в каком случае атом испускает фотон
В каком случае атом испускает фотон
Квант электромагнитного излучения с внутренним колебательным процессом позволяет физически описать взаимодействие электромагнитного излучения с веществом во всех физических явлениях, что было невозможно в рамках волновой и квантовой теорий.
В квантовой теории света есть математическая модель излучения и поглощения фотонов, но нет физической модели.
Существующая теория света не может предложить физического процесса излучения и поглощения фотонов, поскольку не известна структура фотона, электрона, позитрона и их взаимное превращение. Также не известен физический механизм перехода электрона с одной квантовой орбиты на другую.
Покажем, как единая теория электромагнитного излучения описывает процесс излучения и поглощения фотонов атомами вещества.
Единая теория электромагнитного излучения имеет возможность описать физические процессы, происходящие при излучении фотона. Принцип существования фотона с внутренним колебательным процессом, позволяет описать физический процесс излучения фотона.
Излучение фотона сопровождается переходом электрона с одной орбиты на другую. Этот процесс связан с образованием пары частиц, уходящих в составе фотона: одна с отрицательным зарядом (электрон) и положительной массой, другая с положительным зарядом (позитрон) и отрицательной массой.
Так как электрон и позитрон в составе кванта находятся в связанном состоянии, сумма этих частиц обладает нулевой массой покоя и нулевым зарядом, поэтому для них нет запрета на движение со скоростью света.
Рис. 1. Излучение волнового кванта и траектория осцилляции электронно – позитронной пары кванта.
Одновременно с этим, фотон начинает своё движение со скоростью света в направлении, перпендикулярном векторам электрической и магнитной составляющей фотона.
Электрон, существовавший на возбужденной орбите до излучения кванта, уходит в составе фотона вместе с позитроном, образовавшемся на основной орбите. На основной орбите остается электрон, образовавшийся из физического вакуума вместе с позитроном, ушедшим в составе фотона.
Далее покажем, как единая теория электромагнитного излучения описывает процесс поглощения фотонов атомами вещества.
При поглощении кванта этой длины волны, электрон переходит с первой боровской орбиты на четвёртую.
Рис. 2. Траектория осцилляции электронно – позитронной пары фотона и его захват электроном, находящимся на квантовой орбите атома вещества.
Для физического процесса поглощения кванта электромагнитного излучения атомом вещества, необходимо наличие электрона на основной орбите, и свободной возбуждённой орбиты, отличающейся от орбиты, занятой электроном, на величину энергии кванта.
При прохождении электронно-позитронной пары кванта достаточно близко от электрона, находящегося на основной квантовой орбите атома вещества, за счёт сил притяжения между электроном вещества и позитроном фотона, возможен захват фотона атомом вещества.
При захвате фотона атомом вещества, электрическая составляющая кванта 
преобразуется в разность потенциалов квантовых орбит.
В результате этого процесса на основной квантовой орбите электрон и позитрон взаимно компенсируются, а на возбуждённой квантовой орбите появляется электрон, пришедший в составе кванта.
Таким образом, единая теория электромагнитного излучения даёт простой и понятный физический механизм поглощения и излучения кванта атомами вещества.
2. Королев Ф.А. Курс физики.
3. Трофимова Т. И. Курс Физики. “Высшая школа”. М.,1997.
Электромагнитные взаимодействия с точки зрения квантовой электродинамики
Введение
Мы все наслышаны из школьного курса физики о магнитных и электрических полях и их связи, а также об электромагнитном излучении, выражающемся через их колебания, но сколько из нас осведомлены о подлинной природе электромагнитных явлений?
Взяв за основу тот факт, что электромагнитное поле (также как и свет) состоит из фотонов, можно сделать весьма интересные выводы о структуре электромагнитных взаимодействий.
Для начала сделаю небольшое отступление, дабы ознакомить вас с основами квантовой электродинамики.
Такие элементарные частицы, как электрон и протон имеют вероятность взаимодействия с фотонами (в квантовом мире все объекты представляют собой лишь сумму вероятностей), поглощая и испуская их. Испуская фотон, электрон (также как и протон) сам немного подвигается в ту сторону, куда этот фотон летит.
Фотоны притягиваются друг к другу, что можно довольно легко доказать. Рассмотрим две диаграммы:
На первой мы видим два фотона, летящих в две разные точки. Чтобы высчитать вероятность этого события, нужно умножить его этапы, а затем сложить амплитуды вероятностей каждого из тех взаимоисключающих способов, которыми оно может произойти. (Амплитуда вероятности — это стрелка, квадрат длины которой равен самой вероятности. Направление такой стрелки в отношении перемещения фотона из точки A в точку B определяется энергией фотона. Чтобы сложить две амплитуды, нужно совместить конец первой стрелки с началом второй (не меняя их направлений), а затем провести результирующую стрелку — минимальный путь от «хвоста» первой стрелки до «головы» второй, как на рисунке ниже. Она-то и будет их суммой)
Вероятность события, изображённого на первой диаграмме равна:
P(1 — 2) * P(3 — 4) + P(1 — 3) * P(4 — 2)
где P(A — B) — амплитуда вероятности перемещения фотона из точки A в точку B.
На второй диаграмме изображено тоже событие, что и на первой, но точки 3 и 4 совмещены в одну.
Вероятность такого события равна:
P(1 — 3) * P(2 — 3) + P(2 — 3) * P(1 — 3)
Как видите, две стрелки, что мы складываем совершенно одинаковы как по длине, так и по направлению. При сложении они выстраиваются в одну линию и образуют стрелку удвоенной длины (квадрат которой возрастает в четыре раза).
Другими словами, фотоны стремятся быть в одном состоянии, то есть — притягиваются.
Из этого следует, что атом (или любая другая частица) с большей вероятностью испустит фотон, если рядом с ним уже есть фотоны. Эффект усиливается при увеличении числа фотонов.
Магнетизм
Теперь, когда можно считать, что все основные понятия разъяснены, мы можем приступить к обсуждению главного вопроса.
Допустим, электрон испускает фотон, и он достигает протона, который под влиянием близости к нему испускает ещё один фотон (сам к нему немного придвигаясь), а тот, в свою очередь, достигнув электрона (того самого), стимулирует его испустить ещё один фотон, тем самым приблизившись к протону (которого достигал первоначальный фотон). Процесс повторяется, и через некоторое время протон и электрон становятся достаточно близки, чтобы сформировать атом (в данном случае водорода).
Таким образом, обмениваясь с протоном (или с несколькими протонами) фотонами, электрон удерживается в атоме. Стоит отметить, что эти фотоны характеризуют как виртуальные, поскольку как только их испускают одни частицы, другие сразу же поглощают, и следовательно, мы не можем видеть их в завершении эксперимента.
А теперь, представьте куда денутся те фотоны, которые испускают электроны и которые в обычных условиях долетают до протонов в ядрах атомов, если в теле увеличить количество электронов?
А как насчёт смещения всех электронов в один конец физического тела, а всех атомов, потерявших электроны (и ставшими положительно заряженными ионами), — в другой? Эти фотоны будут попросту летать в виде магнитных волн, пока не встретятся с атомами другого тела, чтобы притянуть их к своему (источающему фотоны) телу.
Этим обуславливается магнитное действие электрического тока.
Светодиоды
Представьте себе, что все электроны в теле переместились в один конец, а все атомы без электронов (то есть по сути с дырками вместо электронов) — в другой. Представьте, что будет, если к тем виртуальным фотонам, которыми обмениваются электроны на одном конце с протонами на другом, поднести небольшой пучок электронов (то есть провести ток через это тело). Эти электроны начнут испускать фотоны, вот только уже не виртуальные, а те, которые в совокупности сформируют видимый свет.
На этом моменте я подвожу свой краткий обзор к завершению и надеюсь, что внес немного ясности в эту тему.
Задачи на постулаты Бора с решением
В сегодняшней статье нашей традиционной рубрики «Физика» займемся решением задач. Тема: постулаты Бора.
Ищите полезную информацию для учебы? Подпишитесь на наш телеграм-канал! А если хотите заказ со скидкой, загляните на второй канал для клиентов – там много всяческих бонусов.
Доверь свою работу кандидату наук!
Узнать стоимость бесплатно
Задачи на тему постулаты Бора с решениями
Постулаты Бора – сложная тема. Но решение задач по ней довольно простое, достаточно знать и уметь применять лишь несколько формул. Кстати, для удобства мы собрали полезные формулы в одном месте. А если вообще не знаете, как подступиться к задачам по физике, прочтите общую памятку по решению.
Задача на постулаты Бора №1
Условие
Вычислить энергию ε фотона, испускаемого при переходе электрона в атоме водорода с третьего энергетического уровня на первый.
Решение
Энергия фотона, испускаемого атомом водорода при переходе с одного энергетического уровня на другой, равна:
Ответ: 12,09 эВ.
Задача на постулаты Бора №2
Условие
Найдите максимальную длину волны, излучаемой в серии Бальмера.
Решение
Запишем формулу Бальмера-Ридберга:
Максимальная длина волны соответствует минимальному значению разности:
Ответ: 656 нм.
Задача на постулаты Бора №3
Условие
При переходе электрона в атоме из стационарного состояния с энергией – 4,8 эВ излучается фотон, энергия которого равна 3,1 эВ. Определите энергию конечного состояния электрона.
Решение
Атом испускает фотон, а значит, электрон переходит в стационарное состояние с меньшей энергией, которая будет равна разности энергии первоначального состояния и энергии испущенного фотона:
Задача на постулаты Бора №4
Условие
Решение
Изменение энергии электрона равно энергии испущенного фотона:
Энергия фотона равна:
Ответ: 2,6 эВ.
Задача на постулаты Бора №5
Условие
Решение
Согласно второму постулату Бора:
Ответ: 2,554 эВ.
Вопросы на тему постулаты Бора
Вопрос 1. Сформулируйте постулаты Бора.
Ответ. Квантовые постулаты Бора – это два основных допущения, введённые Н.Бором для объяснения устойчивости атома и спектральных закономерностей (в рамках модели атома Резерфорда).
Вопрос 2. В каком случае энергия поглощается атомом, а в каком испускается?
Ответ. При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную орбиту, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.
Вопрос 3. Какие противоречия есть в теории Бора?
Ответ. Теория Бора была крупным шагом в развитии атомной физики и явилась важным этапом в создании квантовой механики. Однако эта теория обладает внутренними противоречиями. С одной стороны она применяет законы классической физики, а с другой – основывается на квантовых постулатах. Теория Бора рассматривает спектры атома водорода и водородоподобных систем и позволяет вычислить частоты спектральных линий, однако не может объяснить их интенсивности и ответить на вопрос: почему совершаются те или иные переходы? Серьезным недостатком теории Бора также является невозможность описания с ее помощью спектра атома гелия – одного из простейших атомов, непосредственно следующего за атомом водорода.
Вопрос 4. Чему равна энергия фотона, испускаемого атомом при переходе в другое энергетическое состояние?
Ответ. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях.
Вопрос 5. Может ли атом излучать и поглощать фотоны с любой частотой?
Ответ. Нет! Согласно постулатам Бора, атом может поглощать и излучать фотоны только с некоторыми определенными значениями частоты.
Нужна помощь в решении задач? Профессиональный сервис для учащихся готов ее предоставить!
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Постулаты Бора
теория по физике 🧲 квантовая физика
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, – это попытка применения классических представлений о движении тел к явлениям атомных масштабов. Она оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, должны неизбежно упасть на
Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома в 1913 году сделал выдающийся датский физик Н. Бор. Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения атомных систем следует отказаться от многих представлений классической физики. Он сформулировал постулаты, которым должна удовлетворять новая теория о строении атомов.
Квантовые постулаты Бора – предположения (утверждения), сделанные Н. Бором для того, чтобы модель строения атома Резерфорда соответствовала реальному поведению атомов водорода.
Первый постулат Бора
Первый постулат Бора также носит название постулата стационарных состояний:
Атомная система может находиться только в стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитные волны.
Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущегося электрона может быть любой. Он находится в противоречии и с электродинамикой, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн.
Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию (см. рисунок ниже). Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного
Второй постулат Бора
Второй постулат Бора также носит название правила частот:
Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.
Разность энергий стационарных состояний можно вычислить по формуле:
Внимание! В квантовой физике энергию принято измерять не в Джоулях, а в электрон-вольтах, обозначаемых «эВ». 1 эВ равен энергии, приобретаемой электроном при прохождении разницы потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,6∙10 –19 Дж.
Отсюда можно выразить частоту излучения:
Частоту найдем по формуле:
Следовательно, длина волны равна:
Теория Бора при описании поведения атомных систем не отвергла полностью законы классической физики. В ней сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле
На рисунке представлен фрагмент диаграммы энергетических уровней атома. Какой из отмеченных стрелками переходов между энергетическими уровнями сопровождается излучением фотона с максимальной энергией?
а) с уровня 1 на уровень 5
б) с уровня 5 на уровень 2
в) с уровня 5 на уровень 1
г) с уровня 2 на уровень 1
Алгоритм решения
Решение
Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.
Причем чем на более высоком уровне находится электрон, тем с более высокой энергией фотон он испускает при переходе на 1 уровень. Поэтому на рисунке нам подходит переход с уровня 5 на уровень 1.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
В сосуде находится разреженный атомарный водород. Атом водорода в основном состоянии (Е1 = – 13,6 эВ) поглощает фотон частотой 3,7⋅10 15 Гц. С какой скоростью υ движется вдали от ядра электрон, вылетевший из атома в результате ионизации? Энергией теплового движения атомов водорода пренебречь.
Размышления о фотонах, их взаимодействии с веществом и зеркалах.
Листая пикабу наткнулся на пост человека, где он просил объяснить ему как фотоны отражаются от предметов. Этим постом я постараюсь дать ответ на этот вопрос.
Для начала поймем что такое фотон.
Википедия нам говорит:
Фотон (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения.
Но что это значит? В квантовой теории поля(основы современной физики частиц) все взаимодействия между чем угодно и чем угодно описываются с помощью так называемых частиц переносчиков. Два взаимодействующих объекта обмениваются переносчиками и посредством этого взаимодействуют, как два играющих в мяч мальчика. Один мальчик пинает мяч, который прилетая ко второму мальчику касается его и толкает немного, то есть оказывает на него воздействие. Так вот, фотон частица-переносчик электромагнитного взаимодействия. Но откуда они рождаются когда два тела взаимодействуют, есть же закон сохранения энергии, закон сохранения импульса? Теперь вспомним(или узнаем:) школьную физику 11-го класса. А именно неравенство Гейзенберга.(про него мы еще раз вспомним чуть позже)
Что он нам даёт в этом случае? А то, что закон сохранения энергии может нарушаться на короткое время. Так и рождаются виртуальные фотоны, которыми и обмениваются взаимодействующие объекты.
Как происходит комптоновское рассеяние? Фотон «налетает» на частицу и поглощается ей на короткое время(мы же помним про неравенство Гейзенберга, оно нам позволяет это делать) и его энергия и импульс «как бы» исчезают в частице.
Потом частица рождает новый фотон и он вылетает уже под каким-то углом к изначальному направлению(иногда и нулевым). Нам важно что он может родиться и улететь назад. При этом он отдает часть энергии и импульса частица, на которой рассеялся. Теперь надо понять, что улетая назад, фотон хоть и меняет свою энергию(а значит и длину волны), но не сильно(для фотонов видимого света и более высоких энергий это верно). Можете сесть честно руками посчитать как изменится энергия фотона при рассеянии его на покоящемся ядре назад. Закон сохранения импульса, закон сохранения энергии в помощь. Но главное что длина волны меняется не сильно для фотонов видимого диапазона.
Тогда посмотрим на зеркало внимательнее. А точнее на процесс отражения света.
Свет это что? Правильно, электромагнитная волна, а точнее электромагнитное поле. А значит много-много фотонов. Налетая на зеркало они встречаются с веществом и частицами в нем(а мы помним, что вещество состоит из атомов, атомы состоят из ядра и электронов и так далее до кварков, глюонов и других петлевых поправок). Теперь вспоминаем что фотоны могут рассеиваться назад на частицах. Ух ты, у нас налетел поток фотонов и часть из них рассеялась назад и полетела обратно! Вот и отражения света от вещества! Ура, мы поняли почему мы хоть что-то видим в этом мире(не до конца, но поняли).
Стоит отдельно отметить, что на использованные свойства фотона его безмассовость не влияет, так как он на очень короткое время исчезает и потом новый фотон летящий к нам в глаз рождается.
Ну и напоследок задачка.
Почему в зеркале право и лево меняются местами, а верх с низом нет? Как связаны с предыдущим вопросом левые и правые тройки векторов и CPT-теорема?
Спасибо за внимание!
Дубликаты не найдены
Почему в зеркале право и лево меняются местами
Глупый вопрос, ты часом не физтех??
Отражение вообще не правильно объяснено. Правильное объяснение идёт через плазмоны в металлах. ( https://ufn.ru/ufn82/ufn82_11/Russian/r8211b.pdf ) А если будет просто рассеяние, то «отражение» будет матовым.
на языке квантовой теории поля даже для 1 фотона нету единого акта отражения от одного электрона\атома и пр. Рассеяние работает сразу по всем точкам зеркала. Поэтому без рассмотрения плазмонов результирующий фотон видимого света будет отражаться под углом не под столь равным углу падения..
Она даавно не даёт народу покоя.
Правое-левое люди воспринимают относительно верха-низа. Если бы верх-низ вы определяли относительно например правой руки, то и верх-низ поменялся бы, а правая рука как была справа от зеркала, так и осталась там.
Как работает зеркало?
Мало кто задумывался о том, как работает обычное зеркало. Ну да, в нём можно увидеть своё отражение, а ещё пускать солнечные зайчики, благодаря своей способности отражать свет. Мало кто из людей задумывается о механизмах, благодаря которым «работает» зеркало, и ещё меньше догадываются о том, насколько удивительным может оказаться столь обыденный предмет, если разобраться. Лично для меня эта «кроличья нора» оказалась неожиданно глубокой.
Что такое отражение?
Свет вообще-то отражают почти все материальные объекты в нашем мире (кроме, разве что, чёрных дыр). Мы говорим «я вижу предмет», что означает «на сетчатку моего глаза попал отражённый этим предметом свет». В то же время, не все предметы обладают свойством зеркала. Мы так и разделяем два типа отражений — зеркальное и диффузное (рассеивающее). В чём разница? Это мы проходим ещё в школе, где нам показывают примерно такую картинку:
С объяснением вроде того, что угол падения равен углу отражения, с неровных поверхностей свет отражается под разными углами и рассеивается, зато вот с гладких поверхностей все лучи света отражаются под одним и тем же углом. Это правило вытекает из принципа, который сформулировал ещё Христиан Гюйгенс в конце 17 века, и дополнил Огюстен Френель в начале 19. Каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (то есть новым) источником сферических волн (принцип Гюйгенса-Френеля).
Но почему вот, например, относительно гладкий лист бумаги нам видится белым, а весьма шершавый кусок железосодержащей породы обладает, как мы говорим «характерным металлическим блеском». И почему существуют прозрачные материалы, которые пропускают свет сквозь себя практически без изменений?
Опустимся ещё глубже. Предметы состоят из атомов, так, наверное, это «одни атомы отражают, а другие пропускают сквозь себя лучи света»? (Физики, не спешите кидать в меня камни, я исправлюсь, обещаю!). При этом, какие-то лучи будут отражаться от внешних атомов, а какие-то будут проникать между ними и попадать в атомы, лежащие в более глубоких слоях:
При этом, может сложиться так, что лучи света будут отражаться даже внутрь материала. И да, я ещё пока не упоминал волновую природу света. Абсолютно любой материал, без исключения, будь то зеркало, камень или стекло разделит падающий луч света на 2 неравные части — одна часть будет отражена, а вторая будет направлена внутрь материала. При этом, вторая часть может быть как поглощена данным материалом, так и пройти сквозь него практически без изменений.
Для стекла, лишь малая толика света будет отражена, большая же часть пройдёт сквозь него. Для зеркала всё с точностью «до наоборот». То, насколько глубоко в материал проникнет свет, зависит, в основном, от 4 вещей: магнитной проницаемости материала, его диэлектрической проницаемости, частоты падающего излучения и, наиболее важного фактора — удельного электрического сопротивления материала. Так, например, в стекле (электрический изолятор) интенсивность светового пучка упадёт ниже 1% от первоначального примерно через 750 метров. Для серебряной амальгамы (отлично проводящей электрический ток) эта глубина составит всего около 7 нанометров (несколько десятков атомов). Комбинируя данные параметры можно создать и более экзотические материалы (о метаматериалах я писал в этом посте).
Но тогда почему не все изоляторы прозрачны? Есть ещё один фактор, но для этого, надо нырнуть ещё глубже. Вспоминаем, что фотон — это волна, а не мячик, который может отскочить от поверхности. Фотон движется прямолинейно и не может изменить своей траектории относительно геодезических линий пространства(времени). Фотон никуда не отражается. Любой материальный объект (включая зеркало) может лишь поглотить падающий фотон, либо пропустить его сквозь себя.
Так что же происходит на самом деле? Давайте вспомним, как происходит взаимодействие атомов с квантами электромагнитного излучения (подробно разжёвано здесь). Каждый электрон в атоме находится в состоянии, которое можно описать 4 квантовыми числами, а если проще — имеет определённую энергию. Чем больше энергия, тем дальше от ядра она позволяет ему находиться, но есть одно условие — электрон не может находиться на произвольном расстоянии от ядра, как в здании с лифтом — нельзя находиться на этаже 3 ½, можно либо на 3, либо на 4, но не между ними. «Этажи» называются орбиталями и переход с одной на другую осуществляется мгновенно, без каких-либо промежуточных стадий. Если фотон с совершенно определённой энергией встретится с электроном, он будет поглощён, а его энергия позволит электрону подпрыгнуть на этаж выше. Про такой электрон говорят, что он возбуждён. Рано или поздно, возбуждённый атом «успокоится» и вернётся в исходное состояние, а, поскольку для этого необходимо будет отдать энергию, он отдаст её в виде нового фотона, у которого будет точно такая же энергия (частота) как и у поглощённого фотона. Но если энергии фотона будет недостаточно для того, чтобы электрон перескочил на следующую орбиту, то он просто пролетит мимо, а электрон останется на свой орбите. Также электрон останется на орбите и в случае, если фотон имеет слишком большую энергию. Для перехода электрона на другой уровень фотон должен обладать совершенно определенном количеством энергии.
Поглощение и эмиссия фотонов
Определённые материалы прозрачны для определённой частоты излучения (как, например, стекло) из-за того, что энергии фотонов видимого диапазона недостаточно, чтобы возбудить электроны в атомах стекла, поэтому фотоны спокойно проходят сквозь них. При этом, один и тот же материал может быть прозрачным в одном диапазоне и непрозрачным в другом — так, например, стекло очень хорошо поглощает ультрафиолет.
Но данный механизм отвечает лишь за нагрев материала, на который попадает свет, так как перевыпущенный фотон будет, скорее всего, поглощён соседним атомом, через какое-то время, снова перевыпущен, и так дальше. Так светится нагретый металл, например. Исключением из этого правила может быть лишь такие явления как флуоресценция или фосфоресценция, когда интенсивность свечения материала значительно превышает интенсивность теплового излучения.
Флуоресценция уранового стекла в ультрафиолете
Для объяснения физики отражения нам, оказывается, вовсе не нужна квантовая механика, всё объясняется вполне классическим эффектом. Свет является электромагнитной волной, а сам атом имеет два электрических заряда — положительный в ядре и отрицательный в электронах. Что мы знаем о зарядах в магнитном поле? Они движутся под действием силы Лоренца. Атом начинает вибрировать с той же частотой, что и попадающий в него свет. А поскольку вибрация — это движение с ускорением, вспомним, что делает электрический заряд, движущийся с ускорением? Он начинает испускать фотоны. Именно эти фотоны и формируют отражённую электромагнитную волну.
При этом, разумеется, каждому отдельному атому и фотонам, которые ими испускаются, глубоко наплевать на правило «угол падения равен углу отражения». Излучение испускается во всех направлениях сразу. Только согласно принципу Гюйгенса-Френеля мы получаем в зеркале отражённое изображение.
На формирование отражения влияет множество факторов — расстояние между атомами, интервалы времени между поглощением и перевыпуском фотонов, резонансные частоты и многое другое. Чтобы не заморачиваться со всеми этими параметрами, люди объединили их влияние в один параметр — индекс рефракции. Его посчитали для всех известных материалов и занесли в таблицы и теперь при расчётах, связанных с оптическими системами, мы можем просто забыть об атомах и молекулах, достаточно знать лишь тип материала. Разумеется, каждый материал имеет индивидуальные характеристики поглощения и отражения для света разных частот, именно эта особенность материалов отвечает за наше восприятие цвета.
Подводя итог — свет на самом деле не отражается от зеркала. Зеркало поглощает падающий на него свет и испускает новый, точно такой же.
Создано самое тонкое зеркало в мире, не видимое глазом
— Немецкие физики разработали самое тонкое и легкое оптическое зеркало — оно имеет толщину всего несколько десятков нанометров, что в тысячу раз тоньше человеческого волоса;
— Оно состоит всего из одного слоя атомов и не видимо человеческим глазом, но отражение от него прекрасно видно;
— Устройство, в котором создано зеркало, достаточно большое, поэтому новый материал вряд ли будет использоваться в бытовых целях, но научное значение новой разработки огромно;
— Это первые экспериментальные результаты недавно появившегося научного направления субволновой квантовой оптики с упорядоченными атомами.
Оказывается многие пользователи интернета не знают элементарной физики
Пользователи соцсетей решили, что на фото «до и после» разные девушки, из-за «неправильных» татуировок
Видимо, никто и никогда не пробовал делать селфи перед зеркалом.
Эта поучительная история о предубеждении, зависти и идиотах была опубликована на форуме Reddit пользователем @Calamity__ и набрала за несколько дней больше 1,5 тысяч комментариев. Все комментарии без исключения — возмущенные. И это неудивительно.
Суть публикации такова: некая девушка разместила в соцсетях (похоже, это «Фейсбук») две свои фотографии: до и после. На первой фотографии девушка заметно полнее, чем на второй. Судя по всему ей удалось значительно похудеть, о чем она и решила сообщить в интерсети. Кроме того, первый снимок сделан не самой девушкой: ее снимал фотограф. На втором снимке девушка сделала селфи.
Выясняется, что несмотря на то, что мы живем в век повальных селфи, мало кто задумывается, как, собственно, селфи, сделанное с помощью зеркала, влияет на изображение.
Под снимок девушки «до и после» сбежались десятки пользователей соцсети, которые принялись яростно строчить, что девушки на снимках разные.
Ведь — барабанная дробь! — татуировки у них на разных плечах.
Ну что же. Мы рекомендуем всем этим людям взять в руку цветок и сделать с ним два снимка. Один снимок со стороны — попросить кого-нибудь сфотографировать. А второй — селфи в зеркале. Их ждет шокирующее открытие.)))
Новость №618: Физики еще сильнее запутали фотоны
Оптический резонатор
Недавно наткнулся вот на этот https://pikabu.ru/story/lampochka_v_korobke_iz_zerkal_585822. пост и зачем-то почитал комментарии. Тема, которая, многих волновала с детства: что будет, если засунуть лампочку между двумя зеркалами? Оказывается, она будоражит умы всех возрастов, и подчас всплывает (и плюсуется) какая-то совершенная дичь.
Так уж получилось, что описанная конструкция стоит фактически в центре моего образования, так что давайте как-нибудь разберём, что же происходит, когда свет попадает в ловушку между двух зеркал.
На самом деле, описанная конструкция есть очень у многих дома. Но начнём мы немного издалека. С другой конструкции, которая есть почти у всех:
Итак, что же происходит с физической точки зрения, когда мы дёргаем за гитарную струну? В ней возбуждается волна, а точнее можно сказать, что сразу две волны: одна из них бежит в сторону колков, другая — наоборот, в сторону подставки. Достигнув порожков, волна теряет возможность бежать дальше и отражается. Обе наши волны таким образом начинают бегать навстречу друг другу, складываясь и образуя то, что называется стоячей волной.
Частота образующейся волны определяется во многом длиной струны (мензурой), потому что чем длиннее струна, тем больше времени понадобится волне, чтобы пробежать туда и обратно. Зажимая лады, человек уменьшает это время, а значит увеличивает частоту. На самом деле на струне может существовать сразу много волн, а время, необходимое для пробегания струны туда-обратно один раз определяет то, что называется основным тоном. Если бы существовал только он — гитара гудела бы как камертон, а богатство её тембра определяется именно дополнительными волнами — обертонами. И всё же, все они зависят от длины вибрирующей струны.
Вся эта конструкция называется акустическим резонатором. То есть это такая система, по которой волна может гулять туда-сюда, а время пробега по этой системе будет определять частоту волн, которые могут в ней существовать. Акустических резонаторов уйма. Любой музыкальный инструмент содержит их так или иначе, да и не только он.
Естественно, отражаясь от порожков, волна теряет часть своей амплитуды. Другая часть уходит на трение о воздух и другие небольшие потери. Поэтому звучание струны довольно быстро затухает, и пройдя сотенку раз туда-обратно, волна перестаёт существовать. Немного грубо, но на первое время достаточно, можно сказать, что число пробегов, в течение которых волна ещё не затухла, определяется параметром, который называется добротностью резонатора. А кроме того этот параметр отвечает ещё за одну важную характеристику: ширину спектра.
Например, если мы настроили гитару с добротностью 100 на Ля первой октавы (440Гц), то «погрешность» частоты, которую мы услышим, будет не больше 4.4Гц. Поскольку Си бемоль первой октавы — это уже примерно 466Гц такая точность нас вполне устроит. Но вот если мы собрали гитару на коленке и сделали это очень плохо, и добротность у неё получилась всего 10, то во-первых звук такой гитары будет слышно очень недолго, а во-вторых он будет «размазан» по частотам и понять, что мы там за ноту сыграли будет уже непросто. То есть короткая нота => широкий спектр, узкий спектр => долгая нота.
Хорошо, а при чём тут два зеркала?
А при том, что многие знают, что свет — это электромагнитная волна. Конечно, тут сейчас должна появиться куча умников, которые скажут, что свет — это и частицы, и вообще. Но ребят, не стоит вскрывать эту тему. Корпускулярные свойства света значительно сложнее для описания, чем волновые, и абсолютно большая часть того, что пишут пикабушники о фотонах — лютая дичь. Фотоны — это сложно.
Ну а как волна свет умеет бегать между двумя зеркалами довольно долго, и для него становится справедливо всё, что мы говорили о звуке. Таким образом, два зеркала, поставленные друг напротив друга, образуют оптический резонатор.
Свету свойственна дифракция, иными словами расплывание. Поэтому если поставить два обычных зеркала друг напротив друга — очень долго его не удержать. Но дифракцию несложно скомпенсировать, сделав одно или оба зеркала вогнутыми. Такой резонатор может стать устойчивым, то есть «удерживать» в себе свет (если он туда как-то попал) сравнительно долго.
Как мы уже знаем, это «долго» характеризуется добротностью. Так вот, если для акустических резонаторов хорошие добротности бывают порядка 100—1000, то для оптических резонаторов добротности могут достигать миллионов и даже миллиардов. Иными словами, у людей есть достаточно хорошие зеркала, чтобы свет «бегал» между ними очень много раз. Хотя самые хорошие резонаторы делаются заметно сложнее, чем просто двумя зеркалами, но всё же. К сожалению, свет бегает так быстро, что даже при добротности в 10 000 000 не очень-то видно, что вспышка удлиняется. Но главная проблема даже не в этом. Ведь существуют резонаторы с добротностью около триллиона, хоть они и устроены несколько сложнее.
Главная проблема, естественно, состоит в том, что мы не можем посмотреть. Если открыть окошко, или поместить внутрь датчик, или сделать что угодно ещё, чтобы зарегистрировать, бегает ли ещё наш свет — добротность тотчас упадёт драматически. Так же и идеальную гитару, с очень высокой добротностью, звучащую бесконечно долго и на строго одной ноте невозможно было бы услышать: пока есть воздух, способный «принести» нам её звук, будет и трение об этот воздух.
Кроме прочего, в обсуждении всплывала идея сделать зеркала прозрачными только «на вход», чтобы накопить побольше света, а потом им бахнуть. Что ж, не смотря на то, что таких зеркал не бывает, идея на самом деле давно реализована и всем знакома. Нет, мы не будем делать зеркало, которое пропускало бы свет только в одну сторону. Но мы можем сделать лучше. Мы можем сделать полупрозрачное зеркало (в обе стороны), а добавлять свет сразу внутри.
Чиво? Объясняю. Проходя, через среду, свет взаимодействует с ней одним из двух способов:
1) поглощение (вошёл фотон, но не вышел, а среда получила энергию).
2) вынужденное испускание (вошёл фотон, а вышло два, а среда отдала энергию).
В обыденной жизни 1 всегда преобладает над 2. Но физики научились создавать то, что называется средой с инверсной заселённостью. Или просто «активной средой«. В активной среде 2 преобладает над 1, и проходя через неё, свет будет усиливаться, покуда мы можем «накачивать» среду энергией.
Теперь представьте, что у нас есть специальный кристалл, проходя через который, свет усиливается на 1%. Тогда возьмём резонатор с добротностью хотя бы 200. То есть такой, что за один пробег свет теряет в нём 0.5% энергии. Как я говорил, люди умеют делать резонаторы и сильно лучше. Конечно, там используются не бытовые зеркала вроде вашего трюмо, а штуки посложнее, но можно создать зеркало, которое отражает 99.99% света. Это уже давно не новости науки.
Ну а теперь засунем этот кристалл в наш резонатор. Как вы можете понять, с каждым «пробегом» свет будет терять 0.5% и получать 1%, то есть в среднем он будет усиливаться. Усиливаться он будет внутри, а значит и наружу будет выходить всё больше и больше света. И продолжаться это может столько, сколько мы можем подводить энергию для накачки нашей активной среды. Итак, господа, я уже говорил, что подобная конструкция есть у многих. Время раскрыть карты: я только что описал устройство лазера.
Обратим внимание на то, что резонатор с высокой добротностью заставляет свет быть одноцветным, подобно тому, как длина струны настраивает частоту звука. На самом деле цвет лазера определяется в первую очередь активной средой (не бывает сред, которые усиливают любой свет, только какой-нибудь конкретный), но и резонатор вносит определённый вклад в исключительные свойства лазерного луча.
Гифка в начале поста, вызывающая у всех, знакомых с физикой, полный хохотач, на самом деле оказывается очень недалёкой от того, что делается в жизни. Не хватает только активной среды. А вот если бы мультяшные девочки поместили между своими зеркалами активный кристалл — гифка бы фактически была наглядной демонстрацией принципа работы лазера с модуляцией добротности. То есть такого, в котором резонатор сначала «закрыт», чтобы внутри могло накопиться мощное излучение, а потом открывается, чтобы это излучение выпустить. Вот такие пироги.
Ну и напоследок ещё вопрос, который люди обсуждали в оригинальном посте: «А если бы зеркала отражали 100% света — их бы разорвало от перегрева?»
Нет. Если бы зеркала отражали 100% света — греться бы они не могли, ибо греется только то, что поглощает. Но если бы потом на зеркало попала пылинка — да. Другой вопрос, что существует масса странных эффектов, которые случились бы с воздухом между зеркалами. При малых интенсивностях он бы просто поглощал и рассеивал свет, затем начал бы работать как линза (эффект самофокусировки), чем понизил бы добротность резонатора и остановил дальнейший рост энергии. Если бы удалось его ещё как-то нагрузить — воздух бы превратился в плазму, которая непрозрачна. Если воздух откачать напрочь — ограничений вроде как меньше. Только вакуум не может быть активной средой, поэтому лазер из вакуума не создашь. Но если уже заготовленное очень (ОЧЕНЬ) мощное излучение пустить в вакуум — должен наступить его оптический пробой. Многие слышали, что вещество и антивещество, встречаясь, взаимоуничтожаются (аннигилируют). Теоретически, при ОЧЕНЬ мощном излучении может начаться обратный процесс: вещество и антивещество могут рождаться из фотонов, унося их энергию. Экспериментально это проверить очень непросто, ибо любая активная среда сгорит гораздо раньше. Но определённые подвижки в эту сторону есть.
Голоскоп.
Команда физиков провела необычный эксперимент с космическим спутником и выяснила, что благодаря квантовой механике прошлое может определяться настоящим, а принцип причинно-следственных связей ставится под сомнение.
Необычный космический эксперимент подтвердил, что, как и утверждает квантовая механика, реальность — это то, что выбрал сам человек. Физикам давно было известно, что квант света (фотон) будет вести себя как волна и как частица в зависимости от того, как именно ученые измеряют ее. Теперь же, успешно отразив фотон от орбитального спутника, команда исследователей подтвердила, что наблюдатель может решить этот вопрос даже тогда, когда световой квант уже прошел через «точку принятия решений». По словам ученых, подобные эксперименты с отложенным выбором в будущем позволят исследовать границы между квантовой теорией и теорией относительности.
Подобный эксперимент уже проводился в лабораторных условиях, однако на этот раз исследователи доказали, что природа фотона остается неопределенной даже если частице приходится преодолевать тысячи километров. Филипп Гранджи, физик из Института оптики в Палесо, Франция, который в прошлом как раз принимал участие в лабораторном эксперименте, утверждает, что подобные опыты отлично подходят для «осуществления квантовой физики в космосе».
Квантовый дуализм: может ли настоящее определять прошлое?
Так в чем же суть опыта? Напомним, что фотон может проявлять свойства или частицы, или волны, в зависимости от того, какой метод измерения предпочитают ученые. В конце 1970-х годов знаменитый теоретик Джон Арчибальд Уилер понял, что экспериментаторы могут отложить свой выбор до тех пор, пока фотон почти полностью не пройдет сквозь устройство, настроенное на то, чтобы подчеркнуть то или иное свойство частицы. Это показывает, что поведение фотона в данном случае не предопределено. Чтобы проверить свою гипотезу, Уилер предложил по одиночке пропускать фотоны через так называемый интерферометр Маха-Цендера, подчеркивающий волновую природу света. Благодаря зеркальному «расщепителю лучей», устройство разделяет квантовую волну входящего светового потока на две части и направляет их по двум разным путям. После этого второй расщепитель рекомбинирует волны, что вызывает состояние интерференции и активирует два детектора. То, какой детектор поймает сигнал первым, зависит от разницы длин двух световых потоков — ожидаемое поведение для интерферирующих волн.
Но что, если второй разделитель попросту удалить из системы? В таком случае свет перестает проявлять свойства волны: первый разделитель просто отправит фотон по тому или иному направлению, как обычную частицу. А поскольку эти пути пересекаются там, где раньше был второй разделитель, детекторы сработают с одинаковой вероятностью, вне зависимости от длины пройденного фотоном пути. Уилер же предлагает удалить вторую часть устройства уже после того, как первая расщепит световой поток. Это звучит странно, поскольку создает парадокс: решение, принятое в настоящем времени (убрать или не убрать второй разделитель) определяет событие прошлого (расщепляется ли фотон как волна или же проходит по одной траектории как частица). Современная квантовая теория избегает комментариев по этому поводу, предполагая, что до самого факта измерения фотон остается как частицей, так и волной.
Новый эксперимент: путешествие в космос и обратно
Новая команда исследователей во главе с Франческо Ведовато и Паоло Виллорези из Университета Падуи в Италии провела свою версию эксперимента с использованием 1,5-метрового телескопа в Лазерной обсерватории «Матера» на юге Италии. Идея была в том, чтобы отправить фотоны в космос, после чего те отразятся от спутника. Дело в том, что, как отмечает Виллорези, на таких огромных расстояниях физики не могут провести свет двумя идеально параллельными путями — расширяющиеся в пространстве лучи будут неизбежно сливаться и перекрывать друг друга. Вместо этого они пропускают фотон через интерферометр Маха-Цендера на Земле, настроенный на траектории выхода разной длины. Разница между импульсами составляет 3,5 наносекунды, а сами вылетающие частицы телескоп выпускает в небо.
Как только импульсы отразятся от спутника и вернутся на нашу планету, физики снова пропускают его через интерферометр. Устройство при этом может отметить или временной сдвиг (что означает, что импульсы перекрыли друг друга и фотон повел себя как волна), или его отсутствие (то есть фотоны ведут себя как частицы). Когда импульсы в первый раз покидают устройство, они обладают различной поляризацией. Чтобы отметить сдвиг во времени, физики сначала должны провести очень быструю электронную реполяризацию, а чтобы доказать его отсутствие, достаточно просто не проводить никаких манипуляций.
В результате все прошло так же, как и в лабораторных условиях. Когда на фотоны воздействовали ученые, кванты света вели себя как волны; когда их оставляли в покое — как частицы. Таким образом, физики сами решали природу света уже после (!) того, как тот отразится от спутника и будет на полпути обратно, о чем и рассказали на страницах журнала Science Advances.
Значение и критика эксперимента
Сам по себе эксперимент пусть и не является идеально точным и строгим отображением идеи Уилера, все же заслуживает внимания. Это отличный пример работы принципов «квантовой оптики» и в будущем подобные открытия могут оказать огромное влияние на технологии связи. За примером далеко ходить не надо: уже в мае 2017 года китайские физики использовали спутник для создания квантовой связи (т. н. «квантовой запутанности») между двумя фотонами, отправленными в разные города, значительно отстоящие друг от друга.
Строго говоря, эксперимент все же не нарушает причинно-следственные связи. Следует выразиться точнее: он проливает определенный свет на границу, разделяющую квантовую теорию и теорию относительности. Фактически, физикам удалось доказать, что измерения в настоящем может значительно повлиять на прошлое — вернее, на то, как человек воспринимает это самое прошлое. По словам Жан-Франсуа Роха, физика в Высшей школе стандартизации в Париже, который в 2007 году провел аналогичный, но более точный тест, в данном случае речь идет о малоизученной области физики, в которой две фундаментальные теории вступают во взаимодействие и порождают нечто совершенно новое.