Какой из квантов имеет меньшую энергию

Какой из квантов имеет меньшую энергию

ЭффектКомптона – рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (открыт А. Комптоном в 1923 г.). В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля — фотоны), что доказывает двойственную – корпускулярно-волновую – природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.
Комптоновское рассеяние – это рассеяние на свободном электроне отдельного фотона с энергией λ (h – постоянная Планка, ν – частота электромагнитной волны, λ – её длина, с – скорость света) и импульсом р = Е/с. Рассеиваясь на покоящемся электроне, фотон передаёт ему часть своей энергии и импульса и меняет направление своего движения. Электрон в результате рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь энергию (и частоту) меньшую, чем его энергия (и частота) до рассеяния. Соответственно после рассеяния длина волны фотона увеличится. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что длина волны фотона после рассеяния увеличится на величину

где θ – угол рассеяния фотона, а m_e – масса электрона h/m_ec = 0.024 Å называется комптоновской длиной волны электрона.
Изменение длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от λ и определяется лишь углом θ рассеяния γ-кванта. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением

Эффективное сечение рассеяния γ-кванта на электроне не зависит от характеристик вещества поглотителя. Эффективное сечение этого же процесса, рассчитанное на один атом, пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) Z.
Сечение комптоновского рассеяния убывает с ростом энергии γ-кванта: σ_k ~ 1/E_γ.

Обратный комптон-эффект

Если электрон, на котором рассеивается фотон, является ультрарелятивистским Ee >> E_γ, то при таком столкновении электрон теряет энергию, а фотон приобретает энергию. Такой процесс рассеяния используется для получения моноэнергетических пучков γ-квантов высокой энергии. С этой целью поток фотонов от лазера рассеивают на большие углы на пучке ускоренных электронов высокой энергии, выведенных из ускорителя. Такой источник γ-квантов высокой энергии и плотности называется Laser-Electron-Gamma-Source (LEGS). В работающем в настоящее время источнике LEGS лазерное излучение с длиной волны 351.1 мкм (~0.6 эВ) в результате рассеяния на электронах, ускоренных до энергий 3 ГэВ, превращается в поток γ-квантов с энергиями 400 МэВ).
Энергия рассеянного фотона E_γ зависит от скорости v ускоренного пучка электронов, энергии E_γ0 и угла столкновения θ фотонов лазерного излучения с пучком электронов, угла между φ направлениями движения первичного и рассеянного фотона

При «лобовом» столкновении

E₀ − полная энергия электрона до взаимодействия, mc 2 − энергия покоя электрона.
Если направление скоростей начальных фотонов изотропно, то средняя энергия рассеянных фотонов _γ определяется соотношением

При рассеянии релятивистских электронов на микроволновом реликтовом излучении образуется изотропное рентгеновское космическое излучение с энергией
E_γ = 50–100 кэВ.
Эксперимент подтвердил предсказанное изменение длины волны фотона, что свидетельствовало в пользу корпускулярного представления о механизме эффекта Комптона. Эффект Комптона наряду с фотоэффектом явился убедительным доказательством правильности исходных положений квантовой теории о корпускулярно-волновой природе частиц микромира.

П o дробнее об обратном комптон-эффекте см. Источники гамма-излучения

Научный форум dxdy

В раздел Пургаторий будут перемещены спорные темы (преимущественно псевдонаучного характера), относительно которых администрация приняла решение о нецелесообразности продолжения дискуссии.
Причинами такого решения могут быть, в частности: безграмотность, бессодержательность или псевдонаучный характер темы, нарушение автором принципов ведения дискуссии, принятых на форуме.
Права на добавление сообщений имеют только Модераторы и Заслуженные участники форума.

Чему равен квант массы-энергии?

Чему равен квант массы-энергии?
08.02.2015, 20:20

Если исходить из предположения что окружающий мир на своем фундаментальном уровне имеет квантовую природу, будет справедливо ввести понятия квант энергии и квант массы . Далее следует дать более четкое определение введенным понятиям.

Квант массы — неделимая величина, обладающая минимальной массой. Квант массы не может быть уменьшен или разделён на более мелкие субстанции.

Квант энергии — порция наименьшего количества энергии. Неделимая величина. Невозможно передать или отнять у определенного тела энергию меньшую чем «квант энергии».

Если предположить существование частицы кванта массы-энергии , то какими свойствами будет обладать данная частица? Вариантов может быть несколько. Рассмотрим только два из них.

а) Масса покоя данной частицы равна кванту массы . Энергия соответственным образом равна кванту энергии . Частица не обладает движением, поскольку любое увеличение скорости приведет к увеличению количества энергии, что вступает в противоречие с квантом энергии .

б) Частица кванта массы-энергии как и фотон движется с постоянной скоростью равной скорости света, так как любое замедление скорости приведет к потери энергии, а следовательно и массы, — в результате чего мы получим меньшую массу, чем сам квант массы.

Это два основных варианта поведения определенной выше «частицы». Исходя из вышеизложенного частица может обладать только двумя основными состояниями: абсолютный покой, либо движение со световой скоростью.
Не исключена возможность перехода частицы в любое из определенных выше состояний, конвертируя массу в энергию, а энергию в массу.

Создаю тему в этом разделе, потому что в «Дискуссионном разделе физики» недостает первого компонента — дискуссии. Пусть тема побудет здесь.

Какой из фотонов, соответствующий красному или фиолетовому свету, имеет меньшую энергию?

энергия фотона красного света меньше энергии фотона фиолетового.

Похожие вопросы
Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Энергия как квант.

При анализе явлений, происходящих при торможении быстрых заряженных элементарных частиц, а также взаимодействие частиц между собой и магнитным полем напрашиваются некоторые соображения.

Мир состоит из двух видов энергии: протонной — известная устойчивая элементарная частица протон и электронной – известная устойчивая элементарная частица электрон. Известны их античастицы: у протона – это антипротон, а у электрона – позитрон. Так называемый «заряд частицы» обозначает только принадлежность к одному из этих двух видов энергии. Разница между этими двумя видами энергии только в том, как они взаимодействуют с квантами своего вида энергии и квантами другого вида энергии. Можно назвать эти два вида энергии, как принято в китайской философии — инь и ян, черная и белая. Но принято присваивать протону цифровой заряд +1, а электрону -1.

Протон и позитрон одновременно являются и стабильными квантами магнитного поля.

Антипротон и электрон – это стабильные кванты аналога магнитного поля, назовём его электронным полем или полем электрона.

Так как наш мир – это протонный мир, то электронного поля не наблюдается.

Элементарная частица состоит из множества квантовых уровней (Рис. 1). Поэтому элементарная частица напоминает грампластинку, а не шарик. Квантовый уровень – это траектория, по которой движется составляющая квантового уровня. Размер частицы определяется по внутреннему, самому первому основному квантовому уровню, и вся энергия элементарной частицы сосредоточена именно в нём. Чем меньше диаметр первого внутреннего квантового уровня, тем больше энергия частицы. Траектория внутреннего квантового уровня никогда не выходит за пределы границ траектории ближнего к нему квантового уровня. То есть, внутри одного квантового уровня, он может сдвигаться в любую сторону. Если квант энергии и вступает во взаимодействие, то только своими внешними квантовыми уровнями. В то же время энергию теряет вся элементарная частица и диаметр первого внутреннего уровня увеличивается.

Частицы одного вида энергии, при определённых обстоятельствах, могут обмениваться внешними квантовыми уровнями, а значит и энергией. Иначе как частица может управлять своими внешними уровнями, находящимися на расстоянии тысячи световых лет?

Нужно отличать свободную частицу от несвободной. Свободная частица имеет бесконечное количество квантовых уровней. Несвободная частица – это частица, которая в той или иной степени связана с частицами другого вида энергии. Большинство частиц в окружающем нас мире несвободны.

Энергия квантового уровня определяется частотой движения составляющей квантового уровня по окружности. А энергия всей частицы определяется частотой движения составляющей первого (главного) уровня. Можно принять это как вращение всей частицы. Направление вращения или «спин» определяется только при поступательном движении частицы. Вращение может быть, как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки к направлению движения (Рис. 2).

Частота частицы зависит от скорости движения составляющей квантового уровня и радиуса квантового уровня:

где E – энергия квантового уровня, ω — частота кругового движения составляющей квантового уровня, v – скорость движения составляющей квантового уровня, r – радиус квантового уровня, а h= 6,626 × 10 –34 Дж·с – постоянная Планка.

Что же это за составляющая квантового уровня?

Момент инерции J = m r 2 – это некая точка, назовём её составляющей квантового уровня m на расстоянии r от оси вращения . В сущности, это «ни что» -пустота. Квантовый уровень обладает только энергией движения и больше ничем.

Чем меньше радиус квантового уровня, тем выше частота движения составляющей по окружности, и тем выше энергия.

Взаимодействие между квантами энергии происходит перпендикулярно посредством квантовых уровней (Рис. 3).

При перпендикулярном расположении друг к другу, кванты одного вида энергии не имеющие кинетической энергии разворачиваются и становятся в положение показанном на рисунке 4 .

Кванты двух разных видов энергии притягиваются друг к другу и при этом теряют часть своей энергии.

При параллельном расположении (Рис. 4), кванты энергии никак не влияют друг на друга и поэтому могут располагаться очень близко друг к другу и в любом количестве. Движение составляющих квантов энергий при параллельном положении могут быть синхронизированными в одном направлении, или же несинхронизированным – в противоположном направлении. Синхронизированные частицы при определённых условиях могут сливаться, образуя новую, более тяжёлую частицу.

Соединяться вместе могут только свободные частицы разных видов энергий. При этом частицы теряют одинаковое количество энергии.

Ядра атомов любых веществ состоят из протонов и нейтронов. Электроны принадлежат не абстрактному ядру атома, а конкретным протонам, находящимся в нём.

Для примера возьмём самое простое по строению вещество – атом водорода (Рис. 5). Атом водорода состоит из протона и электрона. Как было сказано выше, частицы – свободный протон и свободный электрон взаимодействуют перпендикулярно своими внешними квантовыми уровнями соответствующей энергии.

Квантовый уровень, по котором у двигается электрон вокруг протона, является его кинетической энергией. Составляющая электрона движется по спирали, вокруг траектории, которая является квантовым уровнем протона. Электрон двигающийся вокруг протона, может иметь один из двух спинов – правовращательный или левовращательный.

Чтобы соединиться , свободный протон и свободный электрон должны потерять одинаковое количество энергии. Для невозбуждённого атома водорода энергия связи электрона E = 13.6 эВ. Из этих E = 13.6 эВ, энергии связи, половина потери энергии, то есть E = 6,8 эВ приходится на протон, а другая половина на электрон. При объединении протона и электрона эти излишки энергии соединяются и уносятся в виде кванта электромагнитного излучения.

Чтобы оторвать электрон от протона в атоме, необходимо вернуть им недостающую энергию, то есть облучить квантом электромагнитного излучения соответствующей или большей энергии. Тогда протон в ядре атома получит свою недостающую порцию энергии в виде магнитной составляющей электромагнитного кванта, а электрон, связанный с этим протоном, получит свою электронную порцию энергии и таким образом, каждая из частиц восстановится до свободного состояния. Это называют фотоэффектом. Если энергии фотона не хватает для восстановления частиц до свободного состояния, то протон и электрон восстановятся частично. Электрон поднимется на более высокий, соответствующую энергиям его и протону, квантовый уровень, а затем вернётся на своё прежнее место, и при этом протон и электрон потеряют приобретённую до этого энергию, в виде фотона.

Масса протона равна 938,272 МэВ, а электрона — 0,5109989 МэВ. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. Казалось бы, при такой колоссальной разнице в массе, протон должен проглотить электрон и не заметить. Но в природе не бывает ничего просто так. Как было сказано выше только несвободная устойчивая частица может иметь меньшую массу. Протон — это устойчивый квант магнитного поля, а электрон устойчивый квант электронного поля. А природа стремится к стабильности.

Электрон не может отдать всю свою энергию протону, ведь протон может стать неустойчивой частицей. Поэтому электрон может истратить очень небольшую часть своей энергии. Более тяжёлые электроноподобные частицы могут располагаться на более низких квантовых уровнях протона. Известны экзотические атомы, полученные в лабораторных условиях: позитроний – состоящий из позитрона вместо протона и электрона, мюоний – состоящий из положительного мюона, вместо протона, который в 207 раз тяжелее позитрона и электрона, а также мюонные атомы где электрон заменяется на отрицательный мюон и другие адронные, катионные и т.д. Вся эта экзотика может существовать доли секунды и распадается на кванты электромагнитного излучения.

Теперь несколько слов о нейтроне.

Нейтрон является электрически нейтральной составной частицей, одной из составных частей ядра атома. Время жизни нейтрона как свободной частицы около 15 минут. В связанном состоянии, в ядре атома, нейтрон является стабильной частицей. Протон является центральной частью нейтрона. А составляющая электрона движется, наматывая спираль своей траектории вокруг основного квантового уровня протона (Рис. 6). На примере атома водорода было показано что при соединении двух частиц выделяется энергия в виде кванта электромагнитного излучения. Для образования нейтрона энергия, наоборот, затрачивается.

В энергетических единицах масса:

покоя протона m_p = 938,3 МэВ,

покоя нейтрона m _n= 939,6 МэВ.

Мы видим, что масса нейтрона больше массы протона на 1,3 МэВ. Нейтрон распадается на протон и электрон. В этой разнице 1,3 МэВ имеется масса свободного электрона 0,510998902 МэВ. Остаётся излишек 0,789001098 МэВ. Это энергия связи протона и электрона. Чтобы сблизить эти две частицы друг к другу требуется затратить одинаковое количество энергии. Для электрона эта энергия, которая является для него кинетической — магнитная, а для протона соответственно — электронная. Этот остаток 0,789001098 МэВ разделим пополам, и у нас получится 0,394500549 МэВ магнитной энергии и соответственно столько же электронной. Из-за того, что, нейтрон — это составная частица, состоящая из протона и электрона, все внешние квантовые уровни компенсируются. По этой причине у нейтрона очень высокая проникающая способность. Он проходит сквозь вещество, пока напрямую не столкнётся с атомным ядром.

При соединении квантовых уровней противоположных знаков одного уровня энергии, образуется квант электромагнитного излучения или фотон. Магнитная и электронная составляющие взаимодействуют перпендикулярно друг другу. Квант электромагнитного излучения представляет собой электронную и магнитную составляющие, двигающиеся вокруг друг друга (Рис.7). Друг для друга электронная и магнитная составляющие являются кинетической энергией. Фотон может быть правого или левого вращения.

Скорость движения кванта электромагнитного излучения известна и равна C = 299792458 м/с. Естественно, что магнитная или электронная составляющие фотона, двигающиеся по спирали в направлении движения кванта электромагнитного излучения, должны иметь скорость выше скорости света!

Представим себе, что траектории электронной и магнитной составляющих фотона представляют собой две спиральные линии на стенках цилиндра. Тогда высоту цилиндра возьмём равным скорости света h = C , а диаметр цилиндра, для упрощения расчёта, примем так же равным длине волны λ = 1 – расстоянию, которое проходит квант электромагнитного излучения за одну секунду. Чтобы узнать скорости движения электронной и магнитной составляющих, достаточно узнать длину одной из спиральных линий. Развёртка спиральной линии на цилиндре будет представлять собой гипотенузу прямоугольного треугольника с катетами C и π λ . Тогда скорость электронной или магнитной составляющих:

Энергия фотона описывается формулой E = mc 2 . Если бы фотон, как корпускула, двигался поступательно и с постоянной скоростью, то его энергия была бы равна:

Почему же действительная энергия фотона в два раза больше по сравнению с энергией поступательно движущейся корпускулы такой же массы?

Элементарная частица представляет собой составляющую квантового уровня, движущуюся по окружности. При движении составляющей квантового уровня с окружной скоростью, равнойυ = ώr; где ώ — угловая скорость, а r — радиус движения составляющей, у него имеется энергия вращательного движения равная:

(J — момент инерции). Учитывая значение J = mr 2 для элементарной частицы и величину:

Но фотон состоит из двух составляющих энергии: электронной и магнитной. Поэтому все, что мы имеем для одной составляющей, будет актуально и для второй составляющей.

— энергия второй составляющей.

Складываем энергию двух составляющих и получаем: E₁ + E₂ = mυ 2 .

Таким образом: E = mc 2 .