Излучение и поглощение фотонов. Физики впервые увидели столкновение фотона с фотоном Рождение электронно-позитронных пар

А кто доказал, что ядро атома не поглощает фотоны? и получил лучший ответ

Ответ от Бобр[гуру]
Сколько энергии приходится на электроны а сколько на ядро
Это вопрос, или утверждение?
И да, ядро тоже может поглощать фотоны.
Бобр
Просветленный
(22794)
По формуле чего???
А то я даже не слышал, про "формулу по поводу поглощения ядра фотонов"...
Вы, вообще, на каком языке говорите?

Ответ от Ёебастьян Рачовски [гуру]
Ты уже разберись, что хочешь узнать: поглощение фотона атомом или атомным ядром?
Да, фотон может поглощаться ядром. Спроси у Мессбауэра.
Метод ЯГР уже давно используется.


Ответ от Salavata [гуру]
Электрон не может поглотить фотон.
Фотон поглощается атомом - системой из ядра и электронов.
Ядро иногда может поглощать фотон.


Ответ от Іыбиков Олег [гуру]
Дядя Вова, как там погода в Питере? 🙂 У нас противно, дождь второй день моросит.


Ответ от Ўрий Моисеев [гуру]
Радиоактивные ядра излучают фотоны (гамма-лучи). Значит должны и поглощать если не доказано, что это необратимый процесс.


Ответ от 999 [гуру]
Посмотрите Эффект Комптона. Возможно это отчасти прояснит вопрос.


Ответ от Константин Петров [гуру]
современной науке неизвестно что такое свет
то ли это фотон, то ли чё еще, то ли он движется, то ли это стоячая волна
на подобые высказывания набегают всякие тролли и оскорбляют
есть мракобесные утверждения типа мол экспериментом Гранжье-Роже-Аспэ существование фотона доказано еще аж в 1986 году
но...
при проверке выясняется, что есть только критика эксперимента и есть рекомендации повторить эксперимент с учетом замечаний
годы идут
а фотона нет
вот если убрать воздух, то исчезают как сам звук, так и скорость звука
то есть, воздух среда распространения звука
а ГДЕ, В ЧЕМ, КАК распространяется фотон (свет)?
получается, нужен эфир?
соответственно, любые рассуждения о ядре атома и фотонах, о всяких там уровнях на данный момент антинаучные


Ответ от Ёвятoй дух [гуру]
володя изобрел новый велосипед: оказывается, АХТУНГ! 11 ядро может поглощать фотоны!!! сенсация!!!
такое ощущение, что рыбаки не подозревают о существовании Ландау-Лившица


Ответ от Јурик Жуков [гуру]
Вова, что за шум, а драки нет?
Что не даёт тебе спать?
Фотон - это чистейшая эфирная волна (порциальная, или квантовая) ! Для поглощения волны требуются резонансные условия! У электронов и атомного ядра они очень резко отличаются! Фотоны поглощаются и тут же испускаются атомным ядром, но только соответствующей длинны волны! Накачать ядро фотонами, так, чтобы ядро лопнуло, ещё никому не удавалось. А вот электроны накачиваются до определённых пределов и переходят в возбуждённое состояние.


Ответ от White Rabbit [гуру]
Великий гений всея мира мог бы знать, что гамма-излучение - ТОЖЕ ФОТОНЫ.
И только потом пытаться поучать, и, тем более, вопрошать СВОЙ НЕГРАМОТНЫЙ БРЕД
Ответ по существу: разумеется никто НЕ доказал, поскольку само утверждение - твоя безграмотная фантазия. Ядро МОЖЕТ поглощать гамма-кванты.


Ответ от Алексей Абрамов [гуру]
Если отвечать в порядке следования вопросов:
1. Имеется непротиворечащая экспериментальным данным модель, описывающая взаимодействия ядра и фотонов (См. квантовая электродинамика).
2. Ловушкой для фотонов электроны в некотором смысле являются, но даже при их наличии есть вероятность что какой либо фотон "долетит" до ядра. Уровни поглощения и излучения в атоме квантованы, с любыми фотонами ядро взаимодействоать не будет.
3. При испускании и поглощении фотонов меняется форма орбиты электрона. Но стабильность самой орбиты определяется тем, что электрон постоянно взаимодействует с ядром атома по средством обмена фотонами, но так как эти фотоны находятся всегда внутри системы электрон + ядро их мы увидеть не можем.
4. Энергия находиться не только в электроне и ядре но еще и в потенциале поля их взаимодействия.
Например, когда протоны которые являются ядрами атомов водорода разгоняют в ускорителе (например большой адронный коллайдер) на них воздействуют переменным магнитным полем, взаимодействие которого с этими протонами описывается как излучение и поглощение фотонов.

Повсюду в наших рассуждениях шла речь о процессе, по­хожем на рассеяние a-частиц. Но это необязательно; можно было бы говорить и о создании частиц, например об излучении света. При излучении света «создается» фотон. В этом случае уже не нужны на фиг. 2.4 входящие линии; можно просто счи­тать, что есть n атомов а, b, с, . . . , излучающих свет (фиг. 2.5).

Фиг. 2.5. Образование n фотонов в близких состояниях.

Значит, наш результат можно сформулировать и так: вероятность того, что атом излучит фотон в некотором конечном состоянии, увеличивается в (n+ 1) раз, если в этом состоянии уже есть n фотонов.

Многим больше нравится высказывать этот результат иначе; они говорят, что амплитуда испускания фотона увеличи­вается в Ö(п +1) раз, если уже имеется в наличии n фотонов. Разумеется, это просто другой способ сказать то же самое, если только иметь в виду, что эту амплитуду для получения вероят­ности надо просто возвести в квадрат.

В квантовой механике справедливо в общем случае утвержде­ние о том, что амплитуда получения состояния cиз любого другого состояния j комплексно сопряжена амплитуде получе­ния j из c

Мы разберемся в этом чуть позже, а пока просто предположим, что на самом деле это так. Тогда этим можно воспользоваться, чтобы понять, как фотоны рассеиваются или поглощаются из данного состояния. Мы знаем, что амплитуда того, что фотон прибавится к какому-то состоянию, скажем к i, вкотором уже находится n фотонов, равна

где а =<i| а> - амплитуда, когда нет других фотонов. Если воспользоваться формулой (2.24), то амплитуда обратного перехода - от (n+ 1) фотонов к n фотонам - равна

Но обычно говорят иначе; людям не нравится думать о пере­ходе от (n +1) к n, они всегда предпочитают исходить из того, что имелось n фотонов. Поэтому говорят, что амплитуда погло­щения фотона, если имеется n других, иными словами, перехода от n к (n- 1), равна

=Öna*. (2.27)

Это, разумеется, просто та же самая формула (2.26). Но тогда возникает новая забота - помнить, когда пишется Ön и когда Ö(n +1). Запомнить это можно так: множитель всегда равен корню квадратному из наибольшего числа имевшихся в нали­чии фотонов, все равно - до реакции или после. Уравнения (2.25) и (2.26) свидетельствуют о том, что закон на самом деле симметричен; несимметрично он выглядит лишь тогда, когда его записывают в виде (2.27).

Из этих новых правил проистекает множество физических следствий; мы хотим привести одно из них, касающееся испус­кания света. Представим случай, когда фотоны находятся в ящике,- можете вообразить, что ящик имеет зеркальные стен­ки. Пусть в этом ящике в одном и том же состоянии (с одними и теми же частотой, поляризацией и направлением) имеется n фо­тонов, так что их нельзя друг от друга отличить, и пусть в ящике имеется атом, который может испустить еще один фотон в таком же состоянии. Тогда вероятность того, что он испустит фотон, равна



(п+1)|a | 2 , (2.28)

а вероятность того, что он фотон поглотит, равна

n |а | 2 , (2.29)

где |а | 2 - вероятность того, что он испустил бы фотон, если бы не было этих n фотонов. Мы уже говорили об этих правилах немного по-иному в гл. 42 (вып. 4). Выражение (2.29) утверждает, что вероятность того, что атом поглотит фотон и совершит переход в состояние с более высокой энергией, пропорциональ­на интенсивности света, освещающего его. Но, как впервые указал Эйнштейн, скорость, с которой атом переходит в более низкое энергетическое состояние, состоит из двух частей. Есть вероятность |а| 2 того, что он совершит самопроизвольный переход, и есть вероятность вынужденного перехода n|а| 2 , пропорциональная интенсивности света, т. е. числу имеющихся фотонов. Далее, как заметил Эйнштейн, коэффициенты погло­щения и вынужденного испускания равны между собой и свя­заны с вероятностью самопроизвольного испускания. Здесь же мы выяснили, что если интенсивность света измеряется ко­личеством имеющихся фотонов (вместо того, чтобы пользоваться энергией в единице объема или в секунду), то коэффициенты поглощения, вынужденного испускания и самопроизвольного испускания все равны друг другу. В этом смысл соотношения между коэффициентами А и В, выведенного Эйнштейном [см. гл. 42 (вып. 4), соотношение (42.18)].

До сих пор нейтрино было очень похоже на фотон. Подобно фотону, нейтрино не заряжено, не имеет массы, всегда движется со скоростью света. Обе частицы имеют спин. Спин фотона +1 или -1, тогда как спин нейтрино +1/2 или -1/2 (отличие не очень существенное). Тем не менее между ними существует интересная и даже удивительная разница, понять которую нам помогут следующие рассуждения.

Проследим два события, обращенные во времени. Пусть человек, держащий мяч, бросает его, скажем, на юг. Если же мяч приближается к человеку, двигаясь в обратном направлении, человек поднимает руку и ловит его. В первом случае последовательность событий была такова: 1) человек держит мяч, 2) человек бросает мяч, 3) мяч летит на юг. Движение, обращенное во времени, имело другую последовательность событий: 1) мяч летит на север, 2) человек ловит мяч, 3) человек держит мяч. Все это очень напоминает кинофильм, который сначала прокручивают в одну сторону, а затем в обратную.

Попробуем перенести этот принцип в субатомный мир Если электрон в атоме переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное, он излучает фотон видимого света, длина волны которого зависит от разности энергий между двумя возбужденными состояниями атома. Тот же самый атом может поглотить или «поймать» фотон с точно такой же длиной волны, при этом электрон перейдет из менее возбужденного состояния в более возбужденное. Каждый тип атома излучает фотоны определенных длин волн (в зависимости от величины энергии его возбужденных состояний) и при подходящих условиях поглощает фотоны с точно такими же длинами волн.

И все-таки разница между прямым и обращенным во времени событием существует не только в изменении направления и последовательности. Поймать мяч труднее, чем бросить его. Бросая мяч, вы приводите в движение неподвижный предмет, и все зависит только от вас. Располагая своим временем, вы можете удобнее взять мяч, тщательно прицелиться и т. д. Когда же вы ловите мяч, приходится иметь дело с движущимся предметом и зевать некогда. Когда мяч приблизится, его нужно быстро схватить, так как мяч будет оставаться в пределах досягаемости долю секунды. В эту долю секунды вы должны успеть вытянуть руку точно в направлении движения мяча и остановить его. Если вы промахнетесь, мяч пролетит мимо.

То же самое происходит и с атомом, излучающим фотон. Такой атом испускает фотон за время, которое в среднем составляет около 10 -8 сек. Следовательно, атом, так сказать, сам распоряжается своим временем и излучает фотон, когда ему удобно.

Чтобы поглотить этот же фотон, атому необходимо 10 -8 сек, что является естественным следствием обратимости событий. Но атом не может поглотить фотон без значительных хлопот. Фотон движется со скоростью света и не остается вблизи атома в течение всего промежутка времени 10 -8 сек. За такой промежуток времени фотон света пролетает в среднем 300 см. Некоторые фотоны могут пройти большее расстояние, а другие меньшее. Понятно, почему обычно атомам очень трудно поймать фотоны: ведь размер атома значительно меньше этого расстояния! (Точно так же баскетболистам трудно ловить мячи, летящие слишком быстро). Тем не менее, случайно атом может поймать и поглотить фотон.

Все сказанное предполагает, что фотон не имеет собственных размеров; хотя на самом деле его размеры довольно велики. Типичный фотон видимого света имеет длину волны около 1/20 000 см. На этой длине укладывается в ряд около тысячи атомов. Фотон видимого света можно представить как некую сферу, диаметр которой в тысячу раз больше диаметра атома, а объем в 1000000000 раз больше объема атома. В любой момент времени фотон света соприкасается приблизительно с миллиардом атомов, один из которых ухитряется поймать и поглотить его.

Следовательно, глубина, на которую фотон проникает в вещество до поглощения, не 300 см, а в миллиард раз меньше, т. е. 3·10 -7 см.

На таком расстоянии умещаются в ряд не более 10–15 атомов. Это означает, что фотон света до момента поглощения проникает в вещество не глубже, чем на 10–15 атомарных слоев. Толщина в 10–15 атомов - сущий пустяк в обычных масштабах, поэтому большинство твердых веществ даже в виде тонких пленок непрозрачны для света (хотя золотую фольгу можно сделать настолько тонкой, что она станет прозрачной).

Чем короче длина волны света, тем меньше фотон, тем меньше атомов соприкасается с ним в любой момент времени и, следовательно, тем больший путь он проходит через вещество до поглощения. Именно по этой причине ультрафиолетовый свет проникает в кожу человека глубже, чем видимый свет; рентгеновские лучи свободно проходят через мягкие ткани тела и останавливаются только более плотным веществом костей; а?-лучи пронизывают плотное вещество на много сантиметров. (Конечно, видимый свет проходит значительное расстояние в таких веществах, как стекло или кварц, не говоря уже о большинстве жидкостей, но все это является предметом отдельного рассмотрения).

Диаграмма Фейнмана для рассеяния фотона на фотоне. Сами фотоны не могут взаимодействовать друг с другом, так как они - нейтральные частицы. Поэтому один из фотонов превращается в пару частица-античастица, с которой и взаимодействует другой фотон.

Физики из коллаборации ATLAS впервые зарегистрировали эффект рассеяния квантов света, фотонов, на фотонах. Этот эффект - одно из старейших предсказаний квантовой электродинамики, он был описан теоретически более 70 лет назад, но до сих пор не был обнаружен экспериментально. Интересно, что он нарушает классические уравнения Максвелла, являясь чисто квантовым явлением. Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Nature Physics, однако препринт статьи вышел еще в феврале 2017 года. Подробности о нем сообщал портал «Элементы.ру»

Одно из главных свойств классической максвелловской электродинамики - принцип суперпозиции для электромагнитных полей в вакууме. Он позволяет напрямую складывать поля от разных зарядов. Так как фотоны - это возбуждения полей, то в рамках классической электродинамики они не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого они должны свободно проходить друг через друга.


Магниты детектора ATLAS

Квантовая электродинамика расширяет действие классической теории на движение заряженных частиц с околосветовыми скоростями, кроме того она учитывает квантование энергии полей. Благодаря этому в квантовой электродинамике можно объяснить необычные явления, связанные с высокоэнергетичными процессами - например, рождение из вакуума пар электронов и позитронов в полях высокой интенсивности.

В рамках квантовой электродинамики два фотона могут столкнуться друг с другом и рассеяться. Но этот процесс идет не напрямую - кванты света незаряжены и не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого происходит промежуточное образование виртуальной пары частица-античастица (электрон-позитрон) из одного фотона, с которой и взаимодействует второй фотон. Такой процесс очень маловероятен для квантов видимого света. Оценить это можно из того, что свет от квазаров, удаленных на 10 миллиардов световых лет, достигает Земли. Но с ростом энергии фотонов вероятность процесса с рождением виртуальных электронов возрастает.

До сих пор интенсивности и энергий даже самых мощных лазеров не хватало для того, чтобы увидеть рассеяние фотонов напрямую. Однако исследователи уже нашли способ увидеть этот процесс косвенно, например, в процессах распада одного фотона на пару более низкоэнергетичных квантов вблизи тяжелого ядра атома.

Увидеть напрямую рассеяние фотона на фотоне удалось лишь в Большом адронном коллайдере. Процесс стал различимым в экспериментах после увеличения энергии частиц в ускорителе в 2015 году - с запуском Run 2. Физики коллаборации ATLAS исследовали процессы «ультрапериферийных» столкновений между тяжелыми ядрами свинца, разогнанными коллайдером до энергий 5 тераэлектронвольт на нуклон ядра. В таких столкновениях сами ядра не сталкиваются между собой напрямую. Вместо этого происходит взаимодействие их электромагнитных полей, в которых возникают фотоны огромных энергий (это связано с близостью скорости ядер к скорости света).


Событие рассеяния фотона на фотоне (желтые пучки)

Ультрапериферийные столкновения отличаются большой чистотой. В них, в случае успешного рассеяния, возникает лишь пара фотонов с направленными в разные стороны поперечными импульсами. В противоположность этому обычные столкновения ядер образуют тысячи новых частиц-осколков. Среди четырех миллиардов событий, собранных ATLAS в 2015 году на статистике столкновений ядер свинца ученым удалось отобрать 13, соответствующих рассеянию. Это примерно в 4,5 раза больше, чем фоновый сигнал, который ожидали увидеть физики.


Схема процесса рассеяния в коллайдере. Два ядра пролетают вблизи - их электромагнитные поля взаимодействуют

The ATLAS Collaboration

Коллаборация продолжит исследовать процесс в конце 2018 года, когда на коллайдере вновь пройдет сеанс столкновений тяжелых ядер. Интересно, что именно детектор ATLAS оказался подходящим для поиска редких событий рассеяния фотонов на фотонах, хотя для анализа столкновений тяжелых ядер был специально разработан другой эксперимент - ALICE.

Сейчас на Большом адронном коллайдере набор статистики протон-протонных столкновений. Недавно ученые об открытии на ускорителе первого дважды очарованного бариона, а еще весной физики коллаборации ATLAS о необычном избытке событий рождения двух бозонов слабого взаимодействия в области высоких энергий (около трех тераэлектроновольт). Он может указывать на новую сверхтяжелую частицу, однако статистическая значимость сигнала пока не превышает трех сигма.

Владимир Королёв

Лекция: Постулаты Бора. Излучение и поглощение фотонов при переходе атома с одного уровня энергии на другой


Несмотря на столь удачное открытие Резерфорда касательно модели атома, она столкнулась с некоторыми сложностями, которые смог растолковать Н.Бор.


Итак, нам уже известно, что электрон, которому придали ускорение, начинает излучать - это утверждение было выдвинуто Максвеллом. И это было не просто утверждение, а известный факт, которого стоило считаться. Так же нам известно, что любая частица, которая двигается с ускорением, тратит некоторую энергию, которая может пополниться только с помощью дополнительных условий.


Придерживаясь данной логики, можно сделать вывод, что любой электрон, который двигается по орбите, постоянно меняет направление своей скорости, а это значит, что он имеет ускорение. Стало быть, любой электрон, вращаясь вокруг ядра, должен постоянно терять энергию, и в конечном итоге упасть на ядро. Однако, этого вокруг не происходит. А значит, что-то не учтено.


Если использовать знания из динамики Ньютона, а также наблюдений Максвелла, можно сделать вывод, что электроны практически моментально теряют всю свою энергию, в результате чего существование каждого атома должно быть не более 10 -7 с, что на самом деле не так.


Постулаты Бора


Исходя из всего описанного, и того, что вокруг нас не происходит постоянного разрушение всех предметов, можно сделать вывод, что законы механики не справедливы для микромира. А что на самом деле происходит в атоме, мы рассмотрим прямо сейчас.


Описать, что происходит в атоме гидрогена, рискнул ученый Н.Бор, который предложил несколько правил (постулатов), которые неким образом отличались от всех известных законов, но смогли объяснить некоторые процессы в атоме. С помощью привычных законов можно описать практически все видимые явления, которые происходят вокруг нас - движение тела, изменение состояния газов, а также многое другое. Однако ни в одном из данных процессов энергия не рассматривалась в качестве порции. А так как мы знаем, что в результате движения частицы происходит излучение спектров, то энергия рассматривается в качестве парциальной величины, кратной энергии фотона. Именно поэтому для рассмотрения процессов в атомах следовало это учитывать.


Первый постулат:


Электрон может находиться на некоторой стационарной орбите, которой соответствует своя энергия. То есть, именно от энергии, которой обладает электрон, зависит, на какой орбите он может находиться или даже вырваться с нее.


Первый постулат гласит, что находясь на стационарных орбитах, атом не излучает.


Данный постулат звучит вполне сказочно, однако в начале 20 века стационарные состояния были доказаны Франком и Герцем. В зависимости от имеющегося набора энергий, электроны находятся на некоторых орбитах. Однако, из химии нам известно, что электроны могут перескакивать между орбитами. Как это происходит?


Второй постулат:


В то время, когда электрон перемещается между стационарными орбитами, происходит выделение или поглощение энергии. То есть при переходе орбиты с большей энергией на орбиту с меньшей энергией, происходит излучение. Если же некоторый фотон налетает на электрон, тот полностью поглощает его. В результате этого происходит обратное перемещение электрона между орбитами.

Итак, например для того, чтобы электрон перешел с третьей орбиты на вторую, должно произойти излучение энергии, которую можно найти по формуле, указанной на рисунке:


Это позволяет понять причину того, что спектры в результате излучения атомами, являются линейчатыми. Стоит отметить, что величины энергий, которые поглощаются или излучаются в результате перехода электрона между уровнями, должны быть кратный элементарной энергии данного атома.


Третий постулат Бора:

Данный постулат позволяет определить природу квантования. Он говорит о том, что электрон может обладать моментом импульса, который будет прямо пропорционален перечеркнутой постоянной Планка:


 

Возможно, будет полезно почитать: