Какое из утверждений в свойствах фотона правильно

Квантовая оптика

48. Чему равна частота света, если энергия фотона ε ?

1) εh. 2) ε/h. 3) ε/c. 4) ε/c 2 5) εh/c 2 .

49. Какая из формул определяет импульс фотона:

а) mν; б) mc; в) mv; г) ; д) mc 2 ?

1) Только а. 2) б, в. 3) б, г. 4) б, д.

50. Чему равна энергия фотона света частотой ν?

1) hvc 2 . 2) hvc. 3) hv. 4)hv/c. 5) hv/c 2 .

51. Какая из перечисленных ниже величин имеет одно и то же значение для любых фотонов?

1) Масса. 2) Масса покоя. 3) Длина волны. 4) Частота.

52. Какое из утверждений о свойствах фотона правильно:

а) фотон является частицей электромагнитного поля; б) фотон движется со скоростью, меньшей скорости света; в) фотон существует только в движении; г) скорость фотона больше скорости света?

1) а, в. 2) а, б, в. 3) а, в, г. 4) а, г. 5) а, б, в, г.

53. Как изменится масса фотона при переходе света из воздуха в воду?

1) Увеличится. 2) Уменьшится. 3) Не изменится.

4) Среди ответов 1-3 нет верного.

54. Как изменится импульс фотона при переходе света из воздуха в стекло?

1. Уменьшится.
2. Не изменится.
3. Увеличится.
4. Импульс фотона не зависит от среды.
5. Среди ответов 1-4 нет верного.

55. Какой из фотонов — красного или фиолетового света — имеет большую массу?

1. Красного.
2. Фиолетового.
3. Массы фотонов одинаковы.
4. Масса фотона не зависит от его цвета.

56. Незаряженная изолированная от других тел пластина освещается ультрафиолетовым светом. Заряд какого знака будет иметь эта пластина в результате фотоэффекта?

1. Положительный.
2. Отрицательный.
3. Пластина останется нейтральной.
4. Знак заряда может быть различным.

57. При освещении электрической дугой отрицательно заряженная металлическая пластина в результате фотоэффекта постепенно теряет свой заряд. Как изменится скорость потери электрического заряда пластиной, если на пути света поставить фильтр, задерживающий ультрафиолетовые лучи и свободно пропускающий все остальные? 1) Увеличится. 2) Не изменится. 3) Уменьшится. 4) Возможны различные изменения. 58. Какой заряд окажется на двух цинковых пластинах, первая из которых заряжена положительно, а вторая отрицательно, если их облучить ультрафиолетовым светом?

1. Обе пластины будут заряжены отрицательно. *
2. Первая приобретет положительный заряд, вторая — отрицательный.
3. Обе пластины будут иметь положительный заряд.
4. Через некоторое время их заряд станет равным нулю.

59. Какое из приведенных выражений наиболее точно определяет понятие «внешний фотоэффект»?

1. Вырывание заряженных частиц из вещества под действием света.
2. Излучение электронов веществом в результате его нагревания.
3. Вырывание электронов из вещества под действием света.
4. Увеличение электрической проводимости вещества под действием света.

60. Внутренним фотоэффектом называется:

1. Явление возникновения под действием света, падающего на границу металл-проводник, электродвижущей силы.
2. Явление перехода электронов из связанного состояния в свободное внутри полупроводника под действием света.
3. Эмиссия электронов с поверхности полупроводника пол действием света.
4. Вырывание электронов из вещества под действием света.

61. В чем состоит различие между внешним и внутренним фотоэффектом?

1. При внешнем фотоэффекте электроны вырываются из вещества, а при внутреннем — остаются в нем.
2. При внешнем фотоэффекте из вещества вылетают электроны, а при внутреннем — ионы.
3. Никакой принципиальной разницы между внутренним и внешним фотоэффектами нет.
4. При внешнем фотоэффекте вырываются из вещества свободные электроны, а при внутреннем — связанные.

1. На рис. 7 приведены две вольтамперные характеристики при изучении фотоэффекта на одной и той же установке. Какое из приведенных ниже утверждений неверно?

Рис.7

1. При снятии второй кривой катод облучался более коротковолновым светом (^2 > а)).
2. Начальная скорость фотоэлектронов во втором случае была больше (У’2 > 1 ‘!)-
3. Так как Уз,2> Ц$,ь то из катода во 2-ом случае вылетает больше электронов.
4. Работа выхода электронов в первом случае меньше, чем во втором.

1. Какая из графических зависимостей на рис. 118 указана верно? (Ф — световой поток)

Вещ-во А Вещ-во В U₃P v

1. Величина фототока насыщения зависит от:

1) Величины светового потока. 2) Частоты облучающего света. 3) Скорости вылетающих электронов. 4) Работы выхода облучаемого металла.

1. Какая точка вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента на рис. 119 соответствует прекращению движения фотоэлектронов между электродами?

1)А. 2) Б. 3)В. 4)А и Г. 5)Г и Д.

1. Как изменится фототок насыщения при увеличении частоты облучающего света и неизменном световом потоке?

1. Увеличится.
2. Не изменится.
3. Уменьшится.
4. Может принимать любые значения.

1. Как изменится интенсивность испускания электронов цинковой пластиной при облучении ее сначала видимым светом, а потом ультрафиолетовым светом

1)Уменьшится. 2) Увеличится. 3) Не изменится. 4) Нет однозначного ответа.

1. Какое из уравнений выражает уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта?

1) hν=E-mc 2 . 2) ε=еU₃+mν 2 /2. 3) ε=A_вых+mν 2 /2. 4) U₃=hν/ε-φ. 5) hν=E₂-E₁.

1. По какой из приведенных формул можно определить красную границу фотоэффекта:

1) еU₃=mν 2 /2. 2) hc/ν=mν 2 /2. 3) hν=A_вых. 4) ε=A_вых+E_{k max}. 5) eU₃= A_вых.

1. Частота облучающего света увеличилась в 2 раза. Как изменилась работа выхода электрона из металла?

1) Уменьшилась в 2 раза. 2) Увеличилась в 4 раза. 3) Увеличилась в 2 раза. 4) Не изменилась. 5) Уменьшилась в 4 раза.

1. От чего зависит скорость вылетевших из металла электронов (указать правильный ответ): а) от интенсивности падающего светового потока; б) от частоты падающего светового потока; в) от значения задерживающего потенциала; г) от работы выхода электрона из металла; д) от всех параметров, заданных в пунктах а-г?

1)а. 2) в, г. 3)г. 4) б, г. 5) д.

1. Какие факторы определяют красную границу фотоэффекта?

1. Длина волны.
2. Вещество катода.
3. Вещество анода.
4. Запирающее напряжение.
5. Приложенное напряжение.

1. Каково соотношение между работой выхода и кинетической энергией электронов, если частота света, падающего на металл в 2 раза больше частоты красной границы фотоэффекта?

1) A_вых>E_k. 2) ) A_выхk. 3) ) A_вых=E_k. 4) A_вых>>E_k. 5) A_вых

1. Какой основной закон природы выражает уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: а) закон сохранения импульса; б) закон сохранения энергии; в) закон сохранения массы?

1) Только а. 2) Только б. 3) Только в. 4) а, б. 5) б, в.

1. Почему электрическая проводимость полупроводников повышается при облучении их светом?

1. Вещество поглощает кванты, благодаря чему увеличивается концентрация свободных электронов.
2. Вещество нагревается, и вследствие этого увеличивается концентрация свободных электронов.
3. Атомы полупроводника, поглощая кванты, ионизируются, увеличивается концентрация электронов.

