17 Вопрос
Фотон
Фотон — безмассовая
нейтральная частица. Спин
фотона равен 1 (частица является бозоном),
но из-за нулевой массы покоя более
подходящей характеристикой является
спиральность,
проекция спина частицы на направление
движения. Фотон может находиться только
в двух спиновых состояниях со спиральностью,
равной
.
Массу
покоя фотона считают равной нулю,
основываясь на эксперименте и теоретических
обоснованиях, описанных выше. Поэтому
скорость фотона равна скорости
света. По этой причине (не существует
системы отсчёта, в которой фотон покоится)
внутренняя
чётность частицы не определена. Если
приписать фотону наличие т. н.
«релятивистской
массы» (термин ныне выходит из
употребления) исходя из соотношения
то
она составит
Фотон —
истинно
нейтральная частица (тождественен
своей античастице)[46],
поэтому его зарядовая
чётность отрицательна и равна −1.
Фотон относится к
калибровочным
бозонам. Он участвует в электромагнитном
и гравитационном
взаимодействии. Фотон не имеет
электрического
заряда и не распадается спонтанно в
вакууме,
стабилен. Фотон может иметь одно из двух
состояний поляризации
и описывается тремя пространственными
параметрами — составляющими волнового
вектора, который определяет его длину
волны
и
направление распространения.
Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон-позитрон. При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.[48]
Если энергия
фотона равна
,
то импульс
связан
с энергией соотношением
,
где
—
скорость
света (скорость, с которой в любой
момент времени движется фотон как
безмассовая частица). Для сравнения,
для частиц с ненулевой массой покоя
связь массы и импульса с энергией
определяется формулой
,
как показано в специальной
теории относительности.
В вакууме энергия и импульс
фотона зависят только от его частоты
(или,
что эквивалентно, от длины
волны
):
,
,
и, следовательно, величина импульса есть:
,
где
—
постоянная
Планка, равная
;
—
волновой
вектор и
—
его величина (волновое
число);
—
угловая
частота. Волновой вектор
указывает
направление движения фотона. Спин фотона
не зависит от частоты.
Классические формулы для энергии и импульса электромагнитного излучения могут быть получены исходя из представлений о фотонах. К примеру, давление излучения осуществляется за счёт передачи импульса фотонов телу при их поглощении. Действительно, давление — это сила, действующая на единицу площади поверхности, а сила равна изменению импульса, отнесённому ко времени этого изменения.
18 Вопрос
Термодинамика. Давление фотонного газа.
Давление фотонного газа
Изотропный фотонный газ, имеющий плотность энергии u, оказывает давление:
В частности, если фотонный газ является равновесным (излучение абсолютно чёрного тела) с температурой T, то его давление равно:
где σ — постоянная Стефана-Больцмана
Физический смысл
Давление электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev/c². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c.
В электродинамике давление электромагнитного излучения описывается тензором энергии-импульса электромагнитного поля.
Корпускулярное описание
Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление.
Волновое описание
С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность, электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.
При выводе функций, фотонный газ рассматривается как идеальный.