Фотон — элементарная частица света¶

Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения, переносчик электромагнитного взаимодействия. Фотон не имеет электрического заряда и покоящейся массы (в пределах экспериментальных погрешностей), движется со скоростью света в вакууме. В кроссвордной традиции слово из пяти букв, обозначающее «частицу света», — это именно ФОТОН. Фотоны составляют видимый свет, радиоволны, рентгеновское и гамма-излучение — весь спектр электромагнитного излучения.

¶Квантовая природа

Идея квантового характера излучения была высвинута Максом Планком в 1900 году для объяснения законов теплового излучения. В 1905 году Альберт Эйнштейн развил эту идею, предположив, что электромагнитная волна излучается и поглощается порциями — квантами энергии $E = h\nu$, где $h$ — постоянная Планка, $\nu$ — частота. Термин «фотон» был предложен Льюисом в 1926 году. Полноценная квантовая теория электромагнитного поля, в которой фотоны выступают как возбуждённые состояния квантованного электромагнитного поля, была создана в 1920—1930-е годы усилиями Дирака, Ферми, Иордана и других физиков.

¶Основные свойства

Фотон обладает набором свойств, отличающих его от других элементарных частиц:

• Масса покоя равна нулю. Экспериментальный предел для массы фотона составляет порядка $10^{-18}$ эВ/c², что на девять порядков меньше массы электрона. Именно поэтому фотоны могут существовать только при движении со скоростью света.
• Электрический заряд отсутствует. Фотоны не участвуют в электромагнитном взаимодействии напрямую как носители заряда, но являются переносчиками электромагнитного поля.
• Спин равен 1. Фотон — бозон, подчиняющийся статистике Боза — Эйнштейна. Это принципиальное отличие от электрона (спин 1/2, фермион).
• Энергия и импульс фотона связаны с частотой: $E = h\nu$, $p = h\nu/c$. Энергия фотона определяется только частотой, а не интенсивностью излучения.
• Полная поляризация. Фотон имеет два независимых состояния поляризации (для массивных бозонов спин 1 допускает три состояния).

¶Роль в физических процессах

Фотоны участвуют во всех процессах, связанных с электромагнитным взаимодействием. Основные примеры:

• Эффект Комптона (1923) — рассеяние фотона на свободном электроне с изменением длины волны. Этот эксперимент подтвердил корпускулярные свойства света.
• Фотоэффект — выбивание электронов из вещества под действием света. Закономерности фотоэффекта были объяснены Эйнштейном в 1905 году и стали одним из доказательств квантовой природы света.
• Парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс — процессы, в которых фотоны играют роль зондирующих квантов.
• Свечение люминофоров и люминесценция — испускание фотонов при переходах атомов и молекул из возбуждённого состояния в основное.

В квантовой электродинамике (КЭД) взаимодействие заряженных частиц описывается обменом виртуальными фотонами. КЭД — одна из наиболее точных физических теорий: расчёт магнитного момента электрона теоретически и экспериментально совпадает до десяти знаков после запятой.

¶Применение

Фотоны лежат в основе современных технологий:

• Лазеры — источники когерентного света, используемые в промышленности, медицине, связи и научных исследованиях.
• Оптоволоконная связь — передача информации импульсами фотонов по стеклянным волокнам.
• Фотоэлектрические преобразователи — солнечные батареи, преобразующие энергию фотонов в электрическую.
• Детекторы излучения — фотоумножители, полупроводниковые счётчики, применяемые в физике, медицине и астрономии.

¶Фотон в кроссвордах

В русскоязычных кроссвордах и сканвордах на определение «частица света», «квант света», «элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия» ответом является слово из пяти букв — ФОТОН. Другие возможные варианты ответов на смежные определения: «луч» (4 буквы), «квант» (5 букв), «луч света» — но именно «фотон» является наиболее точным ответом на определение «частица света».

¶Интересные факты

• За изучение квантовой теории света Нобелевские премии получили Макс Планк (1918), Альберт Эйнштейн (1921), Артур Комптон (1927) и Чарлз Таунс (1964).
• В вакууме все фотоны, независимо от энергии, движутся с одинаковой скоростью — около 299 792 458 м/с.
• В 2015 году в опытах по передаче квантовой информации впервые был достигнут детектируемый уровень одиночных фотонов в атмосфере, что важно для квантовых коммуникаций.

¶Источники

• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория.
• Берестецкий В. Б., Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Квантовая электродинамика.
• Фейнман Р. Квантовая электродинамика.
• Энциклопедический словарь физических терминов.