Фотон

В статьях 1. Квант энергии, из чего он состоит и 2. Квант энергии, как устроен и как движется мы рассмотрели устройство кванта энергии. И увидели, что с понятием кванта тесно связано понятие фотон. В классической науке пока нет четкого понятия, что такое фотон и что такое квант. Это одно и то же? Или это разные понятия? Или между ними существует некоторая корреляция? Все стыдливо употребляют то или иное понятие, чувствуют, что тут что-то не так, но не обостряют этот вопрос. А ведь между этими двумя понятиями пролегает ясный водораздел.

Квант определен как самая минимальная фиксированная величина энергии. Природа любит все квантовать. Этот принцип распространяется и на количество энергии.

А как же получить порцию энергии большую, чем ее содержится в одиночном кванте? Да очень просто: надо набрать определенное количество маленьких порций энергии, то есть квантов энергии. Примерно, как из молекул воды можно набрать каплю воды, стакан воды, пруд и так далее.

Можно конечно набрать любое количество энергии одиночными квантами, но природа поступила чуть по-другому. У нее получилось так, что она приобрела свойство объединять одиночные кванты в группы с различным количеством квантов энергии.

Такие группы квантов можно называть фотонами, точнее – элементарными фотонами.

Энергия такого элементарного фотона будет зависеть от количества, содержащихся в нем квантов. По этой причине одни фотоны могут вызывать фотоэффект, а другие нет, с какой бы частотой они не следовали друг за другом, то есть какой бы интенсивности их поток не был.

При генерации кванта двойной энергии никакой модификации кванта не происходит, а энергия этого образования, двойного кванта (8 бусин) или если угодно фотона, будет строго удвоена излучением двух одинарных минимальных квантов. Согласно, нашей графике так будет выглядеть фотон, содержащий 4 кванта (Рис. 1).

Такие элементарные фотоны генерируются одиночными электронами. Чем большую силу мы приложим к электрону, тем большей энергии будет излучен фотон, то есть тем больше будет в нем волн (квантов), и он будет тем длиннее.

Рассмотрим работу обычного LC-контура в передатчике. Внешней силой от блока питания мы заставляем двигаться электроны от одной пластины конденсатора к другой, а затем обратно и т.д. На электроны действует внешняя сила, силы взаимного отталкивания, магнитные силы. На каждый электрон действуют разные силы, но обще выраженное направление есть: от пластины к пластине. Не все электроны пробегают этот путь. Те электроны, которые пробегут этот весь путь, получив самое большое ускорение, те и генерируют самые длинные с самой большей энергией элементарные фотоны (суммы одиночных квантов). Электроны, совершившие более короткий путь, излучат элементарные фотоны меньшей энергии. В совокупности эти элементарные фотоны мы и наблюдаем в виде радиоволны или радио фотона. Получаются пучки, связки элементарных фотонов. Точно также как мы наблюдаем волну на воде, не замечая неровностей от молекул, составляющих волну.

Примерно так представляется автору содержание фотона (Рис. 2).

Такие группы элементарных фотонов составляют любой вид излучения. Если в группе элементарные фотоны самые короткие, то это реликтовое излучение. Такую группу, конечно, можно назвать квантом реликтового излучения, но это будет квант по отношению к реликтовому излучению. По отношению к нейтрино – это группа квантов, а по отношению, например, к излучению видимого спектра, это часть фотона видимого спектра. По этой причине такую группу элементарных фотонов все-таки удобней называть фотоном такого-то излучения. Энергия фотона зависит от суммы энергий всех элементарных фотонов, составляющих данный фотон. А мощность излучения будет зависеть от мощности фотонов и частоты следования этих фотонов. Частота следования данных групп зависит от режима генерации.

Форма вида изображенного на рисунке фотона чисто условная. Мы привыкли к синусоиде, вот огибающая и выбрана в виде синусоиды. Естественно, что в группе или волне может быть больше тройных фотонов, или двойных, и располагаться они могут по-разному относительно самого большого фотона, который, вернее которые, определяют вид излучения. В процесс излучения электроны могут включаться в разное время. То есть фотоны имеют возможность сдвигаться друг относительно друга, но предполагается, что сдвиг этот может быть только дискретным на величину кванта.

Форма фотона, излучаемая лазером, должна быть примерно, такой как изображено на Рис. 3.

Все электроны рабочего тела лазера находятся примерно в одинаковом состоянии, поэтому они одинаково изменяют свой скоростной режим и благодаря этому излучают примерно одной и той же энергии элементарные фотоны. И поток таких фотонов имеет большое преимущество перед фотоном, который изображен на Рис. 2. Элементарные фотоны в луче фонарика имеют различную энергию. Вероятность того, что некоторые из них будут поглощены молекулами среды распространения, в частности воздуха, довольно велика и поэтому луч быстро теряет свою интенсивность, то есть светит не слишком далеко. В луче лазера элементарные фотоны почти одинаковые и поэтому, если в среде распространении будет даже очень много резонансных частиц для таких элементарных фотонов, то эти частицы поглотят небольшую часть таких фотонов и выйдут из игры. Путь для последующих элементарных фотонов окажется свободным, и луч будет распространяться на много дальше, не затухая и не рассеиваясь.

Таким образом, фотон можно определить следующим образом.

Фотон – это форма организации объединения квантов в тот или иной вид электромагнитного излучения.

Человечество в основном работает с фотонами, изображенными на рисунках 2 и 3. Это почти все виды электромагнитных излучений. Мы можем измерять и генерировать последовательности таких пакетов. Природа работает с элементарными фотонами. Все химические реакции в основном протекают в результате излучения и поглощения элементарных фотонов или небольшой суммы элементарных фотонов. Обычно это какой-нибудь индивидуальный рабочий фотон и дополнительный к нему катализирующий фотон. Особенно это распространено в биологии. Суммы фотонов запускают все биологические реакции вплоть до голографической картины морфологии живых организмов.

Когда ученые пытаются в живом организме измерить какой-нибудь электрический ток или потенциал, то они измеряют потоки фотонов в виде солитонов, представленных на рисунке 2. В них элементарные фотоны относятся к различным молекулярным процессам, которые происходят под воздействием на организм экспериментатора. А чтобы понять, например, процесс возникновения и роста раковых клеток в легких, следует выделить именно тот поток элементарных потоков, который запускает в легочных клетках транскрипцию тех белков, которые не свойственные легочным тканям.

Естественно работать с элементарными, особенно одиночными, фотонами мы пока работать не можем и даже не понимаем, что это нужно.