2.2 Квантовая природа излучения

Ряд экспериментальных фактов свидетельствует, что кроме волновых свойств электромагнитному излучению присущи корпускулярные свойства. На это указывают явления внешнего и внутреннего фотоэффектов, эффект Комптона (уп­ругое рассеяние света на свободных электронах, сопровождающе­еся увеличением длины световой волны), законы излучения аб­солютно черного тела (в частности, спектр излучения) и др. Элементарная частица (квант) электромагнитного излучения называется фотоном (от греч. phoi — свет; термин «фотон» был введен в физику Г. Н. Лью­исом в 1929 г.).

Основные свойства фотона:

1 Энергия Е_фот и импульс Р_фот фотона связаны с частотой и волно­вым вектором k .эквивалентной плоской монохроматической волны соотношениями:

Е_фот= ħω , (1.23)

Р_фот = ħk, (1.24)

где ħ=h/2π = 1,05^.10^-34 Дж^.с — постоянная Планка.

2. Масса покоя фотона равна нулю (экспериментально до­казано, что у фотона, как элементарной частицы, масса покоя, по крайней мерe, меньше 10^-21т₀, где т₀ — масса свободного элек­трона). Скорость фотона равна скорости света. Не существует системы отсчета, в которой фотон покоится.

3. Фотон является электрически нейтральной частицей и не имеет электрического заряда.

4. Спин фотона равен единице (в единицах ħ ).

5. Каждый фотон может находиться в некотором состоянии поляризации. Например, линейно поляризованное электромаг­нитное излучение можно рассматривать состоящим из фотонов, каждый из которых линейно поляризован в том же направлении.

Подчеркнем, что представления оптического излучения (све­та) в виде волн или корпускул не исключает одно другое. Это приближенное описание одних и тех же процессов. Квантово-волновой дуализм присущ природе в целом. Но в одних случаях в большей мере проявляются корпускулярные свойства вещества (микрочастиц) и удобнее пользоваться понятием части­цы (или квазичастицы). В других случаях, наоборот, сильнее проявляются волновые свойства материи и целесообразнее пользоваться волновыми представлениями. Иногда волновые и корпускулярные свойства проявляются в одинаковой мере (на­пример, оптическое излучение). В области длинных радиоволн, где энергии квантов очень малы, корпускулярные свойства электромагнитного излучения практически не проявля­ются, так что в радиотехнике используют исключительно волно­вые представления. Наоборот, в области гамма-излучения, где длина волны менее 10^-10 м, а энергия кванта более 10⁴ эВ, в основном проявляются корпускулярные свойства электромаг­нитного излучения.

С точки зрения квантовых представлений оптическое излучение можно рассматривать как фотонный кол­лектив, состоящий из N_ka,, фотонов в ka-состояниях, т. е. как газ, состоящий из частиц с энергией ħω и импульсом ħk (в одном из двух ортогональных состояний поляризации при а= 1;2). Принципи­ально важным моментом квантовой теории электромагнитного излучения (света) является то, что обмен энергией и импульсом между фотоном и атомной системой (электрон, атом, молекула и т. д.) происходит путем рождения одних и исчезновения других квантов света. Это отличает фотонный газ от газа, состоящего из «обычных» частиц — электронов, атомов, молекул, ионов и др. Указанное свойство наиболее полно отражается в законах со­хранения энергии и импульса при рассмотрении взаимодействия света с какой-либо квантовой системой.

Пусть E и Р — энергия и импульс системы до взаимодействия с квантом света, а Е' и Р' - после взаимодействия. Аналогично, ħω и ħk - энергия и импульс фотона до взаимодействия, a ħω' и ħk' — после взаимодействия. В результате взаимодействия, которое иногда называют столкновением, квант света (ħω, ħk) изменил (или не изменил) свою энергию и импульс до (ħω', ħk'). Законы сохранения энергии и импульса при этом запишем в сле­дующем виде:

ħω + E = ħω' + Е' (1.25)

ħk + Р = ħk' + Р' . (1.26)