Фотоны. Масса, энергия и импульс фотона.
Фото́н — элементарная частица, квантэлектромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения
Фотон —
безмассовая нейтральная частица. Спин фотона
равен 1 (частица являетсябозоном),
но из-за нулевой массы покоя более
подходящей характеристикой
являетсяспиральность,
проекция спина частицы на направление
движения. Фотон может находиться только
в двух спиновых состояниях со
спиральностью, равной 
.
Этому свойству в классической
электродинамике соответствует
поперечностьэлектромагнитной
волны.[9]
Массу
покоя фотона
считают равной нулю, основываясь на
эксперименте и теоретических обоснованиях,
описанных выше. Поэтому скорость фотона
равнаскорости
света.
По этой причине (не существует системы
отсчёта, в которой фотон покоится) внутренняя
чётность частицы
не определена.[9] Если
приписать фотону наличие т. н.
«релятивистской
массы»
(термин ныне выходит из употребления)
исходя из соотношения 
то
она составит 
Фотон — истинно
нейтральная частица (тождественен
своей античастице)[49],
поэтому его зарядовая
чётностьотрицательна
и равна −1.
Фотон относится к калибровочным бозонам. Он участвует в электромагнитном игравитационном взаимодействии.[9] Фотон не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме, стабилен. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны и направление распространения.
Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции парыэлектрон-позитрон.[50] При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.[51]
Если энергия фотона
равна 
,
то импульс 
связан
с энергией соотношением 
,
где
— скорость
света (скорость,
с которой в любой момент времени движется
фотон как безмассовая частица). Для
сравнения, для частиц с ненулевой массой
покоя связь массы и импульса с энергией
определяется формулой 
,
как показано в специальной
теории относительности.[52]
В
вакууме энергия и импульс фотона зависят
только от его частоты 
(или,
что эквивалентно, от длины
волны 
):
,
,
и, следовательно, величина импульса
есть:
,
где
— постоянная
Планка,
равная 
; 
— волновой
вектор и 
—
его величина (волновое
число); 
— угловая
частота.
Волновой вектор
указывает
направление движения фотона. Спин
фотона не зависит от частоты.
Классические формулы для энергии и импульса электромагнитного излучения могут быть получены исходя из представлений о фотонах. К примеру, давление излучения осуществляется за счёт передачи импульса фотонов телу при их поглощении. Действительно, давление — это сила, действующая на единицу площади поверхности, а сила равна изменению импульса, отнесённому ко времени этого изменения.[53]