Фотон: что это в физике, как определить энергию, формула измерения

Почти все процессы и явления во Вселенной описываются электромагнитным взаимодействием, которое сводится к электронам и фотонам. Рассмотрим, что такое фотон, его свойства, как определить энергию элементарной частицы. Научимся рассчитывать его энергетическое состояние. 

Теоретические выкладки

Фотон – безмассовая бесструктурная элементарная частичка, мельчайшая порция электромагнитной (ЭМ) энергии, распространяющаяся в виде поперечных ЭМ волн. Без движения она не существует. Относится к нейтральным элементарным частицам – обладает нулевым электрическим зарядом. В квантовой механике она проявляет корпускулярно-волновой дуализм – одновременно это элементарная частица и электромагнитная волна, несущая единицу (квант, порцию) энергии. Обозначается греческой буквой γ.

Открытие и описание фотона приписывают учёным начала XX века, хотя его в качестве потока частиц рассматривал арабский математик и механик в начале X века. Он описал свет в виде направленного пучка мельчайших частиц.

Наряду с реальными фотонами (видимый свет, рентгеновские, инфракрасные, ультрафиолетовые лучи) различают виртуальные. Считается, что они переносят электромагнитное воздействие. Они обладают массой и могут входить в состояние покоя – не перемещаться. Электромагнитное взаимодействие между полями и/или материальными объектами описывается процессами обмена виртуальными фотонами.

Свойства фотона

Элементарная частица обладает рядом уникальных характеристик, не присущих иным частичкам. К ним относят:

• Отсутствие массы.


• Нейтральный электрический заряд.


• Спиральность – равняется ±1.


• Обладает одним из двух поляризационных состояний.


• Не расщепляется на составляющие – является бесструктурным стабильным элементом.


• Под воздействием магнитного поля может распадаться на пару фотонов с иной поляризацией.


• В вакууме движется со скоростью света – ~297 тыс. км/с.


• Принимает участие в гравитационном и электромагнитном взаимодействиях.

Формула определения энергии фотона

Фотон – носитель энергии, которую можно вычислить по формуле:

E = cp, где:

• с – скорость света в вакууме, равняется 297 000 км/с;
• p – импульс.

В вакууме энергия фотона, соответствующая длине его электромагнитной волны υ, вычисляется по формуле: E = hυ, где h – постоянная Планка.

Зная, что длина волны электромагнитного излучения равняется: λ = c/υ, получим преобразованную зависимость:

 E = hc/υ.

Задача

Решите несложное задание для закрепления материала: определите энергию фотона, колеблющегося с частотой 5*10¹⁴ Гц.

Воспользуемся формулой E = hυ, где все значения известны. Подставим их:

E = 6,626 * 10^-34 * 5 * 10¹⁴ = 18,13 * 10^-20 Дж.

Ответ: 18,13 * 10^-20 Дж.