Photon là gì? Ứng dụng năng lượng photon trong khoa học và đời sống

Năng lượng Photon được ứng dụng nhiều trong vật lý, mang lại rất nhiều hữu ích trong cuộc sống. Để tìm hiểu thông tin chung về năng lượng Photon là gì? công thức như thế nào, các bạn hãy cùng tìm hiểu thông tin ngay bài viết dưới đây của Trang tài liệu nhé!

Năng lượng Photon là gì?

Khái niệm: Photon là lượng hay lượng tử bức xạ điện từ có kích thước nhỏ, nằm rời rạc. Đây là đơn vị cơ bản của ánh sáng.

Photon luôn luôn chuyển động và nằm trong chân không, truyền với tốc độ không đổi theo các chiều quan sát là 2.998 x 108 m/s. Đây được gọi là tốc độ ánh sáng, ký hiệu bằng chữ C.

Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, photon có năng lượng bằng với tần số dao động của chúng nhân với hằng số Planck. Einstein đã chứng minh: Ánh sáng là một dòng các photon, năng lượng của các photon là độ cao của tần số dao động và cường độ của ánh sáng tương ứng với số photon. Về cơ bản, cách một dòng photon hoạt động như một sóng và hạt.

Thuộc tính photon là gì?

Photon có các tính chất cơ bản như sau:

• Photon có khối lượng và năng lượng nghỉ bằng không và tồn tại dưới dạng hạt chuyển động.
• Photon là các hạt cơ bản tuy thiếu khối lượng nghỉ.
• Photon không có điện tích.
• Photon ổn định.
• Photon là các hạt spin-1 tạo nên boson.
• Photon mang theo năng lượng và động lượng phụ thuộc vào tần số.
• Photon có thể tương tác với các hạt khác như electron, chẳng hạn như hiệu ứng compton.
• Photon có thể bị phá hủy hoặc tạo ra bởi nhiều quá trình tự nhiên, ví dụ như khi bức xạ được hấp thụ hoặc phát ra.
• Khi ở trong không gian trống, photon di chuyển với tốc độ ánh sáng.

Một photon trông như thế nào?

Sau khi bạn đã rõ photon là gì? Vậy bạn có bao giờ tự hỏi photon có hình dạng như thế nào chưa? Những nhà khoa học đã cân nhắc câu hỏi này trong nhiều thập kỷ và vào năm 2016, các nhà vật lý Ba Lan đã tạo ra hình ảnh ba chiều đầu tiên của hạt ánh sáng. Nhóm nghiên cứu này đã tạo ra hình ảnh ba chiều bằng cách bắn 2 chùm ánh sáng vào một bộ tách chùm, được làm bằng tinh thể canxit, cùng một lúc. Bộ tách chùm giống như một nút đèn giao thông để mỗi photon có thể rẽ hoặc đi thẳng qua. Khi một photon đi qua, mỗi con đường có khả năng xảy ra như nhau nhưng nếu có nhiều photon tham gia, chúng sẽ tương tác và làm thay đổi tỷ lệ chênh lệch. Nếu biết hàm sóng của một trong các photon, bạn có thể tìm ra hình dạng của hạt thứ hai từ vị trí của những tia chớp trên máy dò. Hình ảnh thu được hơi giống hình chữ thập Maltese, như hàm sóng được dự đoán từ phương trình Schrödinger.

Ứng dụng của năng lượng photon trong công nghệ

Năng lượng photon hiện nay đã được ứng dụng nhiều trong công nghệ. Các ví dụ dưới đây nhằm minh họa về ứng dụng dựa trên tính chất của photon hơn với với những thiết bị quang học nói chung cho thấu kính và có thể giải thích theo lý thuyết về ánh sáng cổ điển.

Laser được biết đến là một ứng dụng rất quan trọng, được mô tả với phát xạ kích thích

Năng lượng photon ứng dụng trong tia laser

Người ta thường sử dụng một số phương pháp để xác định được số photon độc thân. Các ống nhân quang điện đều hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện: một photon chạm vào bề mặt kim loại cùng với một electron bị bật ra, sẽ làm khởi phát một luồng khổng lồ các electron trong ống nhân quang điện.

Các chip CCD có thể dùng hiệu ứng tương tự trên chất bán dẫn: một photon tới sẽ làm sinh ra điện tích trên một tụ điện vi mô và có thể sẽ được ghi lại. Một số thiết bị dò như máy đếm Geiger thường sử dụng khả năng photon gây ion hóa những phân tử khí, từ đó làm hình thành dòng điện mà máy đo được.

Những nhà hóa học hay hỹ sư thường áp dụng công thức Planck E=hnu trong tính toán sự thay đổi năng lượng từ tiên đoán thần số ánh sáng với quá trình chuyển dịch năng lượng và sự hấp thụ một photon cụ thể. Chẳng hạn như, bạn có thể tinh chỉnh phổ phát xạ của đèn huỳnh quang bằng việc sử dụng những phân tử khí có mức năng lượng điện tử khác nhau đồng thời giúp điều chỉnh năng lượng điển hình với các electron khiến cho phân tử khí hấp thụ nó trong bóng đèn.

Phổ phát xạ của đèn huỳnh quang

Một số điều kiện, phải “hai” photon mới gây ra được sự chuyển dịch năng lượng hơn là một photon. Đây là nguyên lý áp dụng với kính hiển vi độ phân giải cao, bởi thường những mẫu quan sát chỉ hấp thụ năng lượng tại vùng có hai chùm sáng khác màu chồng lên nhau, ngoài ra còn cho phép thể tích bị kích thích (vùng cần quan sát) nhỏ hơn trường hợp chỉ dùng một chùm sáng. Điều quan trọng hơn cả là những photon này ít có khả năng gây phá hủy mẫu vật hơn bởi chúng thường mang năng lượng thấp hơn.

Với một số trường hợp gây ra quá trình chuyển dịch năng lượng ở hai hệ. Cụ thể là khi một hệ hấp thụ một photon, còn với hệ khác gần nó “cướp” năng lượng tái phát và kích thích một photon với tần số khác biệt. Đây được hiểu là cơ chế hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang, một số kỹ thuật dùng trong sinh học phân tử thực hiện công việc nghiên cứu các protein thích hợp.

Một vài phần cứng phát số ngẫu nhiên cần phải sự xác định được một photon độc thân. Chẳng hạn như, khi gửi một photon đến bộ tách chùm sẽ ngẫu nhiên tạo ra mỗi bit trong dãy. Với trường hợp này sẽ đưa ra hai kết quả khả dĩ có xác suất bằng nhau. Với kết quả thực tế này được dùng để xác định bit tiếp theo trong dãy là “0” hay “1”.