الفوتون وطاقته: ما هي الطاقة المطلوبة التي يكون فيها للفوتون نفس كتلة الإلكترون الساكن

الفوتون هو كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وهو جسيم أولي بدون شحنة كهربائية وكتلة في حالة سكون. ومع ذلك ، فإن الفوتون له طاقة يتم تحديدها من خلال تردده أو ، على نحو مكافئ ، طوله الموجي. وفقا لصيغة أينشتاين الشهيرة هـ = مولودية^2 ، ترتبط طاقة كتلة الجسيم بكتلته ، حيث ج هي سرعة الضوء في الفراغ. مثل الجسيمات الأولية الأخرى ، يكون للفوتون كتلة صفرية عند السكون ، لكن طاقته مرتبطة بتردده أو طوله الموجي.

ومع ذلك ، هناك سؤال مثير للاهتمام: في أي طاقة من الفوتون ستكون كتلته مساوية لكتلة الإلكترون المستريح? تبلغ كتلة الإلكترون الساكن حوالي 511 كيلو إلكترون فولت (كيلو فولت) ، أو 9.10938356^10 ^ -31 كجم. يمكن الحصول على إجابة هذا السؤال باستخدام النسبة المعروفة بين الطاقة والكتلة وسرعة الضوء: ه = مولودية^2.

لتحديد طاقة الفوتون ، حيث تكون كتلته مساوية لكتلة الإلكترون في حالة السكون،يمكنك استخدام النسبة المعروفة ه = مولودية^2. باستبدال كتلة الإلكترون الساكن وسرعة الضوء في الفراغ في هذه المعادلة ، يمكننا تحديد طاقة الفوتون المطلوبة. ستكون الطاقة المطلوبة مساوية لكتلة الإلكترون الساكن مضروبة في مربع سرعة الضوء.

ستكون الطاقة الناتجة مساوية لعدة ميغا إلكترون فولت أو 10^-12 جول. من المهم ملاحظة أن طاقة الفوتون لا يمكن أن تكون سالبة أو أقل من الصفر ، لذا فإن الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من أو تساوي الطاقة المطلوبة سيكون لها كتلة مماثلة لكتلة الإلكترون في حالة السكون.

1. الفوتون وطاقته
2. صيغة طاقة الفوتون
3. كتلة الفوتون والإلكترون
4. نسبة الطاقة والكتلة
5. الطاقة الأولية للإلكترون يستريح
6. الطاقة المطلوبة للفوتون
7. تأثير الكتلة السلبية
8. تحقيق المساواة في كتلة الفوتون والإلكترون
9. سؤال وجواب
10. ما هي الطاقة المطلوبة التي الفوتون سيكون لها نفس كتلة الإلكترون ثابتة?
11. ما هو الحد الأدنى من الطاقة التي الفوتون يمكن أن يكون لها كتلة مماثلة لتلك التي من الإلكترون في بقية?
12. يمكن الفوتونات لها كتلة مماثلة لتلك التي من الإلكترون?
13. هل هناك اتصال بين الطاقة من الفوتون وكتلته?
14. يمكن للفوتون, وجود طاقة معينة, لها كتلة مشابهة للإلكترون في حالة السكون?

الفوتون وطاقته

الفوتون هو جسيم أولي ليس له كتلة في حالة السكون. يوصف بأنه كم من الضوء أو الإشعاع الكهرومغناطيسي. يتم احتواء كل طاقة الفوتون في شكله الموجي ، وترتبط كتلته بهذه الطاقة.

يتم تحديد طاقة الفوتون ، المعبر عنها بالإلكترون فولت (فولت) ، من خلال طوله الموجي وفقا للصيغة التالية:

ه = هك / λ

أين:

• ه هي طاقة الفوتون
• ح هو ثابت بلانك (6.62607015 1 10^-34 ي * ق)
• ج هي سرعة الضوء (299 ، 792 ، 458 م / ث)
• wavelength هو الطول الموجي للفوتون

بالنسبة للفوتون الذي تساوي كتلته كتلة الإلكترون الساكن (9.10938356^10 ^ -31 كجم) ، يجب أن تكون طاقته قيمة معينة. للعثور على هذه الطاقة ، تحتاج إلى استخدام الصيغة:

ه = مولودية^2

أين:

• ه هي طاقة الفوتون مع كتلة الإلكترون
• م هي كتلة الإلكترون
• ج هي سرعة الضوء

باستبدال القيم وحل المعادلة ، نحصل على طاقة الفوتون المطلوبة:

ه = (9.10938356 × 10^-31 كجم) × (299 ، 792 ، 458 م / ث)^2

يتم حساب النتيجة بالجول (ي) ، وبناء على هذه القيمة ، يمكن تحديد طاقة الفوتون في إلكترون فولت.

وبالتالي ، فإن الطاقة المطلوبة التي يكون عندها للفوتون كتلة مماثلة لكتلة الإلكترون الساكن تساوي: 4.1767 1 10^-14 ج.

صيغة طاقة الفوتون

طاقة الفوتون هي الكمية الفيزيائية الرئيسية المرتبطة بخصائصها وتفاعلها مع الجسيمات الأخرى والحقل. ترتبط الصيغة التي تحدد طاقة الفوتون بترددها وثابت بلانك.

تبدو صيغة طاقة الفوتون كما يلي:

ه = هف

أين:

• ه هي طاقة الفوتون;
• ح هو ثابت بلانك (حوالي 6.62607015 × 10-34 ي * ق);
• و هو تردد الفوتون.

يتم تحديد تردد الفوتون بواسطة الصيغة:

و = ج / λ

أين:

• ج هي سرعة الضوء في الفراغ (حوالي 299 ، 792 ، 458 م / ث);
• wavelength هو الطول الموجي للفوتون.

وبالتالي ، لحساب طاقة الفوتون ، من الضروري معرفة تردده أو طوله الموجي. طاقة الفوتون تتناسب طرديا مع التردد وتتناسب عكسيا مع الطول الموجي.

الآن ضع في اعتبارك الحالة التي يكون فيها للفوتون نفس كتلة الإلكترون الثابت. استنادا إلى نظرية النسبية الخاصة ، يمكن للمرء استخدام صيغة أينشتاين ، التي تربط الطاقة والكتلة وسرعة الضوء:

ه = مك2

أين:

• ه هي طاقة الفوتون تساوي طاقة الإلكترون في حالة السكون;
• م هي كتلة الفوتون ، تساوي كتلة الإلكترون الساكن;
• ج هي سرعة الضوء في الفراغ.

من هذه الصيغة ، يمكن استنتاج أن طاقة الفوتون ، التي تكون كتلتها هي نفسها طاقة الإلكترون الساكن ، تساوي مربع سرعة الضوء مضروبا في كتلة الإلكترون الساكن.

كتلة الفوتون والإلكترون

من المعروف أن الفوتون هو جسيم أولي بدون كتلة في حالة سكون. ومع ذلك ، قد تنشأ مسألة كتلة الفوتون في سياق الفيزياء النسبية ، عندما يتحرك الجسيم بسرعة قريبة من سرعة الضوء. في هذه الحالة ، يكتسب الفوتون الطاقة والكتلة الفعالة.

تبلغ كتلة الإلكترون في إطار مرجعي للراحة حوالي 9.10938356^10 ^ -31 كجم. إن مسألة ما هي الطاقة اللازمة للفوتون للحصول على نفس الكتلة تستحق دراسة أكثر تفصيلا.

وفقا لصيغة أينشتاين ، ترتبط طاقة (هـ) الفوتون بكتلته (م) من خلال المعادلة هـ=مولودية^2 ، أين ج هي سرعة الضوء.

وبالتالي ، لكي يكتسب الفوتون نفس كتلة الإلكترون ، يجب أن تكون طاقته مساوية لطاقة الإلكترون في حالة السكون. يمكن حساب ذلك بضرب كتلة الإلكترون في مربع سرعة الضوء.

اتضح أن الطاقة المطلوبة للفوتون مع كتلة الإلكترون تساوي:

1. حول كتلة الإلكترون من كجم إلى إلكترون فولت باستخدام الصيغة 1 فولت = 1.60218 ^10 ^ -19 كجم. نحصل على: 9.10938356^10 ^ -31 كجم = 0.5109989461 إلكترون فولت.
2. اضرب الكتلة الناتجة في مربع سرعة الضوء في الفراغ (ج^2) ، أين ج = 299792458 م/ث. نحصل على: 0.5109989461 إلكترون فولت * (299792458 م/ث) ^2 = 4.56813 1 10^-22 إلكترون فولت.

وبالتالي ، لكي يكتسب الفوتون نفس كتلة الإلكترون الساكن ، يجب تزويده بطاقة تساوي 4.56813 1 10 ^ -22 ميغا إلكترون فولت.

نسبة الطاقة والكتلة

من المعروف على نطاق واسع في الفيزياء أن الكتلة والطاقة مترابطتان. هذا يرجع إلى صيغة أينشتاين الشهيرة:

ه = مك2

أين ه هي الطاقة ، م هي الكتلة ، ج هي سرعة الضوء.

الفوتون ، كجسيم أولي ، ليس له كتلة راحة. ومع ذلك ، يمكن تحديد طاقة الفوتون باستخدام الصيغة:

ه = هف

أين ه هي طاقة الفوتون ، ح هو ثابت بلانك ، و هو تردد الفوتون.

لإيجاد طاقة الفوتون الضرورية ، والتي تتوافق مع الكتلة الباقية للإلكترون ، يجب أن نعين قيمة للكتلة الباقية للإلكترون ونحل محل ثابت بلانك وسرعة الضوء في الصيغة:

أنا = الجيش الشعبي / ج2

حيث أنا هو بقية كتلة الإلكترون ، الجيش الشعبي هي طاقة الفوتون ، ج هي سرعة الضوء.

بأخذ الكتلة الباقية للإلكترون تساوي 9.10938356 1 10-31 كجم ، وباستخدام القيم المعروفة لـ ج و ح ، يمكننا تحديد طاقة الفوتون الضرورية ، والتي سيكون لها نفس كتلة الإلكترون الساكن.

استبدال القيم في الصيغة ، نحصل على:

الجيش الشعبي = لي c ج2 / 2

التقريب إلى ثلاثة منازل عشرية ، نحصل على:

الجيش الشعبي 8 8,187 J 10-14 ي

وبالتالي ، فإن الطاقة المطلوبة للفوتون ، والتي سيكون لها كتلة مماثلة لكتلة الإلكترون الساكن ، تبلغ حوالي 8187 J 10-14 ج.

الطاقة الأولية للإلكترون يستريح

يتم تحديد الطاقة الأولية للإلكترون في حالة السكون من خلال كتلته وخاصية تعرف باسم طاقة السكون. ترتبط هذه الطاقة بكتلة الإلكترون بالصيغة هـ = مك2 ، أين ه هي طاقة الإلكترون الساكن ، م هي كتلته ، ج هي سرعة الضوء. بالنسبة للإلكترون ، تبلغ كتلته حوالي 9.10938356 kg 10-31 كجم.

لذلك ، فإن الطاقة الأولية للإلكترون ستكون:

وبالتالي ، فإن الطاقة الأولية للإلكترون الساكن تبلغ حوالي 8.18710565 1 10-1 ك.

الطاقة المطلوبة للفوتون

الفوتون هو جسيم أولي ليس له كتلة في حالة السكون. ومع ذلك ، وفقا لصيغة أينشتاين الشهيرة هـ=مولودية^2 ، ترتبط طاقة أي جسيم بكتلته. من أجل تحديد الطاقة المطلوبة للفوتون ، من الضروري معرفة كتلة الإلكترون الساكن.

تبلغ كتلة الإلكترون الساكن حوالي 9.10938356^10 ^ -31 كجم. لكي يكون للفوتون نفس الكتلة ، يجب تطبيق طاقة مساوية لطاقته الكامنة في حالة السكون.

يمكن حساب الطاقة الكامنة للإلكترون الساكن باستخدام الصيغة ه=مولودية^2 ، أين ه هي الطاقة ، م هي كتلة الجسيم في حالة السكون ، ج هي سرعة الضوء في الفراغ (حوالي 3 1 10^8 أمتار في الثانية).

وبالتالي ، فإن الطاقة المطلوبة للفوتون ستكون مساوية لـ:

ه = (9.10938356^10 ^ -31 كجم) × (3 1 10^8 م / ث)^2 = 8.18710535 × 10^-14 جول

هذا يعني أنه لكي يكون للفوتون نفس كتلة الإلكترون الساكن ، يجب تطبيق طاقة تساوي حوالي 8.19 فيمتوجول.

تأثير الكتلة السلبية

تأثير الكتلة السلبي هو أحد الظواهر المثيرة للاهتمام المتعلقة بالفوتونات وطاقتها. في الفيزياء المألوفة لدينا ، جميع الجسيمات لها كتلة موجبة ، ولكن في بعض النظريات يفترض أن الجسيمات ذات الكتلة السالبة يمكن أن توجد.

في نظرية المجال الكمي ، هناك مفهوم للجسيمات الافتراضية التي يمكن أن تنشأ نتيجة للتقلبات الكمومية. أحد هذه الجسيمات الافتراضية هو الفوتون. عادة ما تعتبر الفوتونات عديمة الكتلة ، ولكن إذا افترضنا إمكانية وجود فوتونات ذات كتلة سالبة ، فإن هذا سيفتح آفاقا جديدة في الفيزياء.

أحد الأسئلة المثيرة للاهتمام في هذا المجال هو تحديد الطاقة اللازمة للفوتون ليكون له نفس كتلة الإلكترون الثابت. تبلغ كتلة الإلكترون الساكن حوالي 9.10938356^10 ^ -31 كجم. باستخدام صيغة أينشتاين الشهيرة هـ = مولودية^2 ، من الممكن حساب الطاقة المطلوبة لتحويل كتلة الفوتون إلى كتلة إلكترون.

استبدال القيم في الصيغة ، نحصل على:

ه = (9.10938356^10 ^ -31 كجم) × (299.792.458 م/ث)^2

ستكون النتيجة الطاقة بالجول اللازمة لتحويل الفوتون إلى إلكترون.

تحقيق المساواة في كتلة الفوتون والإلكترون

الفوتون هو جسيم أولي ليس له كتلة في حالة السكون. ومع ذلك ، هناك ظروف يمكن أن تكون فيها طاقة الفوتون مساوية لكتلة الإلكترون في حالة السكون.

وفقا لنظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين ، ترتبط الكتلة والطاقة بالصيغة هـ = مك2 ، أين ه هي الطاقة ، م هي كتلة الجسيم ، و ج هي سرعة الضوء في الفراغ.

لتحقيق المساواة بين كتلة الفوتون والإلكترون ، من الضروري أن تكون طاقة الفوتون مساوية لكتلة الإلكترون في حالة السكون، أي,:

افوتون = ميليكترون * ج2

بالتعبير عن كتلة الإلكترون من حيث طاقة الفوتون ، نحصل على:

إلكترون = إفوتون / ج2

وبالتالي ، لكي يكون للفوتون نفس كتلة الإلكترون الساكن ، يجب أن تكون طاقته مساوية للطاقة المحسوبة بالصيغة أعلاه.

إن المساواة في كتلة الفوتون والإلكترون لها عواقب مادية وعملية مهمة. يشرح الظواهر المرتبطة بتفاعل الفوتونات والإلكترونات في الذرات والجزيئات ، كما أنه يكمن وراء التأثير الكهروضوئي والإلكترونيات الضوئية.

سؤال وجواب

ما هي الطاقة المطلوبة التي الفوتون سيكون لها نفس كتلة الإلكترون ثابتة?

لتحديد هذه الطاقة ، من الضروري استخدام صيغة أينشتاين الشهيرة هـ=مولودية^2 ، أين ه هي الطاقة ، م هي الكتلة و ج هي سرعة الضوء. بالنسبة للفوتون ، وهو جسيم عديم الكتلة ، فإن الكتلة تساوي صفرا ، لذا فإن طاقتها تساوي صفرا أيضا.

ما هو الحد الأدنى من الطاقة التي الفوتون يمكن أن يكون لها كتلة مماثلة لتلك التي من الإلكترون في بقية?

وفقا لنظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية ، لا يمكن للفوتون اكتساب كتلة بالمعنى الكلاسيكي. ومع ذلك ، فإن بعض النماذج الفيزيائية ، مثل نموذج هيغز ، تفترض وجود جسيمات أولية تسمى بوزونات غولدستون ، والتي يمكن أن تعطي كتلة للفوتون. ومع ذلك ، من أجل تحديد الحد الأدنى من الطاقة التي يكون ذلك ممكنا ، من الضروري إجراء تجارب ومزيد من البحث.

يمكن الفوتونات لها كتلة مماثلة لتلك التي من الإلكترون?

وفقا للنظريات الفيزيائية الحديثة ، الفوتونات هي جسيمات عديمة الكتلة. هذا يعني أن كتلتها تساوي صفرا. في نظرية هيغز ، هناك فرضية حول إمكانية وجود كتلة من الفوتونات ، ولكن حتى الآن لا توجد بيانات تجريبية تؤكد هذا الافتراض.

هل هناك اتصال بين الطاقة من الفوتون وكتلته?

وفقا لنظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين ، ترتبط الطاقة والكتلة بالصيغة هـ = مولودية^2 ، أين ه هي الطاقة ، م هي الكتلة و ج هي سرعة الضوء. ومع ذلك ، بالنسبة للفوتون ، وهو جسيم عديم الكتلة ، تكون الكتلة صفرا ، ويتم تحديد الطاقة فقط من خلال ترددها وطولها الموجي.

يمكن للفوتون, وجود طاقة معينة, لها كتلة مشابهة للإلكترون في حالة السكون?

هناك حدود مادية لطاقة الفوتون التي يمكن أن تبدأ في الحصول على كتلة. ومع ذلك ، وفقا للنظريات الفيزيائية الحديثة ، لا يمكن أن يحدث مثل هذا الموقف. الفوتونات هي جسيمات عديمة الكتلة وكتلتها دائما صفر ، بغض النظر عن الطاقة.