То, что мы называем светом, это всего-навсего поток фотонов (квантов) разных частот, излучаемых источником (антенной). Если быть точнее, то фотоны излучаются электронами, находящимися как в составе электронной оболочки атома, так и в свободном состоянии. Но для того, чтобы электрон эмитировал (излучил) фотон, ему нужно перейти в возбужденное состояние.
В учебнике физики рассматриваются следующие случаи излучения (эмиссии) фотонов электронами: при поглощении атомом проходящего фотона; при ускорении или торможении электрона (атома) под воздействием внешних сил (например магнитного поля); при электрических процессах; при аннигиляции электрона и позитрона; при рекомбинации нуклонов в процессе ядерного синтеза; при процессе распада атомного ядра. Но даже в последних двух случаях мы всё равно имеем дело с электроном, который входит в состав нейтрона. Таким образом, фотон (свет) излучается электроном. Это происходит тогда и только тогда, когда на электроны оказывают воздействие внешние силы. То есть, излучение фотонов является реакцией электронных оболочек атомов или свободных электронов на любые виды внешних воздействий. А если рассматривать проблему в более широком смысле, то при любых видах внешних воздействий на Материю, она начинает излучать Свет (фотоны, кванты).
Что же происходит дальше с излучённым фотоном? А дальше он летит в пространстве (вакууме) до тех пор, пока не "наткнётся" на атом, атомное ядро или свободный электрон (позитрон). На этом существование фотона заканчивается. Он поглощается электроном, электронной оболочкой атома, - электрон так устроен, что при любых взаимодействиях с фотоном, он всегда поглощает фотон. Но..., поглотив фотон, электрон переходит в возбуждённое состояние и... Процесс начинается с самого начала.
Здесь можно написать, что возбуждённые состояния электронов дискретны, что энергия излучаемого фотона равна энергии перехода электрона из одного дискретного состояния в другое, которая в свою очередь, пропорциональной частоте самого фотона. Что фотон обладает спином, импульсом. Но любопытный читатель это может прочитать сам с помощью учебника физики или найти в интернете.
Жёсткая связка "электрон - фотон", когда фотон излучается одним электроном и поглощается другим электроном, который в свою очередь излучает новый (вторичный) фотон, заставляет нас задать себе два вопроса:
- каково время существования свободного фотона в однородной среде?
- какова длина пробега свободного фотона в однородной среде?
Для простоты рассмотрим идеальную однородную по всем направлениям среду, состоящую из атомов, имеющих один электрон на оболочке, например межзвездная среда, состоящая из атомарного водорода. Расстояние между атомами среды приблизительно одинаково. Теперь попробуем определить какое максимально возможное расстояние в этой среде способен преодолеть свободный фотон.
С этой целью представим воображаемую матрицу, состоящую из атомов водорода, плотно прилегающих один к другому, толщиной в один атом. Диаметр атома водорода 1 ангстрем или одна миллиардная доля метра – 1 нанометр. В одном квадратном метре нашей матрицы будет «упаковано» 10^18 (десять в 18-ой степени) атомов водорода. Электронные оболочки атомов этой матрицы с вероятностью 85-90% поглотят любой фотон, который "попытается" пролететь через неё.
Зная количество атомов среды в 1 кубическом метре, и поделив его на количество атомов нашей матрицы, мы определим сколько раз любой фотон будет поглощён и переизлучен на атомах среды, если попытается пролететь через неё.
Рассмотрим для примера нашу атмосферу.
В одном кубическом метре воздуха при нормальных условиях содержится 2,68х10^25 молекул воздуха (число Лошмидта). Пусть и с небольшой натяжкой, будем считать воздух моделью идеального газа.
Разделив 2,68х10^25 на 10^18 получим 26 800 000 раз
Мы получили количество поглощений и переизлучений фотонов при прохождении всего через 1 погонный метр воздушной среды. Назовем эту величину р - линейной плотностью среды.
Таким образом, длина пробега свободного фотона в воздухе приблизительно равна
1 / 2,7х10^7 , или 10^-7 метра (одной десятимиллионной доли метра / одной десятитысячной доли миллиметра).
Время существования T любого свободного фотона вычисляется, как отношение длины свободного пробега L к скорости света c.
Т = L / c = 10^-7 / 2.99х10^8 = 10^-15 сек (10 в степени минус 15).
Если мы проведем аналогичные рассуждения для межпланетной среды, с плотностью 10^4 ~ 10^5 атомов на 1 см^3 (10^10 ~ 10^11 атомов на 1 м^3), то результаты будут следующими: 1 цикл переизлучения на 10 000 ~ 100 000 км. То есть «время жизни» свободного фотона в межпланетной среде будет составлять от 0,03 до 0,3 секунд. Если принять во внимание, что свет проходит расстояние от Солнца до Земли приблизительно за 500 секунд, то за это время фотоны не менее 1500 раз пройдут циклы поглощения-излучения.
Для межзвёздной среды, с плотностью 10^3 ~ 10^4 атомов на 1 см^3 (10^9 ~ 10^10 атомов на 1 м^3), эти числа будут соответственно: 100 000 ~ 1 000 000 км и 0,3 ~ 3 сек.
Мы увидели, что в обычных комнатных условиях время существования среднего фотона ничтожно мала (10^-15 секунды). А в масштабах Вселенной время существования любого свободного фотона не превышает 3 ~ 5 секунд, за которое он способен преодолеть расстояние не более 1 ~ 2 миллионов километров. Это для самых отдалённых и разреженных участков межзвёздной среды.
Вот теперь мы, уважаемые читатели, подошли к главному ради чего столь долго проводили эти утомительные выкладки.
Когда мы говорили о поглощении атомом идеального газа набегающего фотона и переходе электрона из основного состояния в возбуждённое, об эмиссии фотона и переходе электрона обратно в основное состояние, то должны были понимать, что все эти события являются процессами, т.е. имеют четкую последовательность и временной фактор. Иными словами, продолжительность процесса поглощения фотона и перехода электрона в возбужденное состояние всегда больше нуля. Как и продолжительность процесса эмиссии вторичного фотона и перехода электрона на нижележащий уровень, так же больше нуля. И, соответственно, суммарное время переизлучения фотона на атоме больше нуля. Пусть каждый этап – поглощение, возбуждение, эмиссия, возвращение на основной уровень - занимают очень небольшой промежуток времени, но это время, которое отводится на весь процесс переизлучения, существует.
И, как мы увидим дальше, переизлучение оказывает на весь процесс прохождения потока фотонов через изотропную среду весьма существенное влияние.
Попробуем определить сколько потребуется времени Т потоку фотонов для того, чтобы преодолеть расстояние L = 1 метр однородной среды с линейной плотностью р .
Это время будет состоять из двух частей:
- первая часть – это время, за которое фотон преодолеет расстояние L = 1 метр со скоростью с
Т1 = L / с = 1 / c где с - скорость фотонов в абсолютном вакууме;
- вторая часть – это время потраченное фотонами на процессы переизлучения на каждом атоме среды.
Т2 = р t где t - время процесса переизлучения;
- Суммарное время Т = Т1 + Т2
Т = (1 / с) + р t = (1 + с р t) / с
И, как результат, выведем формулу скорости U потока фотонов в однородной среде
U = L / T = 1 / ((1 + с р t) / с) = с / (1 + с р t)
Из формулы видно, что для любых положительных значений линейной плотности р и времени переизлучения t, величина U скорости потока фотонов в однородных средах не может превысить значения с скорости фотонов в абсолютном вакууме.
Это означает, что в любых физических средах скорость U света - потока фотонов всегда строго меньше, чем скорость С потока фотонов в абсолютном вакууме.
Я думаю, что на сегодня физики будет достаточно.
Вы спросите, а где обещанный фейерверк и раздача слонов? Сейчас, одну минуточку.
Всё, что описано выше, относится к электронам и фотонам.
Но есть ещё одна физическая частица, которая также движется со скоростью фотонов в абсолютном вакууме, и при этом не взаимодействует с электронами. За счёт этой своей уникальной способности она может проходить сквозь любые тела и среды, практически "не замечая" их. Единственный способ обнаружить эту частицу – это дождаться прямого её попадания в ядро атома водорода и, когда она будет поглощена протоном ядра и передаст ему свой импульс, ядро передаст импульс на электронную оболочку, та перейдёт в возбуждённое состояние и излучит фотон, который будет зарегистрирован датчиком. Вы, конечно же догадались, о какой частице идёт речь.
Это нейтрино.
И нейтрино, и фотоны в пустоте движутся равномерно, прямолинейно, с одинаковой скоростью. Но стоит им попасть в среду, как фотоны тот час же начинают поглощаться электронными оболочками атомов среды. И, за счёт неизбежных процессов переизлучения, занимающих пусть малое, но вполне осязаемое время, потоки фотонов начинают неумолимо отставать от потоков нейтрино.
Если мы подставим в формулу скорости света в среде
U = c / (1 + c p t) значение для t = 0 (нейтрино не переизлучается), то
U = c
Это означает, что скорость потока нейтрино в среде всегда выше скорости потока фотонов в среде - скорости света в среде.
И воздух, и вода, и межпланетное, и межзвёздное пространство – это среды. Среды с определённой плотностью вещества. И та величина скорости света, которой мы пользуемся:
299 792 458 ± 1,2 м/с – это скорость потока фотонов в Среде.
Когда 22 сентября 2011 года объединённая группа европейских физиков OPERA объявила о регистрации возможного превышения скорости света мюонными нейтрино, это событие было встречено в штыки "мировым научным сообществом". Исследователей заставили отказаться от открытия и прилюдно покаяться во всех смертных грехах, включая неумение втыкать вилку в розетку. Но я всё же надеюсь на то, что скоро это "недоразумение" будет преодолено.
Михаил ХАЛИУЛОВ
Следующая статья будет посвящена теме:
КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ ПРОЗРАЧНОСТИ ИЗОТРОПНЫХ СРЕД.
ЭФФЕКТ МЕССБАУЭРА ИЛИ ЧТО ТАКОЕ ФОТОННЫЙ ИМПУЛЬС
Оценили 19 человек
66 кармы