1. От чего зависит чувствительность фотоэлемента? 1) От частоты света. 2) От вещества катода. 3) От вещества анода. 4) От светового потока.
2. Какие фотоэлементы используются в цепи переменного тока?

1. Вакуумные.
2. Полупроводниковые.
3. Газонаполненные.
4. Любые, указанные в пунктах 1-3.

1. Какое из приведенных ниже выражений наиболее точно определяет понятие «эффект Комптона»?

1. Вырывание электронов из вещества под действием света.
2. Частичное поглощение энергии падающих квантов.
3. Изменение длины волна фотонов при их рассеянии на свободных частицах.
4. Увеличение электрической проводимости вещества под действием падающих фотонов.
5. В цепи переменного тока фотоэлементы не используются.

1. Что подтверждает эффект Комптона?

1. Квантовую природу света.
2. Волновую природу света.
3. Квантовую и волновую природу света.
4. Способность квантов распространяться в различных средах.

1. Как изменяется частота рассеянного фотона с увеличением угла рассеяния?

1. Увеличивается.
2. Не изменяется.
3. Уменьшается.
4. Частота изменяется в зависимости от вида частицы.
5. В пунктах 1-4 нет однозначного ответа.

1. Какое из уравнений определяет эффект Комптона?

1) hν₀+m₀c 2 =hν+mc 2 . 2) hν₀/c=hν/c·cosφ+mv·cosθ. 3) hν/c·sinφ= mv·sinθ. 4) 1/ν=1/ν₀+(h/m₀c 2 )·2sin 2 (θ/2)

1. На какой из частиц изменение длины волны излучения при эффекте Комптона больше?

1) На свободном электроне. 2) На связанном электроне. 3) На протоне. 4) Во всех случаях одинаково.

1. От чего зависит изменение длины волны рассеиваемого фотона при эффекте Комптона?

1. От начальной длины волны падающего фотона.
2. От природы вещества.
3. Ог угла рассеяния.
4. От свойств фотона.
5. От величины энергии фотона.

1. Кто из ученых впервые измерил световое давление? 1) И. Ньютон. 2) П. Лебедев. 3) Г. Герц. 4) А. Столетов. 5) А. Комптон.
2. Кто предсказал существование светового давления, и кто его измерил?

1. Световое давление предсказал Г. Герц, измерил П.Н Лебедев.
2. Предсказал Д.К. Максвелл, измерил Г. Герц.
3. Предсказал Д.К. Максвелл, измерил П.Н Лебедев.
4. Предсказал И. Кеплер, измерил Д.К. Максвелл.
5. Предсказал К Кеплер, измерил П.Н Лебедев.

1. Как объясняет световое давление квантовая теория света?

1. Давление света есть результат передачи фотонами своего импульса отражающей или поглощающей поверхности.
2. Давление света обусловлено возникновением механических сил за счет электромагнитного поля.
3. Давление света есть результат действия световой волны на отражающую и поглощающую поверхность.
4. Давление света — это передача фотонами своей энергии при их поглощении.

1. Какие паруса — белые или черные — целесообразно использовать на лодке, движущейся за счет солнечной энергии?

1. Белые.
2. Черные.
3. Цвет парусов не оказывает влияния на использование солнечной энергии.

1. Зеркальная поверхность поочередно освещается монохроматическим светом разной цветности. Какой цвет окажет большее давление при прочих равных условиях? 1) Красный. 2) Оранжевый. 3) Зеленый. 4) Синий. 5) Давление не зависит от цвета.
2. Почему хвост кометы направлен всегда в сторону, противоположную Солнцу?

1. Вследствие действия гравитационных сил.
2. В результате давления солнечного света.
3. За счет теплового взаимодействия.
4. В результате совместного действия выше перечисленных воздействий.

VI. ФИЗИКААТОМА И АТОМНОГО ЯДРА

1. Какое из перечисленных ниже явлений свидетельствует о сложном строении атома?

1. Дифракция.
2. Дисперсия.
3. Излучение радиоволн.
4. Линейчатые спектры излучения.
5. Поляризация.

1. Какое из приведенных ниже высказываний выражает первый постулат Бора?

1. Атом состоит из ядра и электронов.
2. Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов.
3. Существуют стационарные орбиты, двигаясь по которым электрон не излучает энергию.
4. При переходе электрона с орбиты на орбиту атом излучает квант энергии.
5. Положительный заряд атома сосредоточен в ядре атома.

1. 1. 

   На рис. 120 приведена схема энергетических уровней атома. Определите, при каком переходе энергия излучения максимальна.

1)Е(,->Е2. 2)Е, ^е(, 3)Е^Е4. 4)Е4->Ез. 5)Еб->Ез.

1. Сколько квантов с различной энергией может испускать атом водорода при переходе электрона с четвертой орбиты на первую?

1)1. 2) 2. 3)3. 4) 4. 5) Сколько угодно.

1. Энергия ионизации атома водорода, находящегося в основном состоянии, составляет примерно:

1)13,6эВ. 2)1,36эВ. 3)-13,6эВ. 4) 1,36МэВ. 5)-13,6МэВ.

1. Какая из схем энергетических уровней соответствует атому водорода (рис. 121)?

1. 

1. В атоме водорода видимый спектр относится к серии:

1) Лаймана. 2) Бальмера. 3) Пашена. 4) Брэкета. 5) Пфунда.

1. Какой тип спектра дает светящаяся, заполненная газом, рекламная трубка?

1. Сплошной.
2. Линейчатый
3. Полосатый
4. Спектр от такой трубки получить невозможно.

1. Какие тела имеют линейчатый спектр излучения?

1. Раскаленные газы и насыщенные пары.
2. Слабо нагретые газы под большим давлением.
3. Насыщенные пары под большим давлением.
4. Сильноразреженные газы и насыщенные пары.

1. Какой химический элемент впервые был открыт благодаря спектральному анализу?

1) Гелий. 2) Неон. 3) Аргон. 4) Азот. 5) Криптон.

1. Какое значение имеет энергия фотона, поглощаемого атомом при переходе из основного состояния с энергией Ео в возбужденное состояние с энергией е]?

1)Ео. 2)Е,. 3)Ео-Е,. 4)Е,-Ео. 5)(Ео+Е,)/2.

1. Какое значение имеет энергия фотона, излучаемого атомом при переходе из возбужденного состояния с энергией е) в основное состояние с энергией Ео?

1)Ео. 2)Е,. з)е()-е,. 4)Е,-Ео. 5) Е, + Ео.

1. Чему равна частота фотона, излучаемого при переходе атома из возбужденного состояния с энергией е) в основное состояние с энергией Ео?

1)ЕА 2)Ео/Ь. 3)(Е,-Ео)/Ь. 4)(Ео-Е,)/п. 5)(Е1+Ео)/п.

1. Чему равна частота фотона, поглощаемого атомом при переходе из основного состояния с энергией Ео в возбужденное состояние с энергией е)?

1)ЕА 2)Ео/Ь. 3)(Е,-Ео)/п. 4)(Е_О-Е_О/Ь. 5)(Е,+Ео)/п.

1. Электрон в атоме водорода перешел с третьей стационарной орбиты на первую. Что произошло с энергией атома? 1) Увеличилась. 2) Уменьшилась. 3) Не изменилась. 4) Стала равной нулю.
2. Какое из приведенных ниже высказываний правильно описывает способность атома к излучению и поглощению фотонов света при переходах между двумя различными стационарными состояниями?

1. Может поглощать и излучать фотоны с любой частотой.
2. Может поглощать фотоны с любой частотой, излучать фотоны с некоторыми определенными значениями частоты.
3. Может поглощать и излучать фотоны только с некоторыми определенными значениями частоты, частота фотонов излучаемого и поглощаемого света различна.
4. Может поглощать и излучать фотоны только с некоторыми определенными значениями частоты, частота фотонов излучаемого и поглощаемого света одинакова.

1. Какие из уравнений являются математическим выражением постулатов Бора:

a) .б) в) . г). д) 1)а,б,г. 2) б, в. 3)6, г, д. 4) а, в, д. 5) б, д.

1. Эмпирическая формула, описывающая все линии спектра водорода называется формулой Бальмера-Ридберга и имеет вид —= К ——— . Какое значение имеет П) для серии Вальмера?

1)4. 2)2. 3)Г • 4) оо. 5)24. 1

1. Что такое рентгеновское излучение?

1) Поток электронов. 2) Поток ядер атомов гелия. 3) Поток квантов электромагнитного излучения, испускаемых атомными ядрами. 4) Поток квантов электромагнитного излучения, испускаемых при торможении быстрых электронов в веществе.

1. Какие из приведенных ниже уравнений выражают гипотезу де Бройля, что частицы вещества должны обладать не только корпускулярными, но и волновыми свойствами:

а). б). в). г) . д) 1)а,б. 2) а, в. 3) Только б. 4) г, д. 5) а, б, в.

1. Какое из приведенных ниже утверждений соответствует физическому смыслу принципа неопределенности Гейзенберга?

1. В природе существует принципиальный предел точности одновременного определения координаты и импульса любого материального объекта. При повышении точности определения координаты уменьшается точность определения импульса.
2. Микрочастица в любой момент времени имеет определенные значения координаты и импульса, но их нельзя узнать точно из-за несовершенства приборов.
3. В отличие от макрообъектов микрочастица не имеет ни определенных координат в пространстве, ни определенного импульса.
4. Результаты любых физических измерений неопределенны.

1. Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, в атомном ядре которого содержится 16 протонов и 15 нейтронов?

1)0. 2)1. 3)15. 4)16. 5)31.

1. Какое из трех типов излучений — о, (3 или у — излучение не отклоняется магнитными и электрическими полями?

1. а-излучение.
2. (3-излучение.
3. у-излучение.
4. Все три отклоняются.
5. Все не отклоняются.

1. Чему равна величина заряда а — частицы? 1)2Кл. 2)4Кл. 3)3,2•10- 19 Кл. 4) 1,6-10-^Кл. 5)0.
2. Что представляет собой а — излучение?

1. Поток ядер водорода.
2. Поток ядер гелия.
3. Поток нейтронов.
4. Поток квантов электромагнитного излучения.
5. Поток любых положительных частиц.

1. Какие силы обеспечивают устойчивость атомного ядра:

а) ядерные; б) электростатические; в) магнитные; г) гравитационные; д) инерционные; е) упругие? 1) Только а. 2) а, е. 3)а,г. 4) а, б, в, г. 5) Все кроме д.

1. Какие из превращений элементарных частиц происходят в атомных ядрах:

a) ; б) в) ; г) 1)а. 2)6. 3)в,г. 4) а, б. 5) а, б, в, г.

основные свойства фотона

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Остальные ответы

Фото́н (от др. -греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет» ) — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света) . Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий) ; эти термины практически синонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами.

83. Какое из приведенных утверждений наиболее правильно отражает соотношение неопределенностей Гейзенберга:

ΔхΔр_х h, ΔyΔр_y h, ΔzΔр_z h называют соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Из него следует, что чем точнее определена координата (Δх мало, т.е. узкая щель), тем больше неопределенность в импульсе частицы Δр_х h/Δх. Точность определения импульса будет возрастать с увеличением ширины щели Δх и при Δх→¥ не будет наблюдаться дифракционная картина, и поэтому неопределенность импульса Δр_х будет такой же, как и до прохождения частицы через щель, т.е. Δр_х=0. Но в этом случае не определена координата х частицы, т.е. Δх→¥.

Невозможность одновременно точно определить координату и импульс (скорость) не связана с несовершенством методов измерения или измерительных приборов. Соотношение неопределенности является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

Соотношения неопределённостей не ограничивают точность измерения величины, если ее коммутирует сам с собой в разные моменты времени. Например, соотношение неопределённостей для свободной частицы не препятствуют точному измерению ее импульса, но не позволяет точно измерить ее координату (это ограничение называется для координаты).

84. С какой скоростью должен двигаться электрон, чтобы его импульс был равен импульсу фотона излучения с длиной волны 5,2∙10 -7 м?

Дано: λ=5,2∙10 -7 м; h=6,62∙10 -34 Дж∙с, m=9,1∙10 -31 кг.

Решение: Импульс электрона импульс фотона

85. О фононах можно сказать:

Это квазичастицы, так как существуют только в веществе;

Число фононов в веществе зависит от температуры и при Т→0, N→0, а при .

86. Радиоактивный натрий , распадаясь, излучает электроны. Ядро какого элемента при этом образуется?

по таблице Мендлеева по порядковому номеру Z=12, определим, что это магний ( ).

87. Для защиты от внешнего γ-излучения:

необходимы свинцовые экраны большой толщины

88. Масса фотонов:

В состоянии покоя равна нулю.

Так как фотон всегда находится в движении, его масса увеличивается при росте частоты света (при уменьшении длины волны света).

Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона Е₀=hν. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии :

Фотон — элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

89. Энергию фотона можно рассчитать с использованием формул:

90. Рентгеновская трубка работает под напряжением 30 кВ. Какова наименьшая длина волны испускаемого ею излучения?

Дано: U=30 кВ, h=6,62∙10 -34 Дж∙с, с=3∙10 8 м/с, е=1,6∙10 -19 Кл.

Решение: По закону сохранения энергии ;

Ответ: 41,375 пм= 0,41Å

91. Какая частица является вторым продуктом ядерной реакции . Выделяется или поглощается энергия при этом?

из реакции следует, что вторым продуктом является протон (либо водород).

Решение: Определим энергетический выход , , ,т.к. ΔW

Ответ: протон, энергия поглощается.

92. 5,0 МэВ в джоулях составляет:

5,0 МэВ=5,0∙10 6 эВ;

5,0∙10 6 эВ∙1,6∙10 -19 Кл=8∙10 -13 Дж

Ответ: 8∙10 -13 Дж

93. На сколько единиц уменьшается массовое число ядра в процессе альфа-распада?

Так массовое число алфа-частицы ( ) равно четыре, то при альфа-распаде массовое число ядра уменьшается на четыре единицы.

94. Естественное β-излучение представляет собой поток:

Они сильнее отклоняются магнитным полем, чем α-частицы. Их ионизирующая способность гораздо больше (поглощаются слоем алюминия толщиной около 2 мм), чем у α-частиц.

95. Волновые свойства частиц можно обнаружить:

96. Какое из трех типов естественного радиоактивного излучения — α, β или γ — состоит из частиц с положительным зарядом?

Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.

97. Сколько протонов Z и сколько нейтронов N в ядре изотопа азота ?

98. Какое из трех типов ядерных излучений, α-, β- или γ-излучение, обладает наименьшей проникающей способностью:

( -лучи представляют собой поток быстро движущихся частиц, заряд которых равен 2|е|, а масса равна массе гелия, т.е. -частица — двукратно ионизированный атом гелия Они вылетают со скоростью м\с , т.е. обладают большой энергией (4—9 МэВ), а также высокой ионизирующей и малой проникающей способностью (поглощаются, например, слоем алюминия, толщиной 0,05 мм).

99. Определите второй продукт ядерной реакции

Определим массовое число А=14+1-14=1, определим зарядовое число Z=7-6=1,

Следовательно, вторым продуктом является протон , либо водород.

100. Длину волны 1-ой линии серии Бальмера для водорода можно рассчитать с помощью записанной ниже формулы (R — постоянная Ридберга):

_{, где с=3∙108 м/с – скорость света.}

101. Орбитальное квантовое число может принимать следующие значения:

Орбитальное квантовое число определяет момент импульса электрона, точное значение его энергии и форму орбиталей. Орбитальное квантовое число зависит от главного квантового числа и принимает следующие значения: ℓ = 0, 1, … ,(n – 1), причем каждому значению главного квантового числа n соответствует n значений орбитального квантового числа ℓ. Например, если n = 1, то ℓ принимает только одно значение (ℓ = 0), при n = 2 величина ℓ принимает два значения: 0 и 1 и т. д. Каждому численному значению ℓ соответствует определенная геометрическая форма орбиталей и приписывается буквенное обозначение.

Как фотоны воспринимают время?

У каждого есть мечта; я хотел бы дожить до рассвета, но знаю, что мне осталось менее трёх часов. Будет ночь, но это неважно. Умирать просто. Для этого не нужен свет. Так тому и быть: я умру при свете звёзд.
— Виктор Гюго

Перемещаясь со скоростью света, фотоны, испущенные Солнцем, достигают Земли примерно за 8 минут. Путь в 150 миллионов километров по пустому космосу – это не препятствие для света, но для нас это значит, что глядя на Солнце, мы видим его таким, каким оно было незадолго до этого, а не таким, какое оно в данный момент является. Если бы Солнце мгновенно исчезло прямо сейчас, мы не узнали бы об этом – ни из-за света, ни из-за гравитации – пока не прошли бы восемь минут. Но как это выглядит с точки зрения фотона? Известно, что если перемещаться со скоростью, приближающейся к скорости света, включается СТО Эйнштейна, время замедляется, а длина уменьшается. Однако же фотоны двигаются со скоростью не близкой, а равной скорости света. И насколько же тогда стареет фотон, испущенный Солнцем, к тому времени, как он достигает Земли?

Сложно будет спорить с вами, если вы интуитивно ответите «на восемь минут». В самом деле, для нас этот фотон постарел настолько. Если прогулка в магазин длиною в 0,8 км занимает у вас восемь минут, и вы пошли в магазин, вы постарели на восемь минут. Если продавец заметил, что вы идёте в магазин, для него вы также постареете на восемь минут. И если бы мы просто придерживались ньютоновского определения времени – как абсолютной величины – это же было бы правдой для всего остального. Все и везде ощущали бы, что время идёт с одной скоростью в любых обстоятельствах. Но в этом случае скорость света не могла бы оставаться постоянной.

Представьте, что вы стоите на земле и светите фонарём в одном направлении, в котором на расстоянии в одну световую секунду находится объект. Теперь представьте, что вы бежите к этому объекту, светя тем же фонарём. Чем быстрее вы бежите, тем быстрее, по вашему мнению, должен перемещаться и свет – со скоростью света, сложенной со скоростью вашего бега.

Почему это обязательно?

Представим, что у вас с собой часы, но не такие, в которых вращаются шестерёнки и перемещаются стрелки, а такие, в которых единственный фотон света отражается вверх-вниз между двумя зеркалами. Если ваши часы покоятся, фотон перемещается вверх-вниз, и секунды идут как обычно. Но если часы двигаются, то как изменится ситуация?

Очевидно, время между отражениями увеличится, если скорость света будет оставаться постоянной. Если бы время текло с одинаковой скоростью для всех, везде и в любых условиях, то скорость света могла бы быть любой, тем выше, чем быстрее кто-либо двигался. Что ещё хуже, если бы кто-то, двигаясь очень быстро, повернул бы фонарик назад, мы бы увидели, что свет почти не двигается: он почти покоится.

Но свет так себя не ведёт, и не меняет свою скорость в вакууме ни в каких ситуациях, поэтому мы знаем, что такое представление неверно.

В 1905 Эйнштейн предложил свою специальную теорию относительности, отметив, что провал эксперимента Майкельсона-Морли, а также изменение длины и скорости течения времени можно объяснить, если скорость света в вакууме будет универсальной константой, с. Это значит, что быстро движущийся наблюдатель увидит, что он прошёл более короткую дистанцию и путешствовал меньше, чем это кажется покоющемуся наблюдателю.

Космический корабль Союз, пристыкованный к модулю МКС Пирс, вернёт на землю космонавтов, постаревших чуть меньше, чем если бы они оставались на земле, благодаря релятивистскому растяжению времени.

На самом деле, после вашего похода в магазин, благодаря теории относительности Эйнштейна, ваши часы – если бы они были идеально точными и изначально совпадали с часами продавца – почти на две наносекунды отставали бы относительно часов продавца. Эффекты относительности, хотя они в обычных условиях и малы, действуют всегда.

Причина в том, что предметы не просто двигаются в пространстве, и не только перемещаются вперёд во времени. Это происходит потому, что пространство и время объединены в единую ткань пространства-времени.

Впервые до этого додумался один из учителей Эйнштейна, Герман Минковский в 1908 году, после чего он записал:

Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, выросли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.

Работает это следующим образом: все и всё сущее всегда двигаются через пространство-время, и всегда определённым образом: вы перемещаетесь на определённое расстояние в пространстве-времени, неважно, с какой скоростью вы двигаетесь относительно всего остального.

Растяжение времени слева и сокращение расстояний справа показывают, как время кажется идущим медленнее, а расстояния – укорачивающимися, при приближении к скорости света.

Если с какой-то точки зрения вы двигаетесь в пространстве быстро, то по времени вы двигаетесь медленнее: поэтому путшествие в магазин отняло у вас на 2 наносекунды меньше, чем у продавца: вы двигались через пространство быстрее его, а значит, через время вы двигались медленнее. Если по пути в магазин вы будете двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света – около 99,9999999% от с – то для продавца прошло бы в 22 000 раз больше времени, чем для вас.

Памятуя обо всём этом, вернёмся к фотону. Он двигается не близко к скорости света, но точно со скоростью света. И все наши формулы при попытке описать поведение наблюдателя, движущегося со скоростью света, дают бесконечные ответы. Но бесконечность не обязательно означает ошибки физики – иногда она означает, что физика противоречит интуиции. Когда вы двигаетесь со скоростью света, то это значит, что:

• Вы в принципе не можете обладать массой. Если бы вы ею обладали, вы бы переносили бесконечное количество энергии. Вы обязаны быть безмассовым.
• Вы не воспримете ваше путешествие через пространство. Все расстояния по направлению вашего движения сократятся до точки.
• Вы не воспримете течение времени. Ваше путешествие покажется вам мгновенным.

Для наблюдателя на Земле свет испускается Солнцем за восемь (8:20) минут до того, как он его видит, и если бы мы могли наблюдать за путешествием фотона, он бы двигался со скоростью света всю дорогу. Но будь на борту этого фотона часы, для нас они бы показались остановившимися. Эти восемь минут для нас прошли бы как обычно, но фотон не воспринял бы течение времени.

Особенно это удивляет, когда обращаешься к удалённым галактикам Вселенной.

Свету, испущенному ими, требуются миллиарды лет, чтобы достичь нас, с точки зрения наблюдателя, находящегося в Млечном пути. За это время расширение Вселенной заставляет пространство растягиваться, и энергия испущенных фотонов заметно падает: происходит космологическое красное смещение. Но, несмотря на это удивительное путешествие, фотон вовсе не воспринимает того, что мы зовём временем: он просто испускается, а потом мгновенно поглощается, и всё путешествие происходит для него буквально мгновенно. Судя по всему, что нам известно, фотон вообще не стареет.

• Научно-популярное
• Физика