2. Фотоны.

Чтобы объяснить распределение энергии в спектре равновесного теплового излучения достаточно, как показал Планк, допустить, что свет испускается порциями . Для объяснения фотоэффекта достаточно предположить, что свет поглощается такими же порциями. Далее Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет распространяется в пространстве также в виде дискретных частиц - фотонов.

Фотон как частица обладает особыми свойствами хотя бы потому, что он движется со скоростью света. Поэтому формулы классической механики к движению фотона неприменимы, и нужно пользоваться релятивистскими соотношениями. Помимо энергии ε = ћ ω фотон должен обладать массой и импульсом. Формула для массы фотона может быть получена из формулы, выражающей взаимосвязь массы и энергии в теории относительности и формулы энергии фотона

(2.3)

Согласно теории относительности импульс и энергия частицы, движущейся со скоростью v, равны

. (2.4)

Но так как фотон движется со скоростью света, то знаменатель обращается в ноль, и получаем что p = ∞ и Е = ∞. Это означает, что никакое тело нельзя разогнать до скорости света. В случае фотона следует считать, что его масса покоя m₀ = 0, т.е. в природе не существует покоящихся фотонов. Ясно, что приведенные формулы (2.4) оказываются непригодными, так как имеем неопределенности типа 0/0. Исключив из (2.4) скорость v , получим соотношение, связывающее импульс и энергию

Для фотона m₀ =0 и Е= ε = ћ ω, отсюда

. (2.5)

Так как фотон обладает импульсом, то, встречая на пути какое-нибудь препятствие, поток фотонов должен оказывать на это препятствие давление, подобно тому, как молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда. Впервые русский физик Лебедев экспериментально измерил световое давление и подтвердил существование импульса у фотонов. Однако следует заметить, что в своих исследованиях Лебедев руководствовался не корпускулярной теорией света, а электромагнитной теорией Максвелла, которая тоже приводит к выводу о существовании светового давления. Обе теории дают одну и ту же формулу для вычисления светового давления - интенсивность света (n-количество фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени), ρ – коэффициент отражения света от поверхности тела. Это объясняется тем, что связь между импульсом и энергией фотона идентична связи между энергией и импульсом электромагнитного поля p = E/c.

Если ввести волновое число , то выражение (2.4) можно переписать в форме

(2.6)

Направление импульса совпадает с направлением распространения света, характеризуемым волновым вектором k, численно равным волновому числу.

Таким образом, фотон подобно любой движущейся частице или телу, обладает энергией, массой и импульсом. Все эти три корпускулярные характеристики фотона связаны с волновыми его характеристиками – длиной волны или частотой. Корпускулярные свойства фотона не должны заставить нас забыть о том, что такие явления как дифракция и интерференция, могут быть объяснены только на основе волновых представлений.

Следовательно, свет обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм (двойственность): в одних явлениях проявляется его волновая природа, и он ведет себя как электромагнитная волна; в других – проявляется корпускулярная природа света, и он ведет себя как поток фотонов.