Квантовые свойства света

Фотон  - материальная, электрически нейтральная частица, квант

электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).

Основные свойства фотона

• Является частицей электромагнитного поля.
• Движется со скоростью света.
• Существует только в движении.
• Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью ,  равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

• В 1873 г. Дж. Максвелл исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу:  свет должен оказывать давление на препятствие (благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v - направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны) .
• Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов:  .  
• фотон обладает импульсом . 
• Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . 
• Световое давление : 

Давление света открыто русским ученым П.Н. Лебедевым в 1901 году. В своих опытах он установил, что давление света зависит от интенсивности света и от отражающей способности тела. В опытах была использована вертушка, имеющая черные и зеркальные лепестки, помещенная в вакуумированную колбу  

Давление электромагнитного излучения ,  давление света  —  давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.

Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролете их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики. Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались крутильные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Кроме того, поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.

  Одним из следствий давления солнечного света, является то, что кометы, пролетающие вблизи Солнца, имеют «хвосты»

• Фотоси́нтез  (от др.-греч.  — свет и  — соединение, складывание, связывание, синтез) — процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий

Выцветание, или потеря интенсивности окраски ткани, — это результат фотохимических процессов, вызванных поглощением излучения .

• Фотография (фото — свет, графа — рисую, пишу— греч.)—рисование светом, светопись — была открыта не сразу и не одним человеком. В это изобретение вложен труд ученых многих поколений разных стран мира. Люди давно стремились найти способ получения изображений, который не требовал бы долгого и утомительного труда художника. Некоторые предпосылки для этого существовали уже в отдаленные времена.

• Физической основой фотографии является фиксация изображений с помощью химических и физических процессов, происходящих под действием света в светочувствительной фотоэмульсии или фотоэлектрическом преобразователе .

Первая цветная фотография

• СНИМОК ТАЛЬБОТА В 1835 г. Тальбот зафиксировал солнечный луч. Это был снимок решетчатого окна его дома. Тальбот применил бумагу, пропитанную хлористым серебром. Выдержка длилась в течение часа. Тальбот получил первый в мире негатив. Приложив к нему светочувствительную бумагу, приготовленную тем же способом, он впервые сделал позитивный отпечаток. Свой способ съемки изобретатель назвал калотипией, что означало «красота». Так он показал возможность тиражирования снимков и связал будущее фотографии с миром прекрасного. Первый снимок Тальбота – решетчатое окно его дома выполнен в 1835 году. 

  В 1826 г. Ньепс с помощью камеры-обскуры получил на металлической пластинке, покрытой тонким слоем асфальта, вид из окна своей мастерской. Снимок он так и назвал — гелиография (солнечный рисунок). Экспозиция длилась восемь часов. Изображение было весьма низкого качества, и местность была едва различима. Но с этого снимка началась фотография .

• Дагер в 1837 г. открыл надежный способ проявления и закрепления скрытого изображения на очувствленной к свету серебряной пластинке. Дагер впервые в мире получил снимок со сравнительно высоким качеством изображения. Он снял довольно сложный натюрморт, составленный из произведений живописи и скульптуры. Свой способ получения фотоизображения изобретатель назвал собственным именем — дагеротипия — и передал его описание секретарю Парижской Академии наук Доминику-Франсуа Араго. На заседании Академии 7 января 1839 г. Араго торжественно доложил ученому собранию об удивительном изобретении Дагера, заявив, что «отныне луч солнца стал послушным рисовальщиком всего окружающего». Ученые одобрительно приняли известие, и этот день навсегда вошел в историю как день рождения фотографии.

В зависимости от принципа работы светочувствительного материала фотографию принято делить на три больших подраздела:

Плёночная фотография  — основана на фотоматериалах, в которых происходят фотохимические процессы. Разновидностью плёночной считается моментальная фотография, позволяющая получать готовый снимок в течение нескольких секунд.

Цифровая фотография  — в процессе получения и сохранения изображения происходят перемещения электрических зарядов (обычно в результате  фотоэффекта  и при дальнейшей обработке), но не происходит химических реакций или перемещения вещества. Правильнее было бы называть такую фотографию  электронной , так как в ряде устройств, традиционно относимых к «цифровым», происходят аналоговые процессы ().

Электрографические   и иные процессы, в которых не происходит химических реакций, но происходит перенос вещества, образующего изображение. Специального общего названия для этого раздела не выработано, до появления цифровой фотографии часто употреблялся термин «бессеребряная фотография ».

• А. Комптон на опыте подтвердил квантовую теорию света. С точки зрения волновой теории  световые волны должны рассеиваться на малых частицах без какого-либо изменения частоты излучения,  что опытом не подтверждается. При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны  падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны) .

где

комптоновская длина волны

В 1927 году А.Комптону была присуждена Нобелевская премия

С точки зрения волновых представлений механизм рассеяния состоит "в раскачивании" электронов электромагнитным полем падающей волны. Колеблющийся электрон должен в свою очередь излучать электромагнитную волну, имеющую частоту, равную частоте колебаний электрона, т.е. частоте падающей волны. Таким образом, свободные электроны рассеивают излучение, причем частота рассеянных волн должна равняться частоте падающих.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам — электронам, протонам, атомам и так далее, причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов.

Литература и ресурсы

• http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN
• https://ru.wikipedia.org/wiki
• http://teachmen.ru/work/comptonL/
• http://dphotoworld.net/index/kak_zarodilas_cvetnaja_fotosemka/0-94
• http://infonositeli.narod.ru/page-3.html