9.5. Спин фотона и эффект Садовского

В 1889 г. Садовский теоретически показал, что свет, поляризованный по кругу или эллиптически, должен иметь момент импульса. Согласно квантовой механике у квантового вектора момента импульса не могут одновременно иметь определенные значения все три проекции на его координатные оси.

При переходе атома из одного стационарного состояния с большей энергией в другое – с меньшей энергией излучается один квант (фотон) с энергией  = h. Проекция момента импульса атома на ось Z при орбитальном движении электрона принимает значения .

Рис. 7.3

Пусть при излучении фотона эта проекция изменяется на . Следовательно, при излучении атом потерял энергию = h и величину проекции момента импульса h / 2. Согласно законам сохранения энергии и момента импульса, энергия и импульс переходят в излучение. Поэтому проекция момента импульса излученного фотона h / 2. Внутренний момент импульса фотона (спин фотона) равен единице, тогда S(S+1). Фотон в состоянии покоя не существует.

Он может только находитья в движении со скоростью света в вакууме с . В квантовой механике момент импульса фотона определяется соответствующим оператором. Поэтому оператор момента импульса фотона состоит из двух слагаемых. Одно из них имеет вид и называется орбитальным, где– оператор импульса фотона. Другое слагаемое называется спиновым, или оператором спина фотона. Собственное значение проекции операторана избранное направление называют орбитальным моментом импульса фотона, а собственное значение проекции оператора спина на то же направление – спиновым моментом импульса или просто спином фотона.

Практически фотон имеет только спиновой момент импульса.

Чтобы у фотона появился орбитальный момент импульса, излучение должно произойти с далекой периферии атома (с расстояния порядка d >> r_a).

Из–за того, что фотон существует только в состоянии движения со скоростью света в вакууме с, в любой системе отсчета для него есть только одно избранное на правление – направление движения, на которое и проектируется вектор спина фотона.

Так как спин фотона S = 1, он может ориентироