Фатон

Фатон (ад стар.-грэч.: φῶς «свет») — элементарная часціца, квант электрамагнітнага выпраменьвання (у вузкім сэнсе — святла). Гэта бязмасавая часціца, здольная існаваць толькі рухаючыся са скорасцю святла. Электрычны зарад фатона таксама роўны нулю. Фатон можа знаходзіцца толькі ў двух спінавых станах з праекцыяй спіна на кірунак руху (спіральнасцю) ±1. Гэтай уласцівасці ў класічнай электрадынаміцы адпавядае кругавая правая і левая палярызацыя электрамагнітнай хвалі.

Фатону, як квантавай часціцы, уласцівы карпускулярна-хвалевы дуалізм, г.зн. фатон праяўляе адначасова ўласцівасці часціцы і хвалі.

Фізічныя ўласцівасці

Фатон можа мець адзін з двух станаў палярызацыі і апісваецца трыма прасторавымі параметрамі — складнікамі хвалевага вектара, які вызначае яго даўжыню хвалі і кірунак распаўсюджання.

Фатон не мае электрычнага зараду і не распадаецца спантанна ў вакууме, таму аднесены да ліку стабільных элементарных часціц. Апошняе сцвярджэнне слушна пры адсутнасці вонкавага поля; у вонкавым магнітным полі магчымы распад фатона на два фатоны з іншай палярызацыяй.

Масу спакою фатона лічаць роўнай нулю. Таму скорасць фатона, як і скорасць кожнай бязмасавай часціцы, роўная скорасці святла. Па гэтай прычыне (няма сістэмы адліку, дзе фатон у спакоі) унутраная цотнасць часціцы не вызначана. Фатон — ісцінна нейтральная часціца, таму яго зарадавая цотнасць адмоўная і роўная −1.

Фатон адносіцца да калібровачных базонаў. Ён удзельнічае ў электрамагнітным і гравітацыйным узаемадзеянні.

Фатоны выпраменьваюцца ў многіх прыродных працэсах, напрыклад, пры руху электрычнага зараду з паскарэннем, пры пераходзе атама або ядра з узбуджанага стану ў стан з меншай энергіяй, або пры анігіляцыі пары электрон-пазітрон. Пры адваротных працэсах — узбуджэнне атама, нараджэнне электрон-пазітроннай пары — адбываецца паглынанне фатонаў^[1].

Фатоны ў рэчыве

Святло распаўсюджваецца ў празрыстым асяроддзі са скорасцю меншай, чым c — скорасць святла ў вакууме. Напрыклад, фатонам, якія праходзяць праз мноства сутыкненняў на шляху ад сонечнага ядра, якое выпраменьвае энергію, можа спатрэбіцца каля мільёна гадоў, каб дасягнуць паверхні Сонца. Аднак, рухаючыся ў адкрытым космасе, такія ж фатоны далятаюць да Зямлі ўсяго за 8,3 хвіліны. Велічыня, якая характарызуе памяншэнне скорасці святла, называецца паказчыкам праламлення рэчыва.

З класічнага пункту гледжання запаволенне можа быць растлумачана так. Пад дзеяннем напружанасці электрычнага поля светлавой хвалі валентныя электроны атамаў асяроддзя пачынаюць здзяйсняць вымушаныя гарманічныя ваганні. Электроны, вагаючыся, пачынаюць з вызначаным часам запазнення выпраменьваць другасныя хвалі той жа частаты і напружанасці, што і ў падаючага святла, якія інтэрферыруюць з першапачатковай хваляй, запавольваючы яе^[2]. У карпускулярнай мадэлі запаволенне можа быць замест гэтага апісана змешваннем фатонаў з квантавымі ўзбурэннямі ў рэчыве (квазічасціцамі, падобнымі фанонам і эксітонам) з утварэннем палярытона. Такі палярытон мае ненулявую эфектыўную масу, з-за чаго ўжо не ў стане рухацца са скорасцю c. Эфект узаемадзеяння фатонаў з іншымі квазічасціцамі можа назірацца напрамую ў эфекце Рамана і ў рассеянні Мандэльштама — Брылюэна.

Фатоны таксама могуць быць паглынутыя ядрамі, атамамі або малекуламі, справакаваўшы такім чынам пераход паміж іх энергетычнымі станамі. Паказальны класічны прыклад, звязаны з паглынаннем фатонаў зрокавым пігментам палачак сятчаткі радапсінам, у састаў якога ўваходзіць рэтыналь, вытворнае рэтынолу (вітаміна A), адказнага за зрок чалавека, як было ўстаноўлена ў 1958 годзе амерыканскім біяхімікам нобелеўскім лаўрэатам Джорджам Уолдам і яго супрацоўнікамі. Паглынанне фатона малекулай радапсіна выклікае рэакцыю транс-ізамерызацыі ретыналя, што прыводзіць да раскладання радапсіна. Такім чынам, у спалучэнні з іншымі фізіялагічнымі працэсамі, энергія фатона пераўтвараецца ў энергію нервовага імпульсу. Паглынанне фатона можа нават выклікаць разбурэнне хімічных сувязей, як пры фотадысацыяцыі хлору; такія працэсы з’яўляюцца аб’ектам вывучэння фотахіміі.

Другаснае квантаванне

У 1910 годзе Петэр Дебай атрымаў формулу Планка, зыходзячы з адносна простага дапушчэння^[3]. Ён расклаў электрамагнітнае поле ў абсалютна чорнай поласці па Фур’е-модах і выказаў здагадку, што энергія кожнай моды з’яўляецца цэлым кратным велічыні $h\nu$ , дзе $\nu$ — адпаведная дадзенай модзе частата. Геаметрычная сумма атрыманых мод уяўляла сабой закон выпраменьвання Планка. Аднак, выкарыстоўваючы гэты падыход, аказалася немагчымым атрымаць верную формулу для флуктуацый энергіі цеплавога выпраменьвання. Вырашыць гэтую задачу ўдалося Эйнштэйну ў 1909 годзе.

У 1925 годзе Макс Борн, Вернер Гейзенберг і Паскуаль Ёрдан далі некалькі іншую інтэрпрэтацыю дэбаеўскага падыходу. Выкарыстоўваючы класічныя ўяўленні, можна паказаць, што Фур’е-моды электрамагнітнага поля — поўная сукупнасць электрамагнітных плоскіх хваль, кожнай з якіх адпавядае свой хвалевы вектар і свой стан палярызацыі, — эквівалентныя сукупнасці неўзаемадзейных гарманічных асцылятараў. З пункту гледжання квантавай механікі, энергетычныя ўзроўні такіх асцылятараў вызначаюцца суадносінамі $\mathrm {E} =nh\nu$ , дзе $\nu$ — частата асцылятара. Прынцыпова новым крокам стала тое, што мода з энергіяй $\mathrm {E} =nh\nu$ разглядалася тут як стан з $n$ фатонаў. Гэты падыход дазволіў атрымаць правільную формулу для флуктуацый энергіі выпраменьвання абсалютна чорнага цела.

Зноскі

↑ Савельев И. В. Курс общей физики. — 1982.
↑ Касьянов, В. А. Физика 11 класс. — 3-е изд. — М.: Дрофа, 2003. — С. 228—229. — 416 с. — ISBN 5-7107-7002-7.
↑ Debye P. Der Wahrscheinlichkeitsbegriff in der Theorie der Strahlung(ням.) // Annalen der Physik. — 1910. — Т. 33. — С. 1427—1434. — ISSN 0003-3804. — DOI:10.1002/andp.19103381617

Літаратура

Савельев И. В. Курс общей физики. — 1982.

Спасылкі

Усе эксперыментальна вымераныя ўласцівасці фатона на сайце Particle Data Group (англ.)
MISN-0-212 Characteristics of Photons (PDF file) by Peter Signell and Ken Gilbert for Project PHYSNET.
How to entangle photons experimentally

[1] Савельев И. В. Курс общей физики. — 1982.

[2] Касьянов, В. А. Физика 11 класс. — 3-е изд. — М.: Дрофа, 2003. — С. 228—229. — 416 с. — ISBN 5-7107-7002-7.

[3] Debye P. Der Wahrscheinlichkeitsbegriff in der Theorie der Strahlung(ням.) // Annalen der Physik. — 1910. — Т. 33. — С. 1427—1434. — ISSN 0003-3804. — DOI:10.1002/andp.19103381617

[1]

[2]

[3]