В физике фотонный газ — это газообразный набор фотонов , который обладает многими из тех же свойств, что и обычный газ, такой как водород или неон , включая давление, температуру и энтропию. Наиболее распространенным примером фотонного газа в равновесии является излучение черного тела .
Фотоны являются частью семейства частиц, известных как бозоны , частицы, которые следуют статистике Бозе-Эйнштейна и имеют целочисленный спин . Газ бозонов только с одним типом частиц однозначно описывается тремя функциями состояния, такими как температура , объем и число частиц . Однако для черного тела распределение энергии определяется взаимодействием фотонов с веществом, обычно со стенками сосуда. При этом взаимодействии число фотонов не сохраняется. В результате химический потенциалфотонного газа черного тела равен нулю в термодинамическом равновесии. Таким образом, число переменных состояния, необходимых для описания состояния абсолютно черного тела, сокращается с трех до двух (например, температура и объем).
В классическом идеальном газе с массивными частицами энергия частиц распределяется согласно распределению Максвелла–Больцмана . Это распределение устанавливается по мере того, как частицы сталкиваются друг с другом, обмениваясь при этом энергией (и импульсом). В фотонном газе также будет равновесное распределение, но фотоны не сталкиваются друг с другом (за исключением очень экстремальных условий, см. двухфотонную физику), поэтому равновесное распределение необходимо устанавливать другими способами. Наиболее распространенным способом установления равновесного распределения является взаимодействие фотонов с веществом. Если фотоны поглощаются и излучаются стенками системы, содержащей фотонный газ, и стенки имеют определенную температуру, то равновесное распределение фотонов будет распределением абсолютно черного тела при этой температуре.
Очень важное отличие бозе-газа (газа массивных бозонов) от фотонного газа с чернотельным распределением состоит в том, что число фотонов в системе не сохраняется. Фотон может столкнуться с электроном в стене, переводя его в более высокое энергетическое состояние и удаляя фотон из фотонного газа. Этот электрон может вернуться на более низкий уровень за несколько шагов, каждый из которых высвобождает отдельный фотон обратно в фотонный газ. Хотя сумма фотонных энергий испущенных фотонов такая же, как у поглощенных фотонов, количество испущенных фотонов будет варьироваться. Можно показать, что в результате отсутствия ограничений на число фотонов в системе химический потенциалфотонов должно быть равно нулю для излучения черного тела.
Термодинамика фотонного газа черного тела может быть выведена с использованием квантово-механических аргументов . Вывод дает спектральную плотность энергии u , которая представляет собой энергию на единицу объема на единицу частотного интервала, определяемую законом Планка :
где h — постоянная Планка , c — скорость света, ν — частота, k — постоянная Больцмана, T — температура.