Фотон

Фото́н (бор. грек. φῶς, иялек килеше φωτός, «яктылык») - элементар кисәкчек, электромагнит нурланышның (тар мәгънәдә - яктылыкның) кванты. Ул яктылык тизлеге белән хәрәкәт иткәндә генә яши алучы массасыз кичәкчек. Фотонның электр корылмасы нульгә тигез. Фотон ике спин халәтендә генә булырга мөмкин: хәрәкәт юнәлешенә спин проекциясе (спиральлекләре) "±1" булганда. Классик электродинамикада бу үзлеккә электромагнит дулкынның уң һәм сул полярлашуы туры килә. Фотонга корпускуляр-дулкын дуализмы хас: ул бер үк вакытта кисәкчек һәм дулкын үзлекләрен күрсәтә. Фотоннарны ${\displaystyle ~\gamma }$ хәрефе белән билгелилләр, шуңа күрә аларны еш кына гамма-квант дип атыйлар (бигрәк тә зур энергия фотоннарын); әлеге терминарны синонимнар дип атарга да мөмкин. Стандарт модель күзлегенән чыгып караганда, фотон калибрлаучы бозон булып тора. Виртуаль фотоннар^[1] электромагнит тәэсирләшүне күчерүчеләр булып торалар, мәсәлән, алар шулай ике элктр корылмасы арасындагы тәэсирләшүне тәэмин итәләр.^[2] Фотон — Галәмдә сан ягыннан иң таралган кисәкчек. Бер нуклонга ким дигәндә 20 миллион фотон туры килә.^[3]

Тарих

Хәзерге заман яктылык теориясе күпләгән галимнең хезмәтләренә нигезләнгән. 1900 елда Макс Планк җылылык нурланышы үзлекләрен аңлату өчен нурланыш һәм электромагнит кыр энергиясен йотуның квант характерын постулатлаштырыла^[4]. «Фотон» термины 1926 елда Гилберт Льюис исемле химик тарафыннан кертелә.^[5] 1905—1917 елларда Альберт Эйнштейн тәҗрибә нәтиҗәләре һәм классик яктылыкның дулкын теориясе арасындагы каршылыклар турында (аерым алганда, фотоэффект һәм матдәнең электромагнит нурланыш белән җылылык тигезләнешендә тору сәләтенә багышланган) хезмәтләр бастыра^[6][7][8][9].

Яктылыкның квант үзлекләрен ярымклассик модельләр ярдәмендә аңлатып карау омтылышлары була, әлеге модельләрдә яктылык элеккечә үк Максвелл тигезләмәләре белән тасвирлана (квантлау исәпкә алынмаган), ә яктылык чәчүче һәм йотучы җисемнәргә квант үзлекләр бирелгән (мәсәлән, Бор теориясе). Ярымклассик модельләр квант механикасы үсешенә йогынты ясасалар да (аерым алганда, хәзерге квант теорияләрендә әлеге модель кагыйдә һәм хәтта нәтиҗәләре дә кулланыла ^[10]), тәҗрибәләр Эйнштейн яктылык табигате турындагы теориясен раслыйлар (мәсәлән, фотоэффект). Квант теориясендә күпләгән физик зурлыклар дискрет (квантлашкан) булып торалар. Мондый зурлыкларның мисаллары: почмакча момент, спин һәм бәйләнгән системалар энергиясе.

Фотон төшенчәсен кертү яңа теорияләр һәм физик җиһазлар барлыкка килүгә этәргеч бирә, шулай ук квант механикасының теоретик һәм тәҗрибәви нигезе үсешен стимуллаштыра. Мәсәлән, мазер, лазер уйлап табыла, Бозе-Эйнштейн конденсациясе күренеше ачыла, кырның квант теориясе һәм квант механикасының чагыштырма интерпретациясе теориясе тәгъбир ителә. Хәзерге заман элементар кисәкчекләр физикасының стандарт моделендә фотоннарның барлыгы пространство-вакытның теләсә-нинди ноктасында физик законнарның локаль калибровкалау симметриясенә карата инвариантлыклары белән аңлатыла. Бу симметрия белән шулай ук фотонның электр корылмасы, масса һәм спины кебек эчке үзлекләре аңлатыла.

Фотон концепцияләре кушымталары арасында фотохимия, видеотехника, компьютер томографиясе, зур рөхсәт микроскопиясе һәм молекуляр ераклыкларны үлчәү кебек кушымталар бар^{[11] [12]} Фотоннарны шулай ук квант санаклары элементлары буларак кулланалар^[11].

Атама тарихы

Фотонга башта Эйнштейн тарафыннан «яктылык кванты» исеме бирелә (алман. das Lichtquant).^[6] Хәзерге исемен Калып:Polytonic, «phōs» («яктылык») грек сүзеннән ясалган, аңа бу атаманы 1926 елда химик Гилберт Ньютон Льюис бирә^[13]. Гилберт Льюис теориясендә фотоннарны барлыкка китереп һәм юкка чыгарып булмый торган кисәкчекләр дип атый^[14]. Льюис теориясе расланмаса да, электромагнит кыры квантларының яңа исеме күпләгән физиклар тарафыннан кулланыла башлый.

Гадәттә фотон физикада ${\displaystyle ~\gamma }$ (грек хәрефе гамма) символы белән билгеләнә. Фотон әлеге билгеләмәне зур энергияле фотоннардан торучы 1900 елда ачылган гамма-нурланыштан ала. Гамма-нурланышны Пауль Виллард ача, аның электромагнит табигатен 1914 елда Эрнест Резерфорд һәм Эдвард Андрейд исбатлыйлар. Химия һәм оптик инженериядә фотоннар өчен еш кына әлеге билгеләмәне кулланалар: ${\displaystyle ~h\nu ,}$ (${\displaystyle ~h}$ — Планк даимие, ${\displaystyle ~\nu }$ (ню грек хәрефе) — фотоннар ешлыгы). Әлеге ике зурлыкның тапкырчыгышы фотон энергиясенә тигез.

Фотон концепциясе үсеше тарихы

Төп мәкалә: Яктылык

Ике ярыкта яктылык интерференциясе буенча Томас Юнг тәҗрибәсе (1805 ел) яктылыкны дулкын буларак карау мөмкинлеген күрсәтә. Шулай итеп яктылыкның кисәкчекләр агымы икәнлеге кире кагыла.

XVIII гасырга хәтле чыгарылган теорияләрнең күбесендә яктылык кисәкчекләр агымы буларак каралган. Шундый беренче теорияләрнең берсе 1021 елда Ибн әл-Хәйсамның «Оптика китабы»нда тасвирланган^[15]. Мондый модельләр рефракция, дифракция һәм икеле нур сыну кебек күренешләрне аңлата алмаганлыктан, яңа теория- яктылыкның дулкын теориясе Рене Декарт тарафыннан кертелә (1637)^[16], Роберт Гук (1665)^[17], и Христиан Гюйгенс (1678)^[18]. Ләкин Ньютон авторитеты тәэсире нәтиҗәсендә яктылыкның дискрет төзелеше идеясына нигезләнгән модельләр өстенлек иткәннәр.^[19][20] XIX гасыр башында Томас Юнг һәм Огюстен Френель тәҗрибәләреннән соң, якынча 1850 елга дулкын теориясе гомуми кабул ителгәнгә әйләнә.^[21] 1865 елда Джеймс Максвелл үзенең теориясендә яктылыкның электромагнит дулкыны икәнлеген фаразлый^[22]. 1888 елда әлеге гипотеза радиодулкыннарны ачучы Генрих Герц тарафыннан тәҗрибәви раслана.^[23]

Электромагнит нурланышны электр һәм магнит кырлары тирбәнүе итеп караучы Максвелл дулкын теориясе 1900 елда тәмамланган кебек күренгән. Ләкин соңрак үткәрелгән кайбер тәҗрибәләр әлеге теориядә аңлатма тапмыйлар. Бу яктылык дулкынының энергиясе hν зурлыгындагы «квант» формасында нурланырга һәм йотылырга тиешлеген күрсәтә. Киләчәктәге тәҗрибәләр яктылык квантлары шулай ук импульска да ия икәнлеген күрсәтәләр, бу аларны элементар кисәкчек буларак карарга мөмкин булганлыкны күрсәтә..

Максвелл дулкын теориясе яктылыкның барлык үзлекләрен аңлата алмаган. Әлеге теория буенча яктылык дулкынының энергиясе аның интенсивлыгына гына бәйле булырга тиеш, ләкин тәҗрибәләр киресен күрсәтә: яктылыктан атомнарга күчерелгән энергия интенсивлыкка түгел, ә яктылык ешлыгына гына бәйле. Мәсәлән, кайбер химик реакцияләр матдәне билгеле бер зурлыктан зуррак ешлыклык яктылык белән нурландырганда гына баралар; әлеге зурлыктан түбәнрәк ешлыклы нурланыш белән нурландырганда, интенсивлык зурлыгына карамастан, реакция бармаячак. Аналогик рәвештә, электроннар металл пластина өслегеннән аны билгеле бер зурлыктагы яки аннан зуррак ешлык белән нурландырганда гына аерылачак; аерылган электроннар энергиясе яктылк ешлыгына гына бәйле.^[24][25]