3. Фермионы и бозоны

Все существующие в природе микрочастицы чётко подразделяются на две группы по характеру их поведения в коллективе себе подобных. Микрочастицы одной группы проявляют «крайний индивидуализм»: если какое-то состояние уже занято микрочастицей, то никакая другая микрочастица того же типа не сможет попасть в это состояние. Иначе говоря, эти микрочастицы могут заселять состояния только поодиночке. Они называются фермионами (в честь итальянского физика Ферми). К ним относятся, например, электроны, откуда следует многообразие химических элементов.

Микрочастицы другой группы ведут в коллективе совсем иначе: они не только способны заселять одно и то же состояние в неограниченном количестве, но, более того, вероятность их попадания в какое-то состояние тем больше, чем больше таких же частиц уже находится в данном состоянии. Их называют бозонами (в честь индийского физика Бозе). К ним относятся фотоны, что играет важную роль в оптических явлениях.

3. Оптическая когерентность

   1. Волновые цуги

Рассматривая реальное оптическое излучение, необходимо учитывать различные фотонные состояния. Ведь разные атомы вещества-излучателя испускают фотоны в достаточной мере независимо друг от друга; естественно, что при этом появляются, различающиеся и энергией, и направлением импульса, и поляризацией. Излучение, «составленное» из таких разных фотонов, может быть названо «неупорядоченным». Для неупорядоченных световых волн характерен существенный разброс фотонов по разным состояниям.

Н

Рисунок 2 Схематическое изображение волнового цуга в виде «обрывка» монохроматической волны

еупорядоченную световую волну часто моделируют как набор т. н. волновых цугов. Предположим, что составляющие излучение фотоны распределены по группам, в каждую из которых входит достаточно большое число фотонов, находящихся в одном и том же состоянии. Каждая такая группа и есть волновой цуг. При этом степень заселённости состояния, т. е. количество фотонов в волновом цуге, условно связывают с длиной цуга. Большему числу фотонов в данном состоянии сопоставляют более длинный цуг. Схематически он изображён на рис. 2 (τ – длительность цуга, τс – эго пространственная длина).

2. Когерентность световой волны как её способность к интерференции

Чем более «неупорядоченной» является световая волна, тем в меньшей степени она способна к созданию интерференционной картины. Чтобы различать световые волны по их способности к интерференции, вводят весьма важную характеристику – степень когерентности волны. Чем выше степень когерентности света, тем больше его способность к интерференции. Плоская монохроматическая поляризованная световая волна – это идеально когерентная волна. В действительности существуют частично когерентные волны.

3. Характер расселения фотонов по состояниям

Степень когерентности световых волн определяется характером расселения фотонов по состояниям. При идеальной когерентности все без исключения фотоны находятся в одном единственном состоянии: они имеют одни и те же энергию, направление импульса, поляризацию. В реальной световой волне фотоны расселены по разным состояниям. Чем плотнее заселены некоторые отдельные состояния за счёт других, тем выше степень когерентности излучения. Это означает, что степень когерентности излучения тем выше, чем ниже степень его немонохроматичности, чем меньше степень расходимости и чем выше степень поляризации.

Степень немонохроматичности волны описывается отношением ξ = Δν/ , где - средняя частота, Δν – частотный интервал, характеризующий «разброс» частот (ему отвечает «разброс» энергий Δε = hΔν). Степень расходимости измеряют углом раствора конуса, в пределах которого распространяется световая волна, этот угол называют углом расходимости. Степень поляризации световой волны определяют на практике при помощи поляризатора, например специального кристалла, пропускающего волны с колебаниями вектора электрической напряжённости лишь в определённой плоскости, задаваемой ориентацией кристалла. Меняя ориентацию кристалла, измеряют интенсивность прошедшего сквозь кристалл света для разных ориентаций и выявляют максимальное и минимальное значения интенсивности. Степень поляризации определяется отношением ω = .

Между степенью немонохроматичности волны ξ и длительностью τ отвечающих этой волне цугов существует связь: ξ ≈ 1/τ . Отсюда Δν ≈ 1/τ, где τ – время когерентности. Чем больше время когерентности, тем выше степень когерентности света.