ФОТОНЫ, СПЕКТРЫ И ЦВЕТ

I. Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение представляет собой поток особых частиц - фотонов (photon = «светон» по-русски). Эти частицы, которые принято обозначать символом γ (или hn), все время летят с огромной скоростью c = 300 000 км/с = 3·1010 см/с в вакууме (несколько медленнее в прозрачных конденсированных средах). Направление движения и скорость представляют собой вектор скорости , который является фундаментальным свойством (атрибутом) фотона (при этом скорость и направление, как правило, независимы). Фотон обладает электрическим и магнитным полями, которые совершают противофазные гармонические колебания перпендикулярно направлению полета фотона с частотой n (Гц = с-1). Эта частота неизменна и является атрибутом фотона.

За период (т.е. за время одного колебания) фотон пролетает в вакууме расстояние l = c/n, которое называется «длина волны». Длине волны 550 нм (это наиболее яркий цвет для нашего глаза) соответствует частота 5,455·1014 Гц = 545,5 ТГц. Условно можно считать, что размер фотона равен (соответствует) величине l.

Рис. 1. Схема движения фотона.

- фотон и его спиральная траектория;  - вектор скорости фотона; - вектор напряженности магнитного поля; - вектор напряженности электрического поля фотона; l - длина волны.

На рис. 1 показана схема движения фотона. Плоскость колебаний вектора H называется плоскостью поляризации или просто поляризацией фотона; плоскость колебаний вектора E так и называется - плоскость колебаний. В вакууме эти плоскости фиксированы (неизменны) в пространстве, поэтому поляризация является одним из атрибутов фотона.

Если провести кривую через сумму векторов H и E (сумма векторов равна диагонали прямоугольника, сторонами которого являются слагаемые вектора) получится спираль, закрученная либо по часовой стрелке (правая спираль), либо против часовой стрелки (как на рис. 1, левая спираль). Эти две возможные пространственные траектории соответствуют квантово-механическому свойству элементарных частиц, которое называется «спин» и которое у фотона имеет 2 состояния (±1). Спин и соответствующая спиральность представляют собой важное фундаментальное свойство фотона. Важнейшим атрибутом фотона является его энергия: Eγ = h·n = h·c/l; здесь h = 6,626·10-34 Дж·с – фундаментальная физическая константа, которая называется «постоянная Планка»; c - скорость света в вакууме.

Энергии фотонов видимого света расположены в диапазоне от ~160 кДж/моль (дальний красный свет) до ~310 кДж/моль (дальний фиолетовый свет). Для l = 550 нм (см. выше) Eγ = NA·3,614·10-19 Дж/(моль g) = ~218 кДж/моль (NA = 6,022·1023 моль−1 - число Авогадро).

Для сравнения «условно средняя» энергия гамма-квантов (фотонов гамма-излучения) около 5∙1011 Дж/моль = 500 000 000 кДж/моль(!), а энергия, выделяемая при окислении глюкозы до CO2 и H20, составляет ~2870 кДж/моль[1], однако в организме большая часть (~60%) этой энергии рассеивается (переходит в тепло) и запас химической энергии составляет ~1145 кДж/моль глюкозы - это 36 молекул АТФ с энергией гидролиза ~31,8 кДж/моль АТФ.

Таким образом, существует 5 фундаментальных свойств фотона: скорость, направление, поляризация, энергия (или сопряженная частота) и спин (или сопряженная спиральность).

Монохромное (монохроматическое) и гетерохромное излучение. ............