны). Спектр этого излучения на фоне спектра излучения абсолютно чёрного тела, при достаточной температуре, на определённых частотах имеет ярко выраженные увеличения интенсивности. Причина повышения интенсивности излучения - в электронах, находящихся в условиях квантования энергии. Такие условия возникают внутри атома, в молекулах и кристаллах. Возбуждённые электроны переходят из состояния бо́льшей энергии в состояние меньшей энергии с испусканием фотона. Разница энергий уровней определяет энергию испущенного фотона, и следовательно его частоту в соответствии с формулой: Е=hv, где Е – энергия фотона, h- постоянная Планка, v –частота.

У всех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр, определяющий энергию волны, - это ее амплитуда (точнее, квадрат амплитуды). В случае света амплитуда определяет интенсивность излучения. Однако при изучении явления фотоэффекта - выбивания светом электронов из металла - обнаружилось, что энергия выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а зависит только от его частоты. Даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из того же металла ни одного электрона. Интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов, - но только если частота превышает некоторый порог. Оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на порции, получившие название квантов. Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна

E = h ν ,

где h = 4·10 –15 эВ ·с = 6·10 –34 Дж ·с - постоянная Планка, еще одна фундаментальная физическая величина, определяющая свойства нашего мира. С отдельным электроном при фотоэффекте взаимодействует отдельный квант, и если его энергии недостаточно, он не может выбить электрон из металла. Давний спор о природе света - волны это или поток частиц - разрешился в пользу своеобразного синтеза. Одни явления описываются волновыми уравнениями, а другие - представлениями о фотонах, квантах электромагнитного излучения, которые были введены в оборот двумя немецкими физиками - Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.

Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт (1 эВ ) равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. Это очень небольшая величина, в единицах системы Си 1 эВ = 1,6·10 –19 Дж . Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт - вполне солидная величина.

От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией - если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс.

Немного забегая вперед, приведем примеры. Энергии СВЧ-квантов хватает для возбуждения вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния некоторых молекул, например воды. Энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах. Этим определяется, например, поглощение инфракрасного излучения в атмосфере. Кванты видимого света имеют энергию 2–3 эВ - этого достаточно для нарушения химических связей и провоцирования некоторых химических реакций, например, тех, что протекают в фотопленке и в сетчатке глаза. Ультрафиолетовые кванты могут разрушать более сильные химические связи, а также ионизировать атомы, отрывая внешние электроны. Это делает ультрафиолет опасным для жизни. Рентгеновское излучение может вырывать из атомов электроны с внутренних оболочек, а также возбуждать колебания внутри атомных ядер. Гамма-излучение способно разрушать атомные ядра, а самые энергичные гамма-кванты даже внедряются в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны.