Поток фотонов: Свет как поток фотонов. О чем рассказывает свет

Свет как поток фотонов. О чем рассказывает свет

ВикиЧтение

О чем рассказывает свет
Суворов Сергей Георгиевич

Содержание

Свет как поток фотонов

Более пятнадцати лет прошло после первых опытов Столетова, прежде чем ученые нашли разгадку странных законов, связывающих энергию фотоэлектронов с частотой вызывающего их света.

За это время произошло еще одно важное событие. В 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858—1947) исследовал условие, при котором устанавливается равновесие в спектре излучения «абсолютно черного тела». Он пришел к выводу, что этим условием является такое распределение энергии по спектру, при котором она пропорциональна частоте. Получается так, как будто энергия света может перемещаться только определенными порциями (квантами), каждая из которых пропорциональна частоте света.

Другой немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) пошел дальше: он сделал вывод о том, что световой поток состоит из потока частиц с энергией, пропорциональной частоте; эти частицы получили наименование фотонов. Чем больше частота света, тем больше энергия фотона. Следовательно, энергия фотона фиолетового света почти в два раза больше энергии фотона красного света. Эйнштейн показал, что, только приняв представление о фотонной структуре света, можно объяснить странную закономерность фотоэффекта, открытого еще Столетовым.

При этом предположении механизм фотоэффекта представляется так. В металлах имеется много «свободных» (т. е. не связанных с определенными атомами металла) электронов. Когда фотон падающего света ударяется в один из них, он передает электрону всю свою энергию. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может вылететь из пластинки. Ясно, что энергия вырванного электрона прямо зависит от энергии выбившего его фотона, т. е. от частоты падающего на пластинку света.

Таким образом, фотоэффект явился одним из первых явлений, указывающих на корпускулярное строение света.

Дальнейшее развитие физики подтвердило справедливость предположения, что свет излучается и поглощается в виде фотонов и что их энергия тем больше, чем больше частота света.

СВЕТ

СВЕТ Когда мы говорили, что во времена И. Ньютона были известны только движения со сравнительно скромными скоростями, то допускали известную неточность. Конечно, если речь идет о движении физических тел, то сказанное справедливо. Однако человечеству изначально был

Свет как субстанция

Свет как субстанция Мы опять начинаем с нескольких экспериментальных фактов. Только что приведенная величина относится к скорости света в вакууме.

Свет распространяется с этой скоростью в пустом пространстве. Мы можем видеть и через пустой стеклянный сосуд, когда из

Поглощение фотонов

Поглощение фотонов 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

Невидимый свет

Невидимый свет Электромагнитные волны В то же время, когда спектроскопия начала так бурно развиваться, английский физик Джемс Клерк Максвелл (1831 —1879) обобщал результаты опытных исследований электрических и магнитных свойств материи. При этом он вовсе не имел дела со

Свет — это не вещество

Свет — это не вещество Веществом физики издавна называли все окружающие нас тела, небесные и земные, а также те части, из которых они состоят, — молекулы и атомы. Вещество обладает рядом характерных для него свойств. В XIX веке эти свойства представляли в следующем виде.

Свет и атомы

Свет и атомы Почему атомы светятся? Свет рождается в веществе. Таково происхождение и видимого света, и инфракрасного, и ультрафиолетового, и рентгеновских излучений, и гамма-излучений. Естественно, что, изучая свойства света, можно в конечном счете узнать, при каких

Свет и телеуправление

Свет и телеуправление Свет не только доставляет подробную информацию о состоянии области пролета космического корабля и внутри самого корабля. Он позволяет решить и проблему управления самим кораблем или же процессами, в нем происходящими. Эта особенность ярко

О чем рассказывает свет

О чем рассказывает свет В этой книге был дан лишь самый общий очерк того, каким путем шли ученые в познании свойств света и к каким огромным результатам привело это познание. Что же дало человеку познание законов света, законов возникновения, распространения и

12. Кристаллы и свет

12. Кристаллы и свет Гладкие грани кристаллов отражают свет подобно самому чистому зеркалу. Наряду с другими, некристаллическими телами: водой, стеклом – кристаллы также преломляют свет. То, что свет, падая из воздуха в более плотную среду, или, наоборот, из воды в воздух,

ФОТОНЫ И СВЕТ

ФОТОНЫ И СВЕТ Истории появления различных теорий света прекрасно демонстрируют, как по мере развития науки эффективные теории используются и сменяют друг друга, как одни идеи отбрасываются, а другие сохраняются и применяются в конкретной ограниченной области. Еще в

131. Что такое свет?

131. Что такое свет? Исаак Ньютон (1643–1727) считал, что свет состоит из крошечных частиц, движущихся прямолинейно. Теория описана в Оптике (Opticks), 1704.Христиан Гюйгенс (1629–1695) не согласился. Он считал, что свет — это волна, как звук. Теория описана в Трактате о Свете (Treatise on Light),

Ньютон и свет

Ньютон и свет Ньютон сообщает нам, что, начав изучать это странное явление и вычисляя отношения между углом падения белого света на призму и углами преломления цветных лучей, выходящих из нее, сразу же обнаружил, что это отношение различно для разных цветов. Повторяя

Эйнштейн и статистика фотонов

Эйнштейн и статистика фотонов В 1924 г. у Эйнштейна снова начал интересоваться фотонами относительно статистических законов, которым они подчиняются. С. Бозе (1894—1974), в то время лектор по физике в университете Дакка в Восточной Бенгалии (Индия), представил в 1923 г. статью для

СВЕТ СВЕЧИ

СВЕТ СВЕЧИ До прихода эры электричества в таком большом городе, как Лондон, средняя семья могла использовать одну свечу за ночь.

Чтобы оценить такую освещенность, надо вспомнить, что свет одной свечи — это 1/100 света, испускаемого стоваттной лампочкой. Кроме того, свеча

Физики заставили фотоны жить дружно / / Независимая газета

Два фотона разной частоты, проходящих по волноводу, взаимодействуют друг с другом. Иллюстрация Physorg

В этом году химик Барри Шарплесс продолжил традицию двукратного награждения Нобелевской премией. Весьма ограниченное членство клуба избранных – химики Фредерик Сенгер и Лайнус Полинг (вторая – премия мира), а также физик Джон Бардин – за первый транзистор и вместе с Джоном Шрайфером и Леоном Купером – за теорию сверхпроводимости при сверхглубоком охлаждении. Главной при этом является так называемая куперовская пара электронов, которая не реагирует на окружающую ее материю, что и позволяет ей быстро двигаться в среде, не теряя энергии.

В обычных классически детерминистских условиях движение электронов довольно хаотично. Они сталкиваются с окружающими атомами, теряя энергию, которая деградирует и превращается в тепло, что и приводит зачастую к коротким замыканиям в силу перегрева сетей. Тем не менее инженеры давно научились использовать нагревание для создания электронагревательных приборов и с помощью тугоплавкого вольфрама потока света, или фотонов. Свет генерируется за счет возбуждения электронов, поднимающихся на более высокий энергетический уровень, после чего очень быстро релаксируют, испуская фотоны и возвращаясь на исходный уровень.

Свет, или поток фотонов, получают также, возбуждая атомы ртути в вакуумных трубках люминесцентных или энергосберегающих ламп, которые практически не нагреваются.

Обитатели морских и океанических глубин, куда солнечный свет не доходит, используют особые протеины, которые после поступления в клетки ионов кальция также генерируют фотоны. В процессе биолюминесценции используется также окисление жироподобного люциферина ферментом люциферазой. Делают это зачастую микробы-симбионты.

Фотон, представляющий собой так называемый волновой пакет (wave-packet) определенной длины волны, сочетает в себе свойства волны и частицы и намного предпочтительнее электрона. Он является носителем «родового порока» генерации паразитического тепла, из-за которого электронные устройства не могут быть тонкими, как лист бумаги.

И все бы хорошо, если бы не свойства квантов света, которые быстро «угасают», теряя энергию, и не взаимодействуют друг с другом. Это затрудняет создание светового компьютера. Но похоже, что «светофизики» университетов Копенгагена, Бордо и Рурского в г. Бохуме, а также Института фундаментальной физики в Мадриде смогли преодолеть одно из препятствий. Успех базируется на результатах работы 2015 года, когда был использован источник-эмиттер одиночных фотонов, проистекающих от полупроводниковой квантовой точки.

К этому сегодня добавлен специально созданный волновод, в котором удалось контролировать прохождение одного фотона с помощью другого, следствием чего и стало давно искомое взаимодействие фотонов. Но даже два взаимодействующих друг с другом фотона не могут решить проблем квантовой коммуникации.

Это можно сравнить с ситуацией, касающейся квантовых компьютеров, в которых используются не электронные транзисторы, страшно греющиеся, а квантовые биты информации, или кубиты. Да, квантовые компьютеры работают, но их нужно охлаждать, что требует пространства и становящейся все более дорогой энергии. Поэтому последним достижением является компьютер со всего лишь 100 кубитами, что очень мало.

Примерно о том же пишут в журнале Nature Physics и авторы, создавшие нанофотонные волноводы. Они указывают на необходимость использования для надежной коммуникации большого числа фотонных кубитов. Ведь известно, что эффективность связи определяется относительной избыточностью ее элементов. Тот же принцип наблюдается и в мозге, в котором довольно быстро восстанавливается травматический или инсультный дефицит. Можно вспомнить и голографию, сохраняющую изображение даже в небольшом кусочке голограммы.

Фотонный поток

Доля

Определение и значение

Определение потока фотонов: количество фотонов в секунду на единицу площади. Это важно для определения количества генерируемых электронов, и, следовательно, производит ток от солнечного элемента . Энергия или длина волны фотонов в источнике света должны быть указаны, потому что это не дает никакой информации об энергии или длине волны фотонов. Количество радиации можно измерить разными способами. Два наиболее распространенных способа для фотогальваники:

Поток энергии или освещенность (интенсивность света), которая представляет собой количество энергии на площадь за время , в единицах Вт/м2 или мВт/см2
поток фотонов , который рассчитывается по формуле количество фотонов на площадь за время , в единицах см–2с–1

Расчеты

Плотность мощности фотонов на определенной длине волны можно рассчитать, используя комбинацию длины волны или энергии фотона и поток фотонов на этой длине волны. Плотность мощности можно рассчитать по умножение потока фотонов на энергию одиночного фотона . Поскольку это объясняет количество фотонов, попадающих на поверхность в заданный период времени, умножение на количество энергии фотонов, формирующих поток фотонов, дает энергии, попадающей на поверхность в единицу времени , что эквивалентно плотности мощности . Чтобы рассчитать плотность мощности в единицах Вт на м² , энергия фотонов должна быть в Джоулей . Ниже приведены уравнения: где Φ = поток фотонов q = значение электронного заряда ( 1,6 x 10 ^-19 ) Из приведенного выше уравнения следует, что для потока фотонов более высокой энергии (или более короткой длины волны) количество фотонов, необходимое для получения определенного плотность мощности излучения будет меньше числа фотонов в потоке фотонов с более низкой энергией (или большей длиной волны), необходимого для получения равной плотности мощности излучения. NP что число фотонов в секунду на единицу площади можно рассчитать из освещенности I по следующему уравнению: преобразование количества фотонов в мкмоль фотонов

Подсчет фотонов

Используется метод, используемый для подсчета отдельных фотонов, который называется SPD (детектор одиночных фотонов) . Эффективность работы однофотонного детектора определяется квантовой эффективностью и всеми электронными потерями, присутствующими в такой системе. Это становится более важным в фотогальваника и солнечные панели для расчета количества излучения и правильного проектирования необходимых систем для производства всей необходимой энергии и их правильной установки и настройки. Он также имеет другие многочисленные применения в биологических и химических процессах.

2. Фотонная энергия и поток

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 5943

Свет, который, как мы знаем, распространяется со скоростью c в вакууме, имеет частоту f и длину волны λ. Частота может быть связана с длиной волны скоростью света в уравнении

Энергия фотона, описанная в «Основах квантовой теории», определяется уравнением

или

Это означает именно то, что мы сказали ранее в «Электромагнитном спектре», что чем выше частота и короче длина волны, тем больше энергия фотона света. Знание соотношения между энергией и частотой/длиной волны света важно, когда дело доходит до выяснения спектра света и энергии, излучаемой солнцем. Стоит отметить, что энергия фотона часто измеряется в электрон-вольтах (эВ), что является количеством энергии, необходимой для перемещения электрона на 1 вольт.

Поток фотонов — еще одна важная концепция, поскольку она позволяет нам понять, сколько света на самом деле контактирует с нашими устройствами на поверхности земли и, следовательно, сколько электронов может быть сгенерировано для протекания тока. Flux — это причудливое слово, обозначающее количество чего-либо, вступающего в контакт с определенной площадью поверхности или проходящего через нее; следовательно, поток фотонов — это просто количество фотонов, попадающих на поверхность солнечного элемента в данный момент времени. Поток фотонов определяется уравнением:

, где Φ — поток фотонов, который определяется как количество фотонов в секунду на квадратный метр.

Приведенный выше рисунок иллюстрирует идею закона обратных квадратов, показывая, как поток этих линий через заданную область уменьшается с расстоянием от источника. Это дает хорошее представление о том, как можно изобразить поток, и показывает, как поток может указывать на интенсивность света на поверхности. В нашем случае интенсивность будет уменьшаться по мере прохождения света от солнца, что является приложением потока, которое мы обсудим в следующих разделах.

Источник: