Чем отличается электрон от фотона

Чем отличается электрон от фотона

Фотон – фундаментальная частица, квант электромагнитного поля. В виде фотонов испускается и поглощается электромагнитное излучение. Фотон имеет свойства как частицы, так и волны. У него нет ни электрического заряда, ни массы. Фотон имеет определенную энергию Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10 -15 эВ·сек, ν – частота электромагнитных колебаний) и импульс, величина которого р = Е/с (с – скорость света, с которой всегда движется фотон в пустоте).
Наряду с реальными фотонами, существуют и так называемые виртуальные фотоны. Реальные фотоны, о которых говорилось выше, переносят энергию электромагнитного излучения и, в зависимости от этой энергии, выступают в виде радиоволн, обычного света, рентгеновских лучей и гамма-квантов. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Для виртуальных фотонов не выполняется соотношение между энергией и импульсом р = Е/с. Так виртуальные фотоны могут иметь массу и даже находиться в состоянии покоя. Соотношения неопределённостей квантовой механики допускают кратковременное появление виртуальных частиц.
Электромагнитное взаимодействие между двумя заряженными частицами осуществляется обменом одним или несколькими виртуальными фотонами. В роли переносчика электромагнитного взаимодействия фотон относится к классу, так называемых, калибровочных бозонов — носителей фундаментальных сил природы.

• Взаимодействие фотонов с веществом
• Классификация фотонов и мультипольные волныФотон как калибровочное поле
• Механизм взаимодействия частиц
• Взаимодействие фотона с электроном в квантовой электродинамике
• Фотоядерные реакции

Фотоны связали электроны и дырки в полупроводнике

Физикам удалось экспериментально обнаружить нехарактерные для легированных полупроводников резонансы при воздействии излучением на образцы в оптических резонаторах. Ранее исследователи предсказали подобный эффект, который возникает из-за слияния электрона и дырки в связанное состояние (экситон) за счет воздействия на них фотонами. В будущем этот эффект может позволить точно подстраивать оптоэлектронные свойства полупроводников без изменения их внутренней структуры и даже расширить границы высокотемпературной сверхпроводимости. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

С улучшением качества и возможностей современных резонаторов все больше применений находит так называемый эффект сильной связи излучения и материи — явление резонанса между электромагнитными волнами и элементарными возбуждениями среды. В роли последних могут выступать фононы, плазмоны, магноны и другие квазичастицы, рождающиеся в твердом теле и на его поверхности. Продуктом такого резонанса является поляритон — составная квазичастица, энергия которой состоит как из электромагнитной энергии фотона, так и из энергии собственных возбуждений среды.

Когда связь излучения и материи настолько сильна, что объединяет в поляритон сразу несколько собственных резонансов среды, теория предсказывает возможность использования этого явления для изменения волновых функций возбужденных состояний материи и даже для спаривания несвязанных частиц и квазичастиц. В полупроводниках же подобный эффект может приводить к появлению связанных состояний электронов до ионизационного порога — экситонов.

Экситон — это квазичастица, которая обычно описывает электронное возбуждение в веществе, и представляет собой связанное состояние электрона и дырки, притягивающихся друг к другу за счет электростатического взаимодействия. В собственных полупроводниках ничто не препятствует формированию экситонов, и последние отвечают за дополнительный резонанс с энергией меньше ширины запрещенной зоны. В легированных полупроводниках, в свою очередь, эффективная масса дырок отрицательна, из-за чего эта квазичастица отталкивается от электрона и не спаривается с ним в экситон без внешнего воздействия.

Именно на легированный полупроводник и воздействовали излучением в своей работе Эрика Кортезе (Erika Cortese) из Саутгемптонского университета и Нгок-Линь Тран (Ngoc-Linh Tran) из университета Парижа-Сакле. Авторы хотели проверить теоретические предсказания о возможности спаривания отталкивающихся электрона и дырки в связанное состояние за счет эффекта сильной связи излучения и материи. Для этого исследователи соорудили образцы, в которых полупроводники из арсенида галия были встроены в решетчатые емкостные резонаторы из золота. Размер формирующих квантовые щели полупроводниковых слоев был выбран так, чтобы электроны обладали в них лишь одним связанным состоянием. Иначе формирующиеся в эксперименте поляритоны включали в себя состояния из сразу нескольких разрешенных полос, что сильно усложнило бы наблюдения.

На охлажденный до 78 кельвин образец физики воздействовали сфокусированным пучком поляризованного излучения и наблюдали за его рассеянием, определяя коэффициент отражения образца в разных диапазонах энергии. Резонансную частоту образца, с которой излучение и воздействовало на полупроводник, физики варьировали за счет изменения размеров емкостных резонаторов. Для сравнения полученных данных, авторы проводили измерения как для легированного полупроводника, так и для полупроводника с собственной проводимостью.

В результате ученым удалось зарегистрировать резонанс в легированном полупроводнике, который расположен ниже ионизационного порога и смещен на 20 электронвольт относительно нелегированного образца. Тем самым физики подтвердили, что под действием внешнего электромагнитного поля в полупроводнике сформировалось связанное состояние. Схожесть наблюдаемого резонанса с предсказаниями моделирования спаривания в таких условиях электрона и дырки показало, что исследователи пронаблюдали именно формирование экситона за счет эффекта сильной связи излучения и материи.

Авторы отмечают, что провели исключительно оптические исследования явления, а логическим продолжением работы должно стать изучение способности формирующихся экситонов переносить заряд. Если эти связанные состояния правда могут участвовать в токе, то подобные образцы можно будет использовать в качестве крайне эффективных источников инфракрасного излучения. Кроме того, продемонстрированное физиками «дистанционное управление» формированием экситонов с помощью излучения может в будущем стать новым инструментов для создания управляемых квантовых материалов. Наконец, существуют теории, что подобное связывание электронов в сверхпроводниках может привести к увеличению их критической температуры. Поэтому, несмотря на большие отличия в природе куперовских пар и экситонов, подобные исследования могут приблизить ученых к еще более высокотемпературной сверхпроводимости.

Реальны или виртуальны фотоны, создающие материю?

Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории нашли доказательства столкновений, в которых частицы света создают материю и антивещество, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Physical Review Letters.

Столкните свет со светом, и вы получите материю и антивещество. Это звучит как простая идея, которую на удивление трудно доказать.

Группа физиков теперь заявляет о первом прямом наблюдении процесса Брейта-Уиллера, в котором две частицы света — фотоны — сталкиваются друг с другом и производят электрон и его аналог из антивещества — позитрон. Но значение обнаружения зависит от определения слова «реальный». Некоторые физики утверждают, что фотоны не считаются реальными, что ставит под сомнение последствия наблюдения.

Процесс Брейта-Уиллера, предсказанный более 80 лет назад, никогда не наблюдался напрямую, хотя ученые наблюдали связанные с ним процессы, такие как рассеяние света светом. Новые измерения, полученные в результате эксперимента STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории, совпадают с предсказаниями неуловимого преобразования, сообщают физик из Брукхейвена Дэниел Бранденбург и его коллеги.

«Идея о том, что можно создать материю из столкновения света, — интересная концепция», — говорит Бранденбург. Это поразительная демонстрация физики, увековеченной в уравнении Эйнштейна E = mc2, которое показало, что энергия и масса — две стороны одной медали.

Правильность наблюдения зависит от того, считаются ли фотоны «реальными», как того требует процесс Брейта-Уиллера, или «виртуальными». В физике элементарных частиц виртуальные частицы — это частицы, которые появляются только на короткое время и не обладают своей нормальной массой.

Физики согласны с тем, что фотоны от обычного источника света, такого как лампочка или лазер, реальны. Но реальность фотонов Бранденбурга и его коллег вызывает споры. Это потому, что свет, с которым сталкивается команда, исходит из необычного источника.

В коллайдере релятивистских тяжелых ионов атомные ядра движутся почти со скоростью света, прежде чем врезаться друг в друга. Эти быстрые ядра окружены электромагнитными полями, и с этими полями связаны фотоны. Обычно такие фотоны электромагнитных полей виртуальны. Но в эксперименте фотоны действуют так, как будто они настоящие, из-за высоких скоростей, с которыми движутся два ядра.

Новое свидетельство процесса Брейта-Уиллера происходит от столкновений, при которых ядра просто не попадают друг в друга. В этих случаях электромагнитные поля двух ядер перекрываются, и два фотона из этих полей могут столкнуться. Таким образом, исследователи искали близкие к цели попадания, которые создают один электрон и один позитрон.

Но, как говорит соавтор исследования Чжанбу Сюй, физик из Брукхейвена в Аптоне (штат Нью-Йорк), «проблема в том, как определить: исходят ли частицы от столкновения реальных фотонов, или от других процессов». Чтобы подтвердить тот факт, что частицы произошли от реальных фотонов, исследователи изучили углы между этими частицами, которые различаются в зависимости от столкновения реальных или виртуальных фотонов. Углы соответствовали ожиданиям для реальных фотонов, предполагая, что команда наблюдала законный процесс Брейта-Уиллера.

Тем не менее, «строго говоря», говорит физик элементарных частиц Люсьен Харланд-Ланг из Оксфордского университета, эксперимент «удален на один шаг» от истинного процесса Брейта-Уиллера. Хотя фотоны ведут себя почти как реальные, технически они виртуальны.

Бранденбург и его коллеги придерживаются другой точки зрения, похожей на физическую версию классического теста с уткой: если существо ходит как утка и крякает, как утка, то, вероятно, это утка. Если реальность фотона основана только на его поведении, то это будут настоящие фотоны.

И измерения ученых подтверждают это, говорит физик лазерной плазмы Стюарт Манглес из Имперского колледжа Лондона, который не участвовал в новом исследовании: «Все, что они измеряют, указывает, что это настоящий фотон». Однако Манглес отмечает, что фотоны по-прежнему виртуальны по некоторым определениям: в отличие от обычных фотонов, которые не имеют массы, эти фотоны имеют массу.

Один из способов обойти острые вопросы об определении реальности — это провести этот эксперимент с бесспорно реальными фотонами. Манглес и другие работают над обнаружением процесса Брейта-Уиллера с помощью лазеров, которые производят свет, столь же реальный, как и свет, позволяющий вам прочитать эту статью. Это, как надеются физики, станет доказательством того, что сталкивающийся свет создает материю.

Разбираемся в физике частиц: 7) частицы – это кванты

Вот мы, наконец, и добрались до нашей цели: понять, что на самом деле представляют собой те штуки, что мы зовём «частицами», а именно – электроны, фотоны, кварки, глюоны и нейтрино. Всё, это, конечно же относится к современной науке. Стоит помнить, что в науке нет никаких гарантий того, что текущее понимание не будет в дальнейшем углублено.

Предыдущая статья описывала, что такое поля – объекты, обладающие значением в любой точке пространства и в любой момент времени (функции от пространства и времени), удовлетворяющие уравнению движения, и физически осмысленные в плане того, что они способны переносить энергию из одного места в другое и влиять на физические процессы Вселенной.

Мы узнали, что большинство знакомых нам полей описывают свойство среды, такой, как высота верёвки или давление в газе. Но также мы узнали, что в эйнштейновской теории относительности существует особый класс полей, релятивистские поля, не требующие среды. Или, по крайней мере, если у них и есть среда, она весьма необычная. Ничто в уравнениях поля не требует наличия какой-то среды и не говорит о том, какое свойство этой среды описывают релятивистские поля.

Так что пока мы будем рассматривать релятивистские поля как элементарные физические объекты вселенной, а не как определённые свойства неизвестной среды. Будет ли среди физиков поддерживаться такая точка зрения и дальше – покажет время.

Мы рассматривали два класса релятивистских полей, и теперь мы изучим их чуть подробнее. Они удовлетворяют либо уравнению движения Класса 0, где c_w = c (где c – универсальный предел скорости, часто называемый «скоростью света»).

Или уравнениям движения Класса 1, где cw=c

В предыдущей статье показано, что μ – минимальная частота волны в таких полях. В этой статье мы будем обозначать её ν_min.

Почему универсальный предел скорости часто называют скоростью света? Волны с уравнением класса 0 перемещаются со скоростью c_w. Свет (общий термин, обозначающий электромагнитные волны любой частоты), перемещаясь через пустое пространство, удовлетворяет релятивистскому уравнению класса 0, поэтому волны света (и волны любых релятивистских полей, удовлетворяющих релятивистскому уравнению класса 0) перемещаются со скоростью c.

Более того, в той же статье мы видели, что если у поля класса 1 есть волна с амплитудой А, частотой ν, длиной волны λ и равновесным состоянием Z₀, то уравнение движения требует, чтобы частота и длина волны были связаны с величиной μ = ν_min, появляющейся в уравнениях, формулой

Это пифагорова формула – её можно при желании представить в виде треугольника, как на рис. 1. Минимальная частота любой волны равна ν_min, а присвоение ν = ν_min (и, следовательно, при λ → ∞), соответствует сжатию треугольника до вертикальной линии (рис. 1, внизу). Также можно получить схожее соотношение класса 0, сделав μ = ν_min нулевым. Потом можно извлечь квадратный корень, и получить

Это уже треугольник, сжатый до горизонтальной линии (рис. 1, справа). В этом случае минимальная частота равна нулю. Поле может колебаться как угодно медленно.

Рис. 1

На А никаких ограничений нет. Но это оттого, что мы игнорируем квантовую механику. Пришло время изучить релятивистские квантовые поля.

Релятивистские квантовые поля

Реальный мир – квантово-механический, поэтому амплитуда А не может быть любой. Она принимает дискретные значения, пропорциональные квадратному корню из n, неотрицательного целого числа, обозначающего количество квантов колебаний в волне. Хранящаяся в волне энергия равна

Где h – постоянная Планка, обязательно появляющаяся там, где квантовая механика имеет значение. Иначе говоря, энергия, связанная с каждым квантом колебаний, зависит только от частоты колебаний волны, и равна

Это соотношение впервые было предложено, конкретно для волн света, Эйнштейном в 1905 году, в его объяснении фотоэлектрического эффекта.

Но вспомним наше пифагорово соотношение частоты и длины волны. Если мы умножим его на h 2 , мы получим, что для кванта поля класса 1

Выглядит знакомо. Мы уже знаем, что любой объект в эйнштейновской теории относительности должен удовлетворять уравнению, описывающему его энергию, импульс и массу:

Ещё одно пифагорово соотношение. Минимальная энергия объекта равна mc 2 , что напоминает утверждение о минимальной частоте, которой может обладать волна класса 1, ν_min. У нас может возникнуть искушение предположить, что, вероятно, для кванта релятивистского поля

Первое уравнение впервые появилось в работе Луи Де Бройля в 1924 году – почти через 20 лет после Эйнштейна. Почему это заняло так много времени? Я не знаю.

Рис. 2

Имеет ли это смысл? Как мы отмечали, в релятивистские поля класса 0 входят и электрические поля, а их волны – это электромагнитные волны, то есть, свет. Версия формулы (*), которую мы получаем для квантов класса 0, такая же, как для полей класса 1, у которых μ = ν_min приравнивается к нулю – то есть, m = 0. Извлечём квадратный корень, и получим

Или Эйнштейновское уравнение для безмассовых частиц. А кванты электромагнитных волн (включая все виды света: видимый, ультрафиолет, инфракрасный, радиоволны, гамма-излучение, и т.п., отличающиеся только частотой, и, следовательно, энергией квантов) и правда будут безмассовыми частицами – как только мы применим указанную выше пару уравнений (**) и (***). Это фотоны.

Из уравнения (***) мы, наконец, можем подсчитать массу частицы. Каждая обладающая массой частица – это квант поля класса 1. Минимальная частота таких волн равна ν_min. Минимальная энергия одного кванта такой волны равна h, помноженной на частоту. А масса частицы – просто минимальная энергия, делённая на c 2 .

Если мы хотим понять, откуда берётся масса частицы, нам нужно понять, что определяет ν_min, и почему вообще существует минимальная частота. Для таких частиц, как электроны и кварки, это полностью неясно, но известно, что в этом важную роль играет поле Хиггса.

Заключим: частицы природы – это кванты релятивистских квантовых полей. Безмассовые частицы – это кванты волн полей, удовлетворяющих уравнению класса 0. Обладающие массой соответствуют полям уравнения класса 1. Всяких деталей существует множество, но этот факт – одно из основных фундаментальных свойств нашего мира.

Действительно ли эти кванты ведут себя как частицы?

Мы представляем себе частицы, как частички пыли или песчинки. Кванты в этом смысле частицами не являются – это волны, у которых для определённой частоты есть минимальные энергия и амплитуда. Но они ведут себя так похоже на частицы, что нас можно простить за использование слова «частица» в их описании. Посмотрим, почему так.

Если поднять волну в воде, и позволить ей пройти через камни, лежащие неглубоко под поверхностью, часть волны перейдёт линию камней, а часть отразится, как показано на рис. 3. То, какая именно часть волны перейдёт линию, зависит от формы камней, их близости к поверхности, и т.п. Но суть в том, что часть волны передаётся через камни, а часть отразится. Часть энергии волны пойдёт в том же направлении, часть пойдёт в обратном.

Но если вы отправите один фотон в сторону отражающего стекла, этот фотон либо пройдёт сквозь него, либо отразится (рис. 4). Точнее сказать, если вы измерите поведение фотона, то узнаете, отразился он или передался. Если не измерите – невозможно будет сказать, что произошло. Добро пожаловать в болото квантовой механики. Фотон – это квант. Его энергию нельзя поделить на часть, которая прошла через стекло, и часть, которая отразилась – потому что тогда с каждой стороны будет меньше одного кванта, что запрещено. (Мелкий шрифт: стекло не меняет частоту фотона, поэтому энергию нельзя разделить между двумя или более квантами меньших частот). Так что фотон, хотя это и волна, ведёт себя как частица в этом случае. Он либо отражается от стекла, либо нет. Отражается он, или нет – этого квантовая механика не предсказывает. Она даёт только вероятность отражения. Но она предсказывает, что, что бы там ни произошло, фотон будет путешествовать как единое целое и сохранять свою идентичность.

А что будет с двумя фотонами? Это зависит. К примеру, если фотоны испущены в разное время из разных мест, то наблюдатель увидит два кванта, разделённых в пространстве, и, вероятно, двигающихся в разных направлениях (рис. 5). У них могут быть и разные частоты.

Рис. 5: независимые кванты

В особом случае, когда два фотона испускаются совместно и идеально синхронно (как в лазерах), они ведут себя, как показано на рис. 6. Если мы отправим комбинацию из двух фотонов на стекло, то сможет случиться не две, а три вещи. Либо оба фотона пройдут через стекло, либо оба отразятся, либо один пройдёт, а другой отразится. От стекла отразятся 0, 1 или 2 фотона – других вариантов нет. В этом смысле кванты света опять ведут себя, как частицы, как маленькие мячики – если бросить два мяча в решётку, в которой есть отверстия, то от решётки смогут отразиться 0, 1 или 2 мяча, и через отверстия пройдут 0, 1 или 2 мяча. Не существует возможности, в которой от решётки отразится 1,538 мяча.

Но это фотоны, которые, не имея массы, обязаны двигаться со скоростью света и E = p c. Что насчёт частиц с массой, вроде электронов? Электроны – это кванты электрического поля, и, как и фотоны, их можно испускать, поглощать, отражать или передавать как единое целое. У них есть определённые энергия и импульс, , где m_e — это масса электрона. Отличие электронов от фотонов в том, что они движутся медленнее света, поэтому могут и покоиться. Зарисовка такого события (в квантовой механике из-за принципа неопределённости ничто не может быть по-настоящему статичным) стационарного электрона дана на рис. 7. Это волна минимальной частоты, полученной присвоением длине волны очень большого, практически бесконечного, значения. Поэтому пространственная форма волны на рис. не демонстрирует никаких извилин – она просто колеблется во времени.

Так что, да, на самом деле кванты ведут себя очень похоже на частицы, и потому называть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны, W-частицы и частицы Хиггса «частицами» не будет катастрофическим обманом. Но слово «квант» подходит для этого лучше – потому что это именно кванты.

Чем фермионы и бозоны отличаются друг от друга

• Все элементарные частицы делятся на фермионы и бозоны.
• Фермионы (включая электроны, кварки и нейтрино) удовлетворяют принципу запрета Паули – два фермиона одного типа не могут делать одно и то же.
• Бозоны (включая фотоны, W и Z частицы, глюоны, гравитоны и частицы Хиггса) другие: два или более бозонов одного типа могут делать одно и то же.

Именно поэтому из фотонов можно делать лазеры – поскольку они бозоны, они могут находиться в одинаковом состоянии и порождать мощный луч одного света. Но лазер нельзя сделать из электронов, являющихся фермионами.

Как проявляет себя это различие на языке математики? Оказывается, что приводимые мною формулы подходят для бозонов, а для фермионов их нужно изменить – слегка, но с большими последствиями. Для бозонов у нас будет:

Что означает, что энергия каждого кванта равна h ν. Это подразумевает, что кванты-бозоны могут делать одно и то же; когда n больше 1, у бозонного поля волна будет состоять из нескольких квантов, колеблющихся и движущихся совместно. Но для фермионов:

Энергия одного кванта всё ещё равна h ν, так что всё обсуждение частиц и их энергий, импульса и масс остаётся в силе. Но количество квантов у электронной волны может равняться только 0 или 1. Десять электронов, в отличие от десяти фотонов, нельзя организовать в одну волну большей амплитуды. Поэтому не существует фермионных волн, состоящих из большого количества фермионов, колеблющихся и движущихся совместно.