Какие электроны поглощают фотоны а какие рассеивают

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНА СО СВОБОДНЫМ ЭЛЕКТРОНОМ

1.1. Виды фотоэлектрического эффекта.

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) – процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передаётся электронам вещества.

Различают несколько видов фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект – это изменение энергетического спектра электронов в конденсированных средах под действием поглощённого электромагнитного излучения. Происходят вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободное без вылета наружу.

Вентильный фотоэффект – возникновение электродвижущей силы вследствие внутреннего фотоэффекта вблизи поверхности контакта полупроводника с металлом или другим полупроводником.

Ядерный фотоэффект (фотоядерная реакция) – расщепление ядерных спинов гамма-квантами.

Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) – испускание электронов поверхностью твёрдого или жидкого тела в вакуум или другую среду, происходящее под действием падающего на поверхность электромагнитного излучения.

1.2. Законы внешнего фотоэффекта.

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу природы и механизма теплового излучения абсолютно чёрного тела, получила дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта. В свою очередь, открытие и исследование фотоэффекта сыграло важную роль в становлении квантовой теории света и квантовой механики.

Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внешний фотоэффект открыт в 1887 году Г. Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовыми лучами.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским учёным А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис.1.

Два электрода (катод из исследуемого металла и анод – в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра можно менять не только значения, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности:

1. Наиболее эффективное действие вызывают ультрафиолетовые лучи.

2. Под действием света вещество теряет только отрицательные заряды.

3. Сила тока, возникающего под действием света, прямопропорциональна его интенсивности.

В 1899 г. Ф. Ленард (нем. 1862 – 1947 г.г.) и У. Томсон (Кельвин) (англ.1824 – 1907 г.г.) методом отклонения заряда в электрическом и магнитном полях определили удельный заряд частиц, вырываемых светом из катода, доказав, что эти частицы являются электронами. Это было подтверждено в 1922 г. опытами физиков П. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова, исследовавших фотоэффект на микроскопических заряженных металлических пылинках.

Приведённая на рис.1. схема экспериментальной установки позволяет использовать вольт-амперную характеристику фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещённостям Е катода (при n = const света), приведена на рис. 2. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. всё большее число электронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока I_нас – фототок насыщения определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где N – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из вольт-амперной характеристики видно, что при u = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью u, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того, чтобы сила фототока стала равной нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение (- U_з). При U = -U_з ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью u_,max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

т. е, измерив задерживающее напряжение, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

Изучались вольт-амперные характеристики разнообразных материалов при различных частотах v падающего на катод излучения (рис. 3) и различных освещённостях Е катода (рис. 4).

При этом важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях.

В результате обобщения полученных опытных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта:

I закон: (закон Столетова) при фиксированной частоте (v = const) падающего света число фотоэлектронов (N), вырываемых из катода в единицу времени, пропорциональна интенсивности или сила фототока насыщения I_н пропорциональна освещенности катода (рис. 4, 5).

II закон: максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой и линейно возрастает с увеличением частоты. (рис. 3 и формула (1), рис. 6).

III закон: для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Законы фотоэффекта с волновой точки зрения на природу света не объяснимы. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл, тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия, с которой электрон вырывается из металла, должна была бы зависеть от интенсивности падающего света,

т. к. с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Т.к. по волновой теории энергия, передаваемая электроном, пропорциональна инт6енсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла.

Иными словами, «красная граница» фотоэффекта не должна отсутствовать, что противоречит III закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами.

УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА.

А. Эйнштейн в 1905 г показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории света. Согласно Эйнштейну, свет частотой n не только испускается, как это предложил М. Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых Е = h n. Т.о, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (с = 3 . 10 8 м/с). Эти кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

Фотоэффект – явление квантовое. Элементарный акт внешнего фотоэффекта можно представить состоящим из трех процессов:

— поглощение фотона электроном вещества;

— движение электрона, обладающего избыточной энергией к поверхности тела;

— прохождение его через поверхностный потенциальный барьер с совершением работы выхода А_вых.

По Эйнштейну квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально числу N поглощенных фотонов, т.е. пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта).

Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно (

Уравнение Эйнштейна выражает закон сохранения энергии для системы фотон – связанный электрон металла. Электрон, поглотив фотон, увеличивает свою энергию на величину hn. Часть этой энергии, равная работе выхода А_вых, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть вещество. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, его часть энергии может быть потеряна вследствие случайных столкновений в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество. Эта энергия будет максимальной, если потери равны нулю. Закон сохранения энергии запишется в виде:

Это уравнение Эйнштейна – основное уравнение фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III закон фотоэффекта. Из (2) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), т.к. ни А_вых, ни n от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Т.к. с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для заданного металла А_вых = const), то при некоторой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Уравнение (2) примет вид:

откуда получим, что

и есть «красная граница» фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

ЭФФЕКТ КОМПТОНА.

Наиболее ярко корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона (амер. 1892 – 1962). Комптон, исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматических рентгеновских (l=const) лучей веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн (l ¢).

Опыты показали, что разность длин волн D l = l ¢ — l не зависит от длины волны падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только величиной угла рассеяния Q:

D l = l ¢ — l , (4)

где l ¢ — длина волны рассеянного излучения; l_с – комптоновская длина волны (при рассеянии фотона на электроне l_с = 2,426 пм).

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние электромагнитного излучения (рентгеновского и g -излучения) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает волны той же частоты.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, что излучение имеет корпускулярную природу, т.е. представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона – результат упругого соударения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для лёгких атомов электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными). В процессе этого столкновения фотон передаёт электрону часть своих энергий и импульса в соответствии с законами их сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц (рис.7) – налетающего фотона, обладающего импульсом и энергией , с покоящимся свободным электроном (энергия покоя — масса покоя электрона). Фотон, столкнувшись с электроном, передаёт ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление (рассеи вается). Уменьшение энергии фотона и означает увеличение длины волны рассеянного излучения. Пусть импульс и энергия рассеянного фотона равны и .Электрон, ранее покоившийся, приобретает импульс и энергию и приходит в движение – испытывает отдачу. При каждом таком столкновении выполняются законы сохранения энергии и импульса.

Согласно закону сохранения энергии:

а согласно закону сохранения импульса:

При составлении уравнения закона сохранения энергии надо принять во внимание зависимость массы электрона от скорости, т.к. скорость электрона после рассеяния может быть значительной. В соответствии с этим кинетическая энергия электрона выразится как разность энергии электрона после и до рассеяния, т.е.

где т _о – масса покоящегося электрона (ибо скорость электрона в рассеивающем теле мала), — масса электрона, получившего в результате акта рассеяния значительную скорость.

Итак, условие сохранения энергии (5) имеет вид:

а условие сохранения импульса на основании рис.7 запишется в виде:

Выразим из (7) тс 2 и возведем в квадрат:

(тс 2 ) 2 = (hn + т _о c 2 — hn ¢) 2 ,

Приведем к общему знаменателю (8):

Вычтем из уравнения (9) уравнение (10):

Приведем подобные и учтем, что , т.е. т 2 с 2 – т 2 u 2 = т _о 2 с 2 :

или после сокращения на 2 h получим:

Выражение (11) есть не что иное, как полученная экспериментально Комптоном формула (4). Подстановка в нее значений h, т _о и с дает комптоновскую длину волны:

Для электрона т _о = 9,11 . 10 31 кг, поэтому для него комптоновская длина волны l_с = 2,426 пм.

Выводы

1. Величина комптоновского сдвига D l не зависит от длины волны рассеивающего излучения.

2. Увеличение длины волны D l зависит только от угла рассеивания. Наибольшее увеличение D l = 2 l_е соответствует Q = p.

3. Присутствие в рассеянном излучении также и длины волны падающего излучения означает, что некоторые из фотонов рассеиваются без потери энергии и импульса. Если электрон сильно связан с атомом, как это имеет место для внутренних электронов (особенно в тяжелых металлах), то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Т.к. масса атома по сравнению с массой электрона очень велика, то атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона. Поэтому длина волны l ¢ рассеянного излучения практически не будет отличаться от длины волны l падающего излучения.

4. Комптон-эффект возможен и при рассеивании на других свободных микрочастицах (не только на электронах), способных взаимодействовать с электромагнитным излучением благодаря своему заряду или магнитному моменту.

5. Эффект Комптона наблюдается при рассеивании не только рентгеновского, но и g — излучений. Отличительная особенность в случае g — излучения состоит в том, что в спектре g — лучей, рассеянных легкими элементами, наблюдается только смещенная линия l ¢, в то время как в спектре рассеянных рентгеновских лучей, как правило, присутствует смещённая l ‘, и исходная l линии. Это объясняется тем, что в атомах существуют прочно связанные электроны, которые не могут рассматриваться как свободные, но могут быть вырваны из атома лишь g — излучением, имеющим большую частоту, чем рентгеновское.

6. Тяжелые атомы (с большими порядковыми номерами в периодической системе элементов Д. И. Менделеева) обладают более сильно связанными электронами, и поэтому эффект Комптона легче всего наблюдается на атомах с малыми Z (например, углерод, для которого Z = 6). При рассеянии фотонов на электронах, связь которых с атомом велика, обмен энергией и импульсом происходит с атомом как целым (см. п. 3).

7. Видимый свет, фотоны которого обладают энергией, меньшей энергии связи электрона любого атома, не обнаруживают эффекта Комптона.

В чем же различие взаимодействий фотона с электроном при фотоэффекте и Комптон-эффекте и почему невозможно поглощение фотона (неупругое взаимодействие) свободным электроном?

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНА СО СВОБОДНЫМ ЭЛЕКТРОНОМ

Пусть электрон свободен и покоится (А_вых = 0, Р_е = т ₀ u = 0). Если такой электрон поглощает фотон, то законы сохранения энергии (5) и импульса (6) примут вид:

Т.к. левые части равны, то должны быть равны и правые:

т.е. электрон должен приобрести скорость, вдвое превышающую скорость света в вакууме, что невозможно.

Иначе происходит взаимодействие фотона со связанным покоящимся электроном:

При достаточном значении W_св оба равенства могут быть выполнены одновременно. Поэтому фотоэффект (поглощение фотона) и происходит при взаимодействии фотонов со связанными электронами. При взаимодействии фотонов со свободными электронами может происходить только упругое взаимодействие, т.е. их рассеяние.

Эффект Комптона широко используется в научных исследованиях для изучения g — излучения ядер, структуры атомов, ядер, элементарных частиц, взаимодействия электромагнитного и ядерного полей.

Какие электроны поглощают фотоны а какие рассеивают

Физика

Электродинамика

Магнитное поле

Механические колебания

Электромагнитные колебания

Механические волны

Электромагнитные волны

Оптика

Геометрическая оптика

Задачи на сферическое зеркало

Линза

Волновая оптика

Основы теории относительности

Основы квантовой физики

Излучения и спектры

Световые кванты

Атомная физика

Ядерная физика

Физика элементарных частиц

Открытие позитрона. Античастицы

Современная физическая картина мира

Современная физическая картина мира

Строение Вселенной

Строение Вселенной

Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд

Какие электроны поглощают фотоны а какие рассеивают

Какие электроны поглощают фотоны а какие рассеивают

Излучение фотонов

Квант электромагнитного излучения с внутренним колебательным процессом позволяет физически описать взаимодействие электромагнитного излучения с веществом во всех физических явлениях, что было невозможно в рамках волновой и квантовой теорий.

В квантовой теории света есть математическая модель излучения и поглощения фотонов, но нет физической модели.

Существующая теория света не может предложить физического процесса излучения и поглощения фотонов, поскольку не известна структура фотона, электрона, позитрона и их взаимное превращение. Также не известен физический механизм перехода электрона с одной квантовой орбиты на другую.

Покажем, как единая теория электромагнитного излучения описывает процесс излучения и поглощения фотонов атомами вещества.

Процесс излучения фотона покажем на примере атома водорода одной спектральной серии – например, серии Лаймана, и одной спектральной линии этой серии — например — эта линия соответствует длине волны , При переходе с четвертой боровской орбиты на первую, электрон излучает фотон с этой длиной волны.

Единая теория электромагнитного излучения имеет возможность описать физические процессы, происходящие при излучении фотона. Принцип существования фотона с внутренним колебательным процессом, позволяет описать физический процесс излучения фотона.

Для излучения фотона, в соответствии с единой теорией электромагнитного излучения, необходимо наличие разности потенциалов двух квантовых орбит системы ядро — электрон (рис. 10).

Излучение фотона сопровождается переходом электрона с одной орбиты на другую. Этот процесс связан с образованием пары частиц, уходящих в составе фотона: одна с отрицательным зарядом (электрон) и положительной массой, другая с положительным зарядом (позитрон) и отрицательной массой.

Так как электрон и позитрон в составе кванта находятся в связанном состоянии, сумма этих частиц обладает нулевой массой покоя и нулевым зарядом, поэтому для них нет запрета на движение со скоростью света.

Рис. 1. Излучение волнового кванта и траектория осцилляции электронно – позитронной пары кванта.

В единой теории электромагнитного излучения при образовании связанной электронно — позитронной пары, из электрического поля атома разность потенциалов квантовых орбит преобразуется в электрическую составляющую кванта . При этом, разноименно заряженные частицы электрон и позитрон, начинают двигаться друг к другу со скоростью света, поскольку обладают суммарной нулевой массой. В результате этого движения образуется магнитная составляющая кванта точно так же, как магнитное поле проводника образуется после включения тока.

Одновременно с этим, фотон начинает своё движение со скоростью света в направлении, перпендикулярном векторам электрической и магнитной составляющей фотона.

Электрон, существовавший на возбужденной орбите до излучения кванта, уходит в составе фотона вместе с позитроном, образовавшемся на основной орбите. На основной орбите остается электрон, образовавшийся из физического вакуума вместе с позитроном, ушедшим в составе фотона.

Далее покажем, как единая теория электромагнитного излучения описывает процесс поглощения фотонов атомами вещества.

Процесс поглощения кванта электромагнитного излучения покажем на примере атома водорода одной спектральной серии – например, серии Лаймана, и одной спектральной линии этой серии — например . Эта линия соответствует длине волны .

При поглощении кванта этой длины волны, электрон переходит с первой боровской орбиты на четвёртую.

Рис. 2. Траектория осцилляции электронно – позитронной пары фотона и его захват электроном, находящимся на квантовой орбите атома вещества.

Для физического процесса поглощения кванта электромагнитного излучения атомом вещества, необходимо наличие электрона на основной орбите, и свободной возбуждённой орбиты, отличающейся от орбиты, занятой электроном, на величину энергии кванта.

При прохождении электронно-позитронной пары кванта достаточно близко от электрона, находящегося на основной квантовой орбите атома вещества, за счёт сил притяжения между электроном вещества и позитроном фотона, возможен захват фотона атомом вещества.

При захвате фотона атомом вещества, электрическая составляющая кванта преобразуется в разность потенциалов квантовых орбит.

В результате этого процесса на основной квантовой орбите электрон и позитрон взаимно компенсируются, а на возбуждённой квантовой орбите появляется электрон, пришедший в составе кванта.

Таким образом, единая теория электромагнитного излучения даёт простой и понятный физический механизм поглощения и излучения кванта атомами вещества.

Взаимодействие фотонов с веществом

При прохождении через вещество фотоны испытывают взаимодействие с сильно связанными электронами, т.е. с атомом как с целым (фотоэлектрический эффект, когерентное рассеяние) с полем ядер (образование электроно-позитронных пар) или со свободными электронами (эффект Комптона, образование триплетов).

В контексте фотонных взаимодействий связанный электрон – это орбитальный электрон с энергией связи на оболочке порядка или немного выше, чем энергия фотонов, в то время как свободный электрон – это электрон с энергией связи много меньшей, чем энергия фотона.

В области энергий фотонов от нескольких кэВ до нескольких МэВ, представляющих наибольший интерес для ЯМ основными процессами взаимодействия фотонов с веществом являются фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар. Значительно меньшую роль играют когерентное (или томсон-релеевское рассеяние) на связанных электронах и фото-ядерные реакции. Во время взаимодействия фотоны могут полностью исчезнуть (фотоэффект, образование пар и триплетов) или рассеяться когерентно(когерентное рассеяние) или некогерентно (эффект Комптона). Поперечные сечения взаимодействия фотонов зависят от их энергии E_γ и от атомного номера среды Z.

Фотоэлектрический эффект

При фотоэлектрическом эффекте фотон взаимодействует с орбитальным электроном, находящимся на i-оболочке, и поглощается, передавая всю свою энергию этому электрону, который в результате выбивается из атома с кинетической энергией

(1.61)

где BE_i – энергия связи на i-оболочке.

После выбивания связанного электрона появившаяся на оболочке свободная вакансия заполняется электроном с вышерасположенной оболочки и событие фотопоглощения заканчивается испусканием характеристического фотона или электрона Оже (рис. 1.16).

При Eγ > BE_K основную роль в фотоэффекте играют электроны на К-оболочке, и сечение фотоэффекта σ_ф на К-оболочке составляет 80 % от полного сечения фотоэффекта. При Eγ < BE_K процесс будет идти на других оболочках. Поэтому в зависимости σ_ф от энергии фотонов наблюдаются скачки при энергиях фотонов, равных энергии связи на K, L, M— и других оболочках.

Рис. 1.16. Схематическое изображение фотоэлектрического поглощения фотона и последующего испускания характеристического фотона

Существует немало формул, в том числе и теоретических, выражающих зависимость σ_ф от Eγ и от Z. Однако все они имеют приближенный характер, поэтому на практике лучше пользоваться справочными данными. Качественная зависимость σ_ф на К-оболочке от этих переменных для фотонов больших энергий (Eγ >> m_ec 2 ) описывается формулой Заутера:

(1.62)

где r_e = e 2 /(m_ec 2 ) =2,82·10 -15 м – классический радиус электрона.

Для нерелятивистской области (BE_K < E_γ << m_ec 2 ) справедлива приближенная формула Гайтлера

(1.63)

Как видно из (1.62) и (1.63) σ_ф,к убывает в релятивистской области значительно медленнее (1/E), чем в нерелятивистской области (E -7/2 ). Полное сечение фотоэффекта при E_γ > BE_K связано с σ_ф,к следующей формулой (погрешность 2 – 3 %):

(1.64)

Таким образом, сечение фотоэффекта сильно зависит от атомного номера среды (

Z 5 ) и быстро убывает с ростом энергии фотона (рис. 1.17). Поэтому этот эффект играет особо существенную роль в области малых энергий фотонов и для веществ с большим Z.

Рис.1.17. Зависимость микроскопических сечений взаимодействия фотонов, отнесенная к одному атому, от энергии фотонов углерода и свинца

Средняя энергия, передаваемая в среде электронам при фотоэффекте фотонов с энергией E_γ > BE_K , равна

(1.65)

где P_K – доля событий фотоэффекта, происходящих на K-оболочке;

ω_К – выход характеристического излучения с К-оболочки. Величина P_K изменяется от 1.0 для элементов с малым Z до 0,8 для элементов с большим Z.

Физические структуры электрона и фотона

Перед Вами один из гениев прошлого — Томас Юнг. Я восхищен этим человеком!
В два года он начал читать. К четырем прочитал Библию два раза. В четыре — Робинзона Крузе и Гулливера. В тринадцать лет самостоятельно начал изучать древнееврейский, персидский и арабский. Позже, учась медицине и изучая строение глаза, он заинтересовался физикой света.
Первым объяснил явление интерференции света и ввел термин ‘интерференция’ .
(Интересно, что именно он автор гипотезы поперечного колебания волн света и автор термина энергия, под которой понимал массу умноженную на квадрат скорости. В другом месте Википедия пишет, что именно "Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны.")
Его волновая теория света не смогла объяснить эффект поляризация света.
Как сочетать волновую теорию с поляризацией? Это по-прежнему трудная проблема.

Альтернативные размышления.
Несколько измененная копия из СамИздата. Нет адресов ссылок, нет рисунков, немного изменен текст.

Физика — кладезь загадок для внимательного взгляда.
Почему люди, сторонние физики, берутся решать её глобальные проблемы?
Я думаю потому, что в человеке заложено нетерпение к нелогичности, парадоксам. У каждого из нас в различной степени имеется непреодолимое стремление разрешить нелогичное, странное. Мы стремимся разобраться, отбросить "лапшу" с ушей и понять. Перед вами одна из таких попыток.
Статья на треть состоит из цитат. Некоторые из них я критикую, на другие опираюсь, выдвигая свои идеи. Уже с самого начала, не рассчитывая на ваше долгое терпение, предлагаю вашему вниманию два положения, по новому трактующие электрон, фотон и пространство — вакуум. Работа не совершенна и не завершена. Текст изменяется.

Вы, разумеется, знаете, что электроны, двигаясь по проводнику (и при любом изменении места), создают магнитное вращающееся поле вокруг себя. Но задумывались ли — почему считается, что вращается именно оно, а не сам электрон? Известно, что у электрона есть спин, равный 1/2. Но есть ли реальное вращение?
Вот смотрите, электрон неподвижен и вращения магнитного поля нет. Начинаем двигать электрон, поле завращалось. А что творится с самим невидимым нами электроном? Он вращается или стабильно ориентирован? Речи об этом нигде нет. Я думаю, что он вращается вместе со своим полем. Неразрывно с ним связанный. Чем быстрее движется, тем быстрее вращается.
Мне подозрительны модели электрона в виде крутящихся волчков. Ведь он может быть и неподвижным. Электрон одна из элементарнейших частиц. Она по своему строению должна быть совсем рядом со строением вакуума. Должна из него состоять и неразрывно переходить в него. Части электрона — магнитное поле — есть глубокое изменение вакуума, а не только свойство электрона.
Думаю, что логично сделать вывод, что электрон не может продвигаться без собственного вращения в пространстве (также как и фотон).
У электрона структура не обнаружена на всю глубину, сколь смогли в него заглянуть. А заглянули очень глубоко.
"Один из важных выводов, вытекающий из проверок КЭД, связан с размерами Э. КЭД предполагает Э. точечным. Ни в одном эффекте расхождения с этим допущением обнаружено не было. Физически это означает, что размеры Э. меньше 10-16 см." (-16 это степень, а КЭД — квантовая электродинамика). Цитата из Физической энциклопедии .
Точечный !? Внешней границы у него нет? Вот это да! Следовательно, он вращается на всю глубину? Ну так об этом я и говорю — он вращается полностью со всем своим полем!
Итак — электрон не может изменять свое место в пространстве без собственного вращения и создания крутящегося магнитного поля вокруг себя.

Известно, что у фотона есть спин, положительный или отрицательный, равный единице. Вращается ли физически сам фотон?
Помимо спина, равного +-1, фотон во время движения продвигает по кругу векторы Э и Н (электрический и магнитный), в правую или левую сторонs.
Подобно тому как изменяется электромагнитная волна.

Но можно ли отождествить фотон с электромагнитной волной? Если да, то тогда из чего состоит эта волна самого фотона? Из других фотонов? Бред получается. Если же считать, что сам фотон в движении проходит фазы и имеет вращение своих векторов, то парадокс бесконечного чередования волна-фотон прерывается.

Но как быть с постоянным спином? Ведь, чем выше частота фотона, тем быстрее вращение векторов? Поэтому полностью отождествлять его (реальное вращение) со спином не получится. Спин — постоянная формальная характеристика, типа — он может иметь вращение в некую сторону, а само реальное вращение изменчивая величина.

Также как было выше с электроном, я думаю, нужно перенести вращение электрического и магнитного векторов фотона на сам фотон. Вектора вращаются вместе со своим "хозяином" — фотоном.

Я делаю вывод, что фотон не может продвигаться сквозь пространство не вращаясь, и это реальное вращение — следствие свойств и фотона и пространства.

Теперь о фронте этой частицы. Насколько он широк? Точечный размер или некий щит — комплекс точек пространства? Так как свет преломляется на границе разных по плотности сред, то это образование должно быть протяженным по фронту. Тогда естественно объясним разворот его в разнородной среде (границе сред).

Итак, фотон — вращающееся двухфазовое излучение, имеющая сильный центр и слабую периферию, типа летящего фронтом щита. Но это не вещественная частица, а вневременной срез изменений фаз разового эм. излучения в неком месте единого пространства.
Ну, а как представить себе фотон с длиной волны в 3 тысячи км.?
Да, такой же срез. В каждом месте в новом облике с повторением фазы через 3 тысячи км.

Некоторые проблемы создания реального образа фотона и Э.М. волны.

-Что они из себя представляют?-
-А разве формул недостаточно/?-
-Мне нет. Я хочу ясно представить себе, как они функционируют.-

Вот, например, знаменитая поперечность Э.М. волны, одно из оснований волновой теории света. Как её понять? В качестве примера поперечной волны нам обычно дают вот такой пример волн:
Рис 3
"Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы колеблются вдоль оси y. Поворот щели S вызовет затухание волны"

" Прямыми опытами доказано, что световая волна является поперечной. В поляризованной световой волне колебания происходят в строго определенном направлении."

Обычно этого довода достаточно, всем становиться понятно, что свет волна.

А мне непонятно.
У меня вопрос к вам, читатели: Из чего состоит э.м. волна? Из фотонов или чего-то ещё?
Фотонов. Тогда приходиться сделать вывод, что фотоны в поперечной волне пульсируют вверх-вниз?
Но как это может быть? Фотоны двигаются зигзагами? Невероятно! С другой стороны странно признать поперечность колебаний без реального поперечного движения фотонов, тогда и никакой поперечной волны и нет.

Наконец, к своему удовольствию, я нашел уточняющее высказывание: "Из теории Максвелла следует, что свет является поперечной электромагнитной волной — электрический и магнитный векторы в световой волне колеблются перпендикулярно направлению распространения."
Ситуация разъяснилась — оказывается, что нет никаких реальных колебаний фотонов! Движение их прямолинейно без зигзагов. Превосходно!
Есть лишь только колебание их векторов. А колеблются вектора вращаясь. Вот следующая цитата:
"Поперечная волна, -говориться в Википедии ,- характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора."
Значит, именно в этом колебании векторов и нужно искать причину периодического не прохождения части света сквозь поляриоиды. Нужно искать другой механизм отсева вместо механического колебания вверх и вниз. Фотон должен двигаться прямо, одновременно изменяясь таким образом, чтобы менялась его проходимость сквозь поляризационное отверстие.

Обратимся к вопросу Какова причина поляризации света при прохождении поляроида?

Обычный свет вокруг нас — смесь излучения разной энергии и разных фаз. Поляризация — выделение из общего потока света группы волн излучения одного типа.
Свет поляризуется отражаясь от поверхности многих веществ и поляризуется при прохождении некой среды. ". пластинка диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярные колебания." В обеих случаях фазы пучков света перпендикулярно противоположны.
Обратимся к поляроидам.
Что из себя представляют эти фильтры? Вот один из них: "Оригинальный материал, . содержит множество микроскопических кристаллов йодохинина сульфата (герапатита), внедрённых в прозрачную полимерную плёнку из нитроцеллюлозы. Игольчатые кристаллы упорядочиваются в процессе производства путём растяжения или применением электрических или магнитных полей. При выравнивании кристаллов лист становится дихроичным: он начинает поглощать свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна направлению выравнивания кристаллов, но пропускает свет, плоскость поляризации которого параллельна направлению выравнивания."
Заметьте: ". путём растяжения или применением электрических или магнитных полей. "
Значит отверстие вытянуто в щель. Именно поэтому делается вывод, что колебания у частиц волны вертикальные (поперечные) и только часть света соответствующей ориентации может пройти сквозь овальные отверстия. Другая, задержанная часть света, имеет перпендикулярное относительно прошедшим лучам света направление колебаний. На расстоянии одной длины волны такой луч максимально проходит сквозь отверстие поляризатора два раза — в фазе и полуфазе, каждые 180 градусов поворота.

Итак, мы имеем овальное отверстие и проходящий в двух из четырех положений (4 по 90 градусов) квант света. Причем препятствие в первую очередь электронное. Фотон встречают электроны атомов решетки. Когда такая овальная электронная решетка будет выборочно пропускать некие частицы? Только в том случае, если у последней изменяется знак заряда.
Но фотон лишен электрических зарядов. Как понять участие нейтральных фотонов в э.м. волнах?
Какие у фотонов связи с электронами, с которыми оно взаимодействует?
И как объект без э.м. заряда взаимодействует с э.м. зарядами?
Выход в одном:
Признать, что фотон совмещает оба электрических заряда — электрона и позитрона, которые экранируют друг друга — и два магнитных полюса.

Фотон — диполь на элементарном уровне, квант вакуума, объединяющий оба противоположных электрических заряда.
Учитывая такое строение фотона, при прохождении отверстия поляриоида с вытянутыми вертикально отверстиями, когда электрические заряды фотона находятся справа и слева, поляризационная решетка его задерживает. С одной стороны он отталкивается электрическим зарядом от электрона, к другой притягивается. В случае поворота фотона на четверть круга его электрические заряды отдалены от стенок щели и свет проходит сквозь отверстие.
. Поэтому поляроид пропускает их два раза за одну длину волны.

Некоторые предполагаемые свойства кванта энергии

Фотон реальное физическое явление. Какова его форма?
Наверняка она расплывчата, без резкой определенности.
Каковы его свойства?
О его свойстве вращаться при движении мы выше говорили. Что еще есть? У него есть, например, свойство находиться в непрерывном движении с предельной скоростью движения. Что это может сказать нам о его строении?
Похоже, что его структура как-то по особому должна быть открытой с передней стороны — той, куда движется частица. Там она как-то не завершена. И пытается себя завершить, двигаясь с максимально возможной скоростью, "падая" в сторону незавершенности. Этим движением он дополняет свою структуру, себя с передней стороны. (Есть еще вариант рассматривать эту неоднородность как излишнее наличие чего-то, типа добавочных вращающихся элементов кванта вакуума).
При столкновении этого комплекса элементов вакуума с электроном, он входит в него, становится полноценным и исчезает. Примерно так я представляю процесс передачи энергии движения от фотона к электрону на орбите атома. Фотон встречается с объектом, который МОЖЕТ перенять энергию его вращения, и передает ему — электрону свой вращательный момент. За исключением тех случаев, когда электрон имеет высокую энергию, в последнем случае переход энергии происходит, как пишут, в другую сторону, в сторону фотона.

Эффект Комптона
-"явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие упругого рассеивания его электронами. " "Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом."
"Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение частоты света, претерпевающего рассеяние на релятивистских электронах, имеющих энергию выше, чем энергия фотонов. То есть в процессе такого взаимодействия происходит передача энергии от электрона фотону." (Цитата оттуда же). Интересны оба варианта взаимодействия фотона и электрона, они хорошо понятны с точки зрения предложенной в этой статье гипотезы механизма передачи энергии между электроном и фотоном. Но интересен еще и новый, (делаемый сейчас) вывод о том, что таким образом возможно взаимодействие между фотонами. Электрон будет в качестве передающего энергию звена.
Эффект Комптона считается одним из надежных доказательств существования фотонов. Именно Эффект Комптона, как мне кажется, поможет решить некоторые проблемы интерференции.

Строение фотона
Встречающиеся в некоторых статьях громоздкие модели фотона у меня также вызывают сомнения. Ведь это еще более элементарнейший объект, чем электрон. И он им должен оставаться, быть лишь квантом вакуума, лишь в чем-то измененным из-за наполненности энергией.
Реальный квант вакуума должен иметь не только единство противоположных электрических зарядов, но и магнитных. То, что он дважды за прохождение расстояния длины своей волны может пройти сквозь одинаково повернутую поляризационную решетку — поляроид, заставляет предположить, что это вращается вырванный из вакуума диполь. В отличие от антенных диполей, где заряды разъединены, здесь в диполе они объединены, фотон выглядит как поляризованный квант, -с одной стороны один заряд, с другой другой. А еще с двух сторон различные магнитные заряды. Объединение положительного и отрицательного зарядов и магнитных зарядов.
В принципе, по моему представлению, фотон это квант вакуума, но с добавлением энергии вращения и неотрывного от него движения вперед. Вся его энергия в моменте вращения. Продвижение вперед не добавляет ему энергии и является свойством вакуума передавать свое искажение с такой-то скоростью.
Я довольно долго не мог понять, почему фотон обязан двигаться вперед вкручиваясь спиралью в пространство? Как-то странно, неправда ли? Лишь когда подумал о скоростях, то стало ясно — спиральность движения фотона вынужденная. Он представляет собой "особое" искажение вакуума, которое существует только вращаясь, а к этому плюсуется неспособность вакуума не передавать эти свои "особые" искажения с такой-то скоростью. Получается спираль.

Рождение фотона.
Попробуем представить себе процесс появления кванта энергии — фотона.
Большинство фотонов создаются при ускорении движения электронов. Само направление изменения скорости при этом не важно — оно может и увеличиваться и уменьшаться.
Я в своей статье в СИ по тяготению выдвигаю предположение, что при движении тел сквозь пространство, вакуум происходит постоянный обмен элементов тел с элементами вакуума. Такое понимание взаимодействия пространства и вещественных объектов позволяет объяснить существование инерции и силы тяготения.
Учитывая это предположение, представьте себе, что электрон резко остановлен, протекающие сквозь него элементы вакуума "проскочили" дальше и отправились в свое собственное путешествие. Родился фотон. Причем, так как электрон вращался, то элементы вакуума, " выскочившие" из остановленного электрона, по-прежнему будут вращаться, закручиваясь с правосторонним вращением. Скорость движения вперед этого "волчка" будет равна обычной скорости передачи изменений вакуума — скорости света.
Давайте сопоставим этот процесс с обратным — с восприятием энергии фотона электроном. По второму закону фотоэффекта "максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности."
Т.е. передается энергия именно вращения фотона. Интересно, правда? Симметрично, красиво.

(-А что создает фотоны с левосторонним вращением?-
— Позитроны.-
-А они откуда у нас взялись?-
Они постоянно вокруг нас. Точнее не сами позитроны,а их трансфомированное обличие.
С моей точки зрения, все частицы с положительным зарядом несут в себе измененный позитрон. Вот такие атомы-ионы, лишенные электрона и создают фотоны с левым вращением.)

Что отделилось от остановившегося электрона? Вращающееся магнитное поле северного и южного полюса. А они возбудили собственный диполь электрических зарядов в центре вращения, поляризовав квант вакуума.
Постоянные по величине магнитные моменты и электрические заряды фотона переменны в пространстве со временем. Т.е. поворачивается попеременно двумя видами зарядов и двумя магнитными полюсами. Начиная совсем от незначительных величин.
Предположенный механизм, как мне кажется, "работает" и при аннигиляции электрона и позитрона и в процессе смены орбиты электрона в атоме.

Мне кажется, что мне пора возразить против созревшего, возможно, у вас, читатель, возражения о кванте-диполе. Мол, у фотона не обнаружено заряда ни в одном эксперименте. Да, заряда нет,Но одного, а так как их два, то они не проявляют себя как заряд, экранируя друг друга.

Аннигиляция
Представим себе аннигиляцию позитрона и электрона. Результатом их столкновения будет появление нескольких гамма-квантов с очень короткой волной. Один фотон правостороннего или левостороннего вращения (спин + или -) и два-три фотона другой направленности вращения. " Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) +-1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны." Фотоны разлетаются в разные стороны, сохраняя равновесие общих моментов движения и вращения прежней системы.
Я считаю, что скорость встречи аннигилирующих частиц очень велика и встреча похожа на микроатомный взрыв. А скорость велика так как невероятно высока сила электрического притяжения двух противоположных элементарных зарядов. Которая в миллиард миллиардов миллиардов. (сорок один нуль разов) раз сильнее силы тяготения этих частиц. В результате столкновения и исчезания элементарных электрических зарядов появление рожденных фотона выглядит как наследование существовавших у материнских частиц высокого вращательного момента и скорости их сближения. Т.е. только тот момент вращения, который был у них при встрече.
(К интересной трактовке аннигиляции я пришел. Высокие выделяющиеся энергии аннигиляции — результат высокой скорости приближения? Как-то сомнительно. Хотя, вполне может быть. По крайней мере для пары позитрон-электрон.)

Похожая ситуация и в случае рождения фотона в результате смены орбиты электрона в атоме, но с меньшей величиной выделяемой энергии.

Смена орбиты электроном
Кругообразное вращение элементов вакуума в электроне при резком изменении места при смене орбиты "срывается" с электрона и рождается новая частица — фотон. Чем более резким было это изменение движения, тем выше скорость вращения элементов вакуума в этом "сорванном" возмущении от электрона частиц вакуума — в фотоне. Для электронов меди это одна скорость, для железа другая. Значительная часть всех электроноволн — фотонов возникает в процессе изменения орбиты электрона в атомной системе. Продолжительность "скачка" более долгая, чем время аннигиляционного слияния электрона и позитрона и поэтому скорость его намного меньше и энергия появляющихся фотонов ниже и ниже частота вращения.
(Мне где-то встретились такие цифры: продолжительность смены орбиты электроном 10 в -8 степени секунды).
Такое резкое стремительное движение к центру атома оставляет, по-моему представлению, после себя кратковременное вихреобразное возмущение всемирного поля. Это возмущение потеряв связь с прежним своим носителем — электрическим зарядом, отправляется в путешествие до соединения с другим носителем электрического заряда.

Остается незатронутой большая область рождения фотонов при ускорении движения зарядов в проводниках переменного тока.
Чисто гипотетически.
Мне представляется, что при небольшом ускорении движения электронов скорости слишком медленны и "отрыв" вихревого движения квантов вдоль направления движения электронов не происходит, заменяясь массовым рождением фотонов перпендикулярно направлению движения (по бокам проводников) — рождением электромагнитных волн из массы фотонов. В какую сторону двигаются такие фотоны мне неясно.
Возможно, такое рождение было и в предыдущих вариантах, но было незаметное, менее значительное, чем основное рождение — "отрыв". И наоборот. Т.е. эти два способа рождения фотонов в разной степени сосуществуют одновременно, сопутствуя друг другу. Превалирует то один способ рождения, то другой.

Роберт, я пытаюсь заниматься чем-то похожим. Во всяком случае мне понятно ваше стремление заглянуть в глубь материи. Меня тоже не устраивало, когда ссылались на формулы.
Для того, чтобы понять и ответить на те вопросы, которые вы задаёте, надо отойти от объекта много дальше. Если упереться в протон, электрон, фотон и пытаться понять их в лоб, ничего не получится. Мы с вами, наверное, не самые умные в этом мире, много тех профессионалов, которые занимались этими вопросами, и не могли ответить на этот и другие подобные вопросы.
Я сам сравнительно недавно нашёл для себя, нет не ответы, а объяснение того положения дел, которое сложилось в естествознании. Это упирается в логику познания окружающего мира.
Мир бесконечен в своём проявлении. Не в смысле размеров, а в смысле своих свойств и отношений.
Познать такой мир сразу и на всю глубину, всё равно, что мухе проглотить арбуз. Это невозможно.
Поэтому процесс познания это многоуровневый процесс. Он всякий раз ограничивается в своей глубине НЕОПРЕДЕЛЯЕМЫМИ ПОНЯТИЯМИ, обрезающими бесконечность свойств и отношений окружающего мира, но и огрубляющими наши знания о нём.
На сегодняшний день НЕОПРЕДЕЛЯЕМЫМИ являются все базовые понятия физики:
-пространство
— время
— все виды взаимодействий
— элементарные частицы и их свойства (масса, заряд, аромат, спин и др)
Естественно, что перечень не весь.
Так вот, ответить по отдельности на эти вопросы : что это такое — невозможно. Лучше не мучить себя. Вы, конечно, можете разработать для себя рабочую модель, но она наверняка будет не адекватной.
Почему?
Ответ прост:вы пытаетесь ответить на вопросы о неопределяемых понятиях изнутри системы, на них построенных. Математики с подобными вопросами нахлебались в ХХ веке. Они пытались обосновать основания математики, и пришли к неутешительному выводу :это невозможно!
Определить неопределяемые понятия можно только из вне системы на них построенной. Другими словами, надо "придумать" новую систему мира, в которой все(!) до сих пор неопределяемые понятия были бы определены через новые неопределяемые понятия. Естественно, такая система мира должна быть непротиворечивой.
Будет желание, заходите на мою страничку. Правда сейчас у меня творческий застой.
Удачи

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

Ежедневная аудитория портала Проза.ру – порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.

© Все права принадлежат авторам, 2000-2023. Портал работает под эгидой Российского союза писателей. 18+

Размышления о фотонах, их взаимодействии с веществом и зеркалах. ⁠ ⁠

Листая пикабу наткнулся на пост человека, где он просил объяснить ему как фотоны отражаются от предметов. Этим постом я постараюсь дать ответ на этот вопрос.

Для начала поймем что такое фотон.

Википедия нам говорит:

Фотон (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения.

Но что это значит? В квантовой теории поля(основы современной физики частиц) все взаимодействия между чем угодно и чем угодно описываются с помощью так называемых частиц переносчиков. Два взаимодействующих объекта обмениваются переносчиками и посредством этого взаимодействуют, как два играющих в мяч мальчика. Один мальчик пинает мяч, который прилетая ко второму мальчику касается его и толкает немного, то есть оказывает на него воздействие. Так вот, фотон частица-переносчик электромагнитного взаимодействия. Но откуда они рождаются когда два тела взаимодействуют, есть же закон сохранения энергии, закон сохранения импульса? Теперь вспомним(или узнаем:) школьную физику 11-го класса. А именно неравенство Гейзенберга.(про него мы еще раз вспомним чуть позже)

Что он нам даёт в этом случае? А то, что закон сохранения энергии может нарушаться на короткое время. Так и рождаются виртуальные фотоны, которыми и обмениваются взаимодействующие объекты.

Хорошо, но ведь мы видим свет, а значит не все фотоны виртуальны? Да, это действительно так. Углубляться в то, почему некоторые фотоны виртуальны, а некоторые реальны. Главное что бы вы уяснили — любое электромагнитное поле — это набор фотонов, виртуальных и/или реальных.

Теперь перейдем к взаимодействию фотонов с веществом. Способов взаимодействия множество, огромное. Но нам для понимания отражения фотона от чего-либо хватит одного. А именно комптоновского рассеяния(так, не бояться, сейчас все объясню). Комптоновское рассеяние — это рассеяние фотона на квантовых частицах(атомах, ядрах, протонах и так далее до бесконечности) с перераспределением энергии и импульса между частицей.

Как происходит комптоновское рассеяние? Фотон «налетает» на частицу и поглощается ей на короткое время(мы же помним про неравенство Гейзенберга, оно нам позволяет это делать) и его энергия и импульс «как бы» исчезают в частице.

Потом частица рождает новый фотон и он вылетает уже под каким-то углом к изначальному направлению(иногда и нулевым). Нам важно что он может родиться и улететь назад. При этом он отдает часть энергии и импульса частица, на которой рассеялся. Теперь надо понять, что улетая назад, фотон хоть и меняет свою энергию(а значит и длину волны), но не сильно(для фотонов видимого света и более высоких энергий это верно). Можете сесть честно руками посчитать как изменится энергия фотона при рассеянии его на покоящемся ядре назад. Закон сохранения импульса, закон сохранения энергии в помощь. Но главное что длина волны меняется не сильно для фотонов видимого диапазона.

Хорошо, мы поняли что фотон может улететь назад, рассеявшись на веществе и что любое электромагнитное поле — это фотоны.

Тогда посмотрим на зеркало внимательнее. А точнее на процесс отражения света.
Свет это что? Правильно, электромагнитная волна, а точнее электромагнитное поле. А значит много-много фотонов. Налетая на зеркало они встречаются с веществом и частицами в нем(а мы помним, что вещество состоит из атомов, атомы состоят из ядра и электронов и так далее до кварков, глюонов и других петлевых поправок). Теперь вспоминаем что фотоны могут рассеиваться назад на частицах. Ух ты, у нас налетел поток фотонов и часть из них рассеялась назад и полетела обратно! Вот и отражения света от вещества! Ура, мы поняли почему мы хоть что-то видим в этом мире(не до конца, но поняли).

Стоит отдельно отметить, что на использованные свойства фотона его безмассовость не влияет, так как он на очень короткое время исчезает и потом новый фотон летящий к нам в глаз рождается.

Надеюсь не слишком сложно вышло. Если есть интересующие вас вопросы по физике — пишите, попробуй на них ответить(если они конечно будут интересные, а не решающиеся методом внимательного гугления).

Ну и напоследок задачка.

Почему в зеркале право и лево меняются местами, а верх с низом нет? Как связаны с предыдущим вопросом левые и правые тройки векторов и CPT-теорема?

Спасибо за внимание!

Почему в зеркале право и лево меняются местами

Потому что они не меняются. Верх тут и верх там — в одном месте, там, где голова, вверх от наблюдателя. Лево тут и лево там тоже в одном месте, там где левая рука, влево от наблюдателя. Проблема лишь с восприятием и осмыслением того, что мы видим.

Отражение вообще не правильно объяснено. Правильное объяснение идёт через плазмоны в металлах. ( https://ufn.ru/ufn82/ufn82_11/Russian/r8211b.pdf ) А если будет просто рассеяние, то «отражение» будет матовым.

Частица или волна⁠ ⁠

Инопланетянин⁠ ⁠

Как работает зеркало?⁠ ⁠

Мало кто задумывался о том, как работает обычное зеркало. Ну да, в нём можно увидеть своё отражение, а ещё пускать солнечные зайчики, благодаря своей способности отражать свет. Мало кто из людей задумывается о механизмах, благодаря которым «работает» зеркало, и ещё меньше догадываются о том, насколько удивительным может оказаться столь обыденный предмет, если разобраться. Лично для меня эта «кроличья нора» оказалась неожиданно глубокой.

Что такое отражение?

Свет вообще-то отражают почти все материальные объекты в нашем мире (кроме, разве что, чёрных дыр). Мы говорим «я вижу предмет», что означает «на сетчатку моего глаза попал отражённый этим предметом свет». В то же время, не все предметы обладают свойством зеркала. Мы так и разделяем два типа отражений — зеркальное и диффузное (рассеивающее). В чём разница? Это мы проходим ещё в школе, где нам показывают примерно такую картинку:

С объяснением вроде того, что угол падения равен углу отражения, с неровных поверхностей свет отражается под разными углами и рассеивается, зато вот с гладких поверхностей все лучи света отражаются под одним и тем же углом. Это правило вытекает из принципа, который сформулировал ещё Христиан Гюйгенс в конце 17 века, и дополнил Огюстен Френель в начале 19. Каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (то есть новым) источником сферических волн (принцип Гюйгенса-Френеля).

То же в анимации:

Но почему вот, например, относительно гладкий лист бумаги нам видится белым, а весьма шершавый кусок железосодержащей породы обладает, как мы говорим «характерным металлическим блеском». И почему существуют прозрачные материалы, которые пропускают свет сквозь себя практически без изменений?

Металлический блеск

Опустимся ещё глубже. Предметы состоят из атомов, так, наверное, это «одни атомы отражают, а другие пропускают сквозь себя лучи света»? (Физики, не спешите кидать в меня камни, я исправлюсь, обещаю!). При этом, какие-то лучи будут отражаться от внешних атомов, а какие-то будут проникать между ними и попадать в атомы, лежащие в более глубоких слоях:

При этом, может сложиться так, что лучи света будут отражаться даже внутрь материала. И да, я ещё пока не упоминал волновую природу света. Абсолютно любой материал, без исключения, будь то зеркало, камень или стекло разделит падающий луч света на 2 неравные части — одна часть будет отражена, а вторая будет направлена внутрь материала. При этом, вторая часть может быть как поглощена данным материалом, так и пройти сквозь него практически без изменений.

Для стекла, лишь малая толика света будет отражена, большая же часть пройдёт сквозь него. Для зеркала всё с точностью «до наоборот». То, насколько глубоко в материал проникнет свет, зависит, в основном, от 4 вещей: магнитной проницаемости материала, его диэлектрической проницаемости, частоты падающего излучения и, наиболее важного фактора — удельного электрического сопротивления материала. Так, например, в стекле (электрический изолятор) интенсивность светового пучка упадёт ниже 1% от первоначального примерно через 750 метров. Для серебряной амальгамы (отлично проводящей электрический ток) эта глубина составит всего около 7 нанометров (несколько десятков атомов). Комбинируя данные параметры можно создать и более экзотические материалы (о метаматериалах я писал в этом посте).

Но тогда почему не все изоляторы прозрачны? Есть ещё один фактор, но для этого, надо нырнуть ещё глубже. Вспоминаем, что фотон — это волна, а не мячик, который может отскочить от поверхности. Фотон движется прямолинейно и не может изменить своей траектории относительно геодезических линий пространства(времени). Фотон никуда не отражается. Любой материальный объект (включая зеркало) может лишь поглотить падающий фотон, либо пропустить его сквозь себя.

Так что же происходит на самом деле? Давайте вспомним, как происходит взаимодействие атомов с квантами электромагнитного излучения (подробно разжёвано здесь). Каждый электрон в атоме находится в состоянии, которое можно описать 4 квантовыми числами, а если проще — имеет определённую энергию. Чем больше энергия, тем дальше от ядра она позволяет ему находиться, но есть одно условие — электрон не может находиться на произвольном расстоянии от ядра, как в здании с лифтом — нельзя находиться на этаже 3 ½, можно либо на 3, либо на 4, но не между ними. «Этажи» называются орбиталями и переход с одной на другую осуществляется мгновенно, без каких-либо промежуточных стадий. Если фотон с совершенно определённой энергией встретится с электроном, он будет поглощён, а его энергия позволит электрону подпрыгнуть на этаж выше. Про такой электрон говорят, что он возбуждён. Рано или поздно, возбуждённый атом «успокоится» и вернётся в исходное состояние, а, поскольку для этого необходимо будет отдать энергию, он отдаст её в виде нового фотона, у которого будет точно такая же энергия (частота) как и у поглощённого фотона. Но если энергии фотона будет недостаточно для того, чтобы электрон перескочил на следующую орбиту, то он просто пролетит мимо, а электрон останется на свой орбите. Также электрон останется на орбите и в случае, если фотон имеет слишком большую энергию. Для перехода электрона на другой уровень фотон должен обладать совершенно определенном количеством энергии.

Поглощение и эмиссия фотонов

Определённые материалы прозрачны для определённой частоты излучения (как, например, стекло) из-за того, что энергии фотонов видимого диапазона недостаточно, чтобы возбудить электроны в атомах стекла, поэтому фотоны спокойно проходят сквозь них. При этом, один и тот же материал может быть прозрачным в одном диапазоне и непрозрачным в другом — так, например, стекло очень хорошо поглощает ультрафиолет.

Но данный механизм отвечает лишь за нагрев материала, на который попадает свет, так как перевыпущенный фотон будет, скорее всего, поглощён соседним атомом, через какое-то время, снова перевыпущен, и так дальше. Так светится нагретый металл, например. Исключением из этого правила может быть лишь такие явления как флуоресценция или фосфоресценция, когда интенсивность свечения материала значительно превышает интенсивность теплового излучения.

Флуоресценция уранового стекла в ультрафиолете

Для объяснения физики отражения нам, оказывается, вовсе не нужна квантовая механика, всё объясняется вполне классическим эффектом. Свет является электромагнитной волной, а сам атом имеет два электрических заряда — положительный в ядре и отрицательный в электронах. Что мы знаем о зарядах в магнитном поле? Они движутся под действием силы Лоренца. Атом начинает вибрировать с той же частотой, что и попадающий в него свет. А поскольку вибрация — это движение с ускорением, вспомним, что делает электрический заряд, движущийся с ускорением? Он начинает испускать фотоны. Именно эти фотоны и формируют отражённую электромагнитную волну.

При этом, разумеется, каждому отдельному атому и фотонам, которые ими испускаются, глубоко наплевать на правило «угол падения равен углу отражения». Излучение испускается во всех направлениях сразу. Только согласно принципу Гюйгенса-Френеля мы получаем в зеркале отражённое изображение.

На формирование отражения влияет множество факторов — расстояние между атомами, интервалы времени между поглощением и перевыпуском фотонов, резонансные частоты и многое другое. Чтобы не заморачиваться со всеми этими параметрами, люди объединили их влияние в один параметр — индекс рефракции. Его посчитали для всех известных материалов и занесли в таблицы и теперь при расчётах, связанных с оптическими системами, мы можем просто забыть об атомах и молекулах, достаточно знать лишь тип материала. Разумеется, каждый материал имеет индивидуальные характеристики поглощения и отражения для света разных частот, именно эта особенность материалов отвечает за наше восприятие цвета.

Подводя итог — свет на самом деле не отражается от зеркала. Зеркало поглощает падающий на него свет и испускает новый, точно такой же.

Создано самое тонкое зеркало в мире, не видимое глазом⁠ ⁠

— Немецкие физики разработали самое тонкое и легкое оптическое зеркало — оно имеет толщину всего несколько десятков нанометров, что в тысячу раз тоньше человеческого волоса;

— Оно состоит всего из одного слоя атомов и не видимо человеческим глазом, но отражение от него прекрасно видно;

— Устройство, в котором создано зеркало, достаточно большое, поэтому новый материал вряд ли будет использоваться в бытовых целях, но научное значение новой разработки огромно;

— Это первые экспериментальные результаты недавно появившегося научного направления субволновой квантовой оптики с упорядоченными атомами.

Оказывается многие пользователи интернета не знают элементарной физики⁠ ⁠

Пользователи соцсетей решили, что на фото «до и после» разные девушки, из-за «неправильных» татуировок

Видимо, никто и никогда не пробовал делать селфи перед зеркалом.

Эта поучительная история о предубеждении, зависти и идиотах была опубликована на форуме Reddit пользователем @Calamity__ и набрала за несколько дней больше 1,5 тысяч комментариев. Все комментарии без исключения — возмущенные. И это неудивительно.

Суть публикации такова: некая девушка разместила в соцсетях (похоже, это «Фейсбук») две свои фотографии: до и после. На первой фотографии девушка заметно полнее, чем на второй. Судя по всему ей удалось значительно похудеть, о чем она и решила сообщить в интерсети. Кроме того, первый снимок сделан не самой девушкой: ее снимал фотограф. На втором снимке девушка сделала селфи.

Выясняется, что несмотря на то, что мы живем в век повальных селфи, мало кто задумывается, как, собственно, селфи, сделанное с помощью зеркала, влияет на изображение.

Под снимок девушки «до и после» сбежались десятки пользователей соцсети, которые принялись яростно строчить, что девушки на снимках разные.

Ведь — барабанная дробь! — татуировки у них на разных плечах.

Ну что же. Мы рекомендуем всем этим людям взять в руку цветок и сделать с ним два снимка. Один снимок со стороны — попросить кого-нибудь сфотографировать. А второй — селфи в зеркале. Их ждет шокирующее открытие.)))

Новость №618: Физики еще сильнее запутали фотоны⁠ ⁠

Оптический резонатор⁠ ⁠

Недавно наткнулся вот на этот https://pikabu.ru/story/lampochka_v_korobke_iz_zerkal_585822. пост и зачем-то почитал комментарии. Тема, которая, многих волновала с детства: что будет, если засунуть лампочку между двумя зеркалами? Оказывается, она будоражит умы всех возрастов, и подчас всплывает (и плюсуется) какая-то совершенная дичь.

Так уж получилось, что описанная конструкция стоит фактически в центре моего образования, так что давайте как-нибудь разберём, что же происходит, когда свет попадает в ловушку между двух зеркал.

На самом деле, описанная конструкция есть очень у многих дома. Но начнём мы немного издалека. С другой конструкции, которая есть почти у всех:

Итак, что же происходит с физической точки зрения, когда мы дёргаем за гитарную струну? В ней возбуждается волна, а точнее можно сказать, что сразу две волны: одна из них бежит в сторону колков, другая — наоборот, в сторону подставки. Достигнув порожков, волна теряет возможность бежать дальше и отражается. Обе наши волны таким образом начинают бегать навстречу друг другу, складываясь и образуя то, что называется стоячей волной.

Частота образующейся волны определяется во многом длиной струны (мензурой), потому что чем длиннее струна, тем больше времени понадобится волне, чтобы пробежать туда и обратно. Зажимая лады, человек уменьшает это время, а значит увеличивает частоту. На самом деле на струне может существовать сразу много волн, а время, необходимое для пробегания струны туда-обратно один раз определяет то, что называется основным тоном. Если бы существовал только он — гитара гудела бы как камертон, а богатство её тембра определяется именно дополнительными волнами — обертонами. И всё же, все они зависят от длины вибрирующей струны.

Вся эта конструкция называется акустическим резонатором. То есть это такая система, по которой волна может гулять туда-сюда, а время пробега по этой системе будет определять частоту волн, которые могут в ней существовать. Акустических резонаторов уйма. Любой музыкальный инструмент содержит их так или иначе, да и не только он.

Естественно, отражаясь от порожков, волна теряет часть своей амплитуды. Другая часть уходит на трение о воздух и другие небольшие потери. Поэтому звучание струны довольно быстро затухает, и пройдя сотенку раз туда-обратно, волна перестаёт существовать. Немного грубо, но на первое время достаточно, можно сказать, что число пробегов, в течение которых волна ещё не затухла, определяется параметром, который называется добротностью резонатора. А кроме того этот параметр отвечает ещё за одну важную характеристику: ширину спектра.

Например, если мы настроили гитару с добротностью 100 на Ля первой октавы (440Гц), то «погрешность» частоты, которую мы услышим, будет не больше 4.4Гц. Поскольку Си бемоль первой октавы — это уже примерно 466Гц такая точность нас вполне устроит. Но вот если мы собрали гитару на коленке и сделали это очень плохо, и добротность у неё получилась всего 10, то во-первых звук такой гитары будет слышно очень недолго, а во-вторых он будет «размазан» по частотам и понять, что мы там за ноту сыграли будет уже непросто. То есть короткая нота => широкий спектр, узкий спектр => долгая нота.

Хорошо, а при чём тут два зеркала?

А при том, что многие знают, что свет — это электромагнитная волна. Конечно, тут сейчас должна появиться куча умников, которые скажут, что свет — это и частицы, и вообще. Но ребят, не стоит вскрывать эту тему. Корпускулярные свойства света значительно сложнее для описания, чем волновые, и абсолютно большая часть того, что пишут пикабушники о фотонах — лютая дичь. Фотоны — это сложно.

Ну а как волна свет умеет бегать между двумя зеркалами довольно долго, и для него становится справедливо всё, что мы говорили о звуке. Таким образом, два зеркала, поставленные друг напротив друга, образуют оптический резонатор.

Свету свойственна дифракция, иными словами расплывание. Поэтому если поставить два обычных зеркала друг напротив друга — очень долго его не удержать. Но дифракцию несложно скомпенсировать, сделав одно или оба зеркала вогнутыми. Такой резонатор может стать устойчивым, то есть «удерживать» в себе свет (если он туда как-то попал) сравнительно долго.

Как мы уже знаем, это «долго» характеризуется добротностью. Так вот, если для акустических резонаторов хорошие добротности бывают порядка 100—1000, то для оптических резонаторов добротности могут достигать миллионов и даже миллиардов. Иными словами, у людей есть достаточно хорошие зеркала, чтобы свет «бегал» между ними очень много раз. Хотя самые хорошие резонаторы делаются заметно сложнее, чем просто двумя зеркалами, но всё же. К сожалению, свет бегает так быстро, что даже при добротности в 10 000 000 не очень-то видно, что вспышка удлиняется. Но главная проблема даже не в этом. Ведь существуют резонаторы с добротностью около триллиона, хоть они и устроены несколько сложнее.

Главная проблема, естественно, состоит в том, что мы не можем посмотреть. Если открыть окошко, или поместить внутрь датчик, или сделать что угодно ещё, чтобы зарегистрировать, бегает ли ещё наш свет — добротность тотчас упадёт драматически. Так же и идеальную гитару, с очень высокой добротностью, звучащую бесконечно долго и на строго одной ноте невозможно было бы услышать: пока есть воздух, способный «принести» нам её звук, будет и трение об этот воздух.

Кроме прочего, в обсуждении всплывала идея сделать зеркала прозрачными только «на вход», чтобы накопить побольше света, а потом им бахнуть. Что ж, не смотря на то, что таких зеркал не бывает, идея на самом деле давно реализована и всем знакома. Нет, мы не будем делать зеркало, которое пропускало бы свет только в одну сторону. Но мы можем сделать лучше. Мы можем сделать полупрозрачное зеркало (в обе стороны), а добавлять свет сразу внутри.

Чиво? Объясняю. Проходя, через среду, свет взаимодействует с ней одним из двух способов:
1) поглощение (вошёл фотон, но не вышел, а среда получила энергию).
2) вынужденное испускание (вошёл фотон, а вышло два, а среда отдала энергию).
В обыденной жизни 1 всегда преобладает над 2. Но физики научились создавать то, что называется средой с инверсной заселённостью. Или просто «активной средой«. В активной среде 2 преобладает над 1, и проходя через неё, свет будет усиливаться, покуда мы можем «накачивать» среду энергией.

Теперь представьте, что у нас есть специальный кристалл, проходя через который, свет усиливается на 1%. Тогда возьмём резонатор с добротностью хотя бы 200. То есть такой, что за один пробег свет теряет в нём 0.5% энергии. Как я говорил, люди умеют делать резонаторы и сильно лучше. Конечно, там используются не бытовые зеркала вроде вашего трюмо, а штуки посложнее, но можно создать зеркало, которое отражает 99.99% света. Это уже давно не новости науки.

Ну а теперь засунем этот кристалл в наш резонатор. Как вы можете понять, с каждым «пробегом» свет будет терять 0.5% и получать 1%, то есть в среднем он будет усиливаться. Усиливаться он будет внутри, а значит и наружу будет выходить всё больше и больше света. И продолжаться это может столько, сколько мы можем подводить энергию для накачки нашей активной среды. Итак, господа, я уже говорил, что подобная конструкция есть у многих. Время раскрыть карты: я только что описал устройство лазера.

Обратим внимание на то, что резонатор с высокой добротностью заставляет свет быть одноцветным, подобно тому, как длина струны настраивает частоту звука. На самом деле цвет лазера определяется в первую очередь активной средой (не бывает сред, которые усиливают любой свет, только какой-нибудь конкретный), но и резонатор вносит определённый вклад в исключительные свойства лазерного луча.

Гифка в начале поста, вызывающая у всех, знакомых с физикой, полный хохотач, на самом деле оказывается очень недалёкой от того, что делается в жизни. Не хватает только активной среды. А вот если бы мультяшные девочки поместили между своими зеркалами активный кристалл — гифка бы фактически была наглядной демонстрацией принципа работы лазера с модуляцией добротности. То есть такого, в котором резонатор сначала «закрыт», чтобы внутри могло накопиться мощное излучение, а потом открывается, чтобы это излучение выпустить. Вот такие пироги.

Ну и напоследок ещё вопрос, который люди обсуждали в оригинальном посте: «А если бы зеркала отражали 100% света — их бы разорвало от перегрева?»

Нет. Если бы зеркала отражали 100% света — греться бы они не могли, ибо греется только то, что поглощает. Но если бы потом на зеркало попала пылинка — да. Другой вопрос, что существует масса странных эффектов, которые случились бы с воздухом между зеркалами. При малых интенсивностях он бы просто поглощал и рассеивал свет, затем начал бы работать как линза (эффект самофокусировки), чем понизил бы добротность резонатора и остановил дальнейший рост энергии. Если бы удалось его ещё как-то нагрузить — воздух бы превратился в плазму, которая непрозрачна. Если воздух откачать напрочь — ограничений вроде как меньше. Только вакуум не может быть активной средой, поэтому лазер из вакуума не создашь. Но если уже заготовленное очень (ОЧЕНЬ) мощное излучение пустить в вакуум — должен наступить его оптический пробой. Многие слышали, что вещество и антивещество, встречаясь, взаимоуничтожаются (аннигилируют). Теоретически, при ОЧЕНЬ мощном излучении может начаться обратный процесс: вещество и антивещество могут рождаться из фотонов, унося их энергию. Экспериментально это проверить очень непросто, ибо любая активная среда сгорит гораздо раньше. Но определённые подвижки в эту сторону есть.

Голоскоп.⁠ ⁠

Квантовый эксперимент в космосе доказал: реальность — это вопрос личного выбора⁠ ⁠

Команда физиков провела необычный эксперимент с космическим спутником и выяснила, что благодаря квантовой механике прошлое может определяться настоящим, а принцип причинно-следственных связей ставится под сомнение.

Необычный космический эксперимент подтвердил, что, как и утверждает квантовая механика, реальность — это то, что выбрал сам человек. Физикам давно было известно, что квант света (фотон) будет вести себя как волна и как частица в зависимости от того, как именно ученые измеряют ее. Теперь же, успешно отразив фотон от орбитального спутника, команда исследователей подтвердила, что наблюдатель может решить этот вопрос даже тогда, когда световой квант уже прошел через «точку принятия решений». По словам ученых, подобные эксперименты с отложенным выбором в будущем позволят исследовать границы между квантовой теорией и теорией относительности.

Подобный эксперимент уже проводился в лабораторных условиях, однако на этот раз исследователи доказали, что природа фотона остается неопределенной даже если частице приходится преодолевать тысячи километров. Филипп Гранджи, физик из Института оптики в Палесо, Франция, который в прошлом как раз принимал участие в лабораторном эксперименте, утверждает, что подобные опыты отлично подходят для «осуществления квантовой физики в космосе».

Квантовый дуализм: может ли настоящее определять прошлое?

Так в чем же суть опыта? Напомним, что фотон может проявлять свойства или частицы, или волны, в зависимости от того, какой метод измерения предпочитают ученые. В конце 1970-х годов знаменитый теоретик Джон Арчибальд Уилер понял, что экспериментаторы могут отложить свой выбор до тех пор, пока фотон почти полностью не пройдет сквозь устройство, настроенное на то, чтобы подчеркнуть то или иное свойство частицы. Это показывает, что поведение фотона в данном случае не предопределено. Чтобы проверить свою гипотезу, Уилер предложил по одиночке пропускать фотоны через так называемый интерферометр Маха-Цендера, подчеркивающий волновую природу света. Благодаря зеркальному «расщепителю лучей», устройство разделяет квантовую волну входящего светового потока на две части и направляет их по двум разным путям. После этого второй расщепитель рекомбинирует волны, что вызывает состояние интерференции и активирует два детектора. То, какой детектор поймает сигнал первым, зависит от разницы длин двух световых потоков — ожидаемое поведение для интерферирующих волн.

Но что, если второй разделитель попросту удалить из системы? В таком случае свет перестает проявлять свойства волны: первый разделитель просто отправит фотон по тому или иному направлению, как обычную частицу. А поскольку эти пути пересекаются там, где раньше был второй разделитель, детекторы сработают с одинаковой вероятностью, вне зависимости от длины пройденного фотоном пути. Уилер же предлагает удалить вторую часть устройства уже после того, как первая расщепит световой поток. Это звучит странно, поскольку создает парадокс: решение, принятое в настоящем времени (убрать или не убрать второй разделитель) определяет событие прошлого (расщепляется ли фотон как волна или же проходит по одной траектории как частица). Современная квантовая теория избегает комментариев по этому поводу, предполагая, что до самого факта измерения фотон остается как частицей, так и волной.

Новый эксперимент: путешествие в космос и обратно

Новая команда исследователей во главе с Франческо Ведовато и Паоло Виллорези из Университета Падуи в Италии провела свою версию эксперимента с использованием 1,5-метрового телескопа в Лазерной обсерватории «Матера» на юге Италии. Идея была в том, чтобы отправить фотоны в космос, после чего те отразятся от спутника. Дело в том, что, как отмечает Виллорези, на таких огромных расстояниях физики не могут провести свет двумя идеально параллельными путями — расширяющиеся в пространстве лучи будут неизбежно сливаться и перекрывать друг друга. Вместо этого они пропускают фотон через интерферометр Маха-Цендера на Земле, настроенный на траектории выхода разной длины. Разница между импульсами составляет 3,5 наносекунды, а сами вылетающие частицы телескоп выпускает в небо.

Как только импульсы отразятся от спутника и вернутся на нашу планету, физики снова пропускают его через интерферометр. Устройство при этом может отметить или временной сдвиг (что означает, что импульсы перекрыли друг друга и фотон повел себя как волна), или его отсутствие (то есть фотоны ведут себя как частицы). Когда импульсы в первый раз покидают устройство, они обладают различной поляризацией. Чтобы отметить сдвиг во времени, физики сначала должны провести очень быструю электронную реполяризацию, а чтобы доказать его отсутствие, достаточно просто не проводить никаких манипуляций.

В результате все прошло так же, как и в лабораторных условиях. Когда на фотоны воздействовали ученые, кванты света вели себя как волны; когда их оставляли в покое — как частицы. Таким образом, физики сами решали природу света уже после (!) того, как тот отразится от спутника и будет на полпути обратно, о чем и рассказали на страницах журнала Science Advances.

Значение и критика эксперимента

Сам по себе эксперимент пусть и не является идеально точным и строгим отображением идеи Уилера, все же заслуживает внимания. Это отличный пример работы принципов «квантовой оптики» и в будущем подобные открытия могут оказать огромное влияние на технологии связи. За примером далеко ходить не надо: уже в мае 2017 года китайские физики использовали спутник для создания квантовой связи (т. н. «квантовой запутанности») между двумя фотонами, отправленными в разные города, значительно отстоящие друг от друга.

Строго говоря, эксперимент все же не нарушает причинно-следственные связи. Следует выразиться точнее: он проливает определенный свет на границу, разделяющую квантовую теорию и теорию относительности. Фактически, физикам удалось доказать, что измерения в настоящем может значительно повлиять на прошлое — вернее, на то, как человек воспринимает это самое прошлое. По словам Жан-Франсуа Роха, физика в Высшей школе стандартизации в Париже, который в 2007 году провел аналогичный, но более точный тест, в данном случае речь идет о малоизученной области физики, в которой две фундаментальные теории вступают во взаимодействие и порождают нечто совершенно новое.

5.3.1 Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение)

Так называется процесс полной передачи всей энергии одному из электронов, находящихся на внутренних орбитах встречного атома.

Е_св.е — (энергия связи электрона в атоме), Е_γ – энергия фотона. Фотоэлектрон, в принципе, может быть выбит с любой оболочки атома (K, L, M и т.д.), энергия связи которой меньше энергии фотона.

При фотоэффекте электроны вылетают в основном под углом 90˚, однако, с увеличением энергии падающего фотона фотоэлектроны испускаются преимущественно “вперед” по направлению движения.

Фотоэффект наблюдается в основном при взаимодействии с веществом γ – квантов малых энергий до 1 МэВ. С ростом атомного номера поглотителя вероятность фотоэффекта возрастает пропорционально Z 4 .

С ростом энергии γ – квантов вероятность фотоэлектрического поглощения резко уменьшается.

После вылета фотоэлектрона на одной из внутренних оболочек атома (с которой был выбит электрон) остается вакансия – атом оказывается в возбужденном состоянии. Это возбуждение снимается при переходе атомного электрона с более высокой оболочки. При этом испускается либо квант характеристического рентгеновского излучения (флуоресцентное излучение), либо электрон Оже (когда энергия возбуждения не выделяется в виде рентгеновского излучения, а передается одному или нескольким орбитальным электронам). В отличие от β – частиц, они всегда имеют дискретные значения энергии (см. в β – распаде – К захват). Вероятность испускания электронов Оже велика для относительно легких материалов (Z<33), для тяжелых материалов (атомов) возбуждение снимается испусканием характеристического рентгеновского излучения.

5.3.2 Комптоновское рассеяние

При повышении энергии γ – квантов (>0,6 МэВ) основное значение при прохождении γ – квантов через вещество приобретает эффект Комптона, или комптоновское рассеяние. Комптоновским рассеянием называется упругое рассеяние фотонов на свободных электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия γ – квантов во много раз превышает энергию связи электрона.

В результате комптон-эффекта вместо первичного фотона с энергией Е_γ, появляется рассеянный фотон с энергией , а электрон, на котором произошло рассеяние, приобретает кинетическую энергию

Процесс комптоновского рассеяния заключается в том, что фотон передает лишь часть своей энергии электрону, чаще всего внешнему, слабо связанному, а вместо первичного γ – кванта появляется рассеянный γ – квант с меньшей энергией.

Рассеянный γ – квант Еγ >>Е _св.е

В противоположность фотоэффекту в

В идеальном случае комптоновское рассеяние происходит именно на свободных электронах. Строго говоря, таких электронов в веществе нет, однако при Е_γ >>Е_св.е электрон можно считать практически свободным.

Процесс комптоновского рассеяния заключается в том, что фотон передает лишь часть своей энергии электрону, чаще всего внешнему, слабо связанному, а вместо первичного γ – кванта появляется рассеянный γ – квант с меньшей энергией.

Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна Z вещества поглотителя и убывает с ростом энергии фотонов, но медленнее, чем вероятность фотоэффекта. При комптоновском рассеянии преобладает направление вылета электронов отдачи вдоль первоначального направления движения γ – кванта. Начиная с энергии 0,6 МэВ, комптоновское рассеяние, даже при прохождении через слои тяжелых элементов, преобладает над фотоэффектом. Явление Комптона также сопровождается ионизацией среды, в которой распространяется гамма – излучение.