Фотон
Фото н • Элементарная частица, квант электромагнитного излучения (света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярноволновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. В физике фотон обозначается символом γ (гамма). Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной.
История • Современная теория света основана на работах многих учёных. Квантовый характер излучения и поглощения энергии электромагнитного поля был постулирован М. Планком в 1900 году для объяснения свойств теплового излучения. Сам термин «фотон» введён химиком Гилбертом Льюисом в 1926 году. Введение понятия фотона способствовало созданию новых теорий и физических приборов, а также стимулировало развитие экспериментальной и теоретической базы квантовой механики. Например, был изобретен лазер, открыто явление конденсации Бозе — Эйнштейна, сформулирована квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. Среди приложений концепции фотонов есть такие, как фотохимия, видеотехника, компьютерная томография, микроскопия высокого разрешения и измерение межмолекулярных расстояний. Фотоны также используются в качестве элементов квантовых компьютеров и наукоёмких приборов для передачи данных.
• Конденса т Бо зе — Эйнште йна — агрегатное состояние вещества, основу которой составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.
• Замедление атомов с использованием охлаждающей аппаратуры позволяет получить сингулярное квантовое состояние, известное как конденсат Бозе — Эйнштейна. Это явление было предсказано в 1925 году А. Эйнштейном, как результат обобщения работы Ш. Бозе, где строилась статистическая механика для частиц, начиная от безмассовых фотонов до обладающих массой атомов. Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, и отдельные элементарные частицы — фотоны, и целые атомы, могут находиться друг с другом в одинаковых квантовых состояниях. Эйнштейн предположил, что охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур заставит их перейти в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества.
История названия и обозначения • Фотон изначально был назван «световым квантом» , его первооткрывателем, Альбертом Эйнштейном. Современное название, которое «фотон» получил от греческого слова φώς, «phos» (свет), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом, который опубликовал теорию, в которой фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми» . Хотя теория Льюиса никогда не использовалась, так как находилась в противоречии с экспериментами, термин фотон начал использоваться большинством физиков. В физике, фотон обычно означается символом γ (гамма). В химии и оптической инженерии, фотоны известно обозначение hν, где h — постоянная Планка и ν(ню) — частота фотонов (произведение этих двух величин есть энергия фотона).
Фотоны в веществе • Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем — скорость света в вакууме. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра, излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца. Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8, 3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.
• В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой ( «медленный свет» ). Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. Фотоны также могут быть поглощены ядрами, атомами или молекулам, спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями.
Техническое применение • Важным техническим устройством, использующим фотоны, является лазер. Его работа основана на явлении вынужденного излучения, рассмотренного выше. Лазеры применяются во многих областях технологии. Технологические процессы (сварка, резка и плавление металлов) осуществляются, главным образом, газовыми лазерами, обладающими высокой средней мощностью. В металлургии они позволяют получить сверхчистые металлы. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов, гравиметров и других точных физических приборов. Лазеры с перестраиваемой частотой произвели революцию в спектроскопии, существенно повысили разрешающую способность и чувствительность метода вплоть до наблюдения спектров отдельных атомов. Лазеры также применяются в медицине как бескровные скальпели, при лечении глазных и кожных заболеваний. Лазерная локация способствовала уточнению систем космической навигации, расширила знания об атмосферах и строении поверхности планет, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия, существенно уточнила характеристики движения Луны и планеты Венера по сравнению с астрономическими данными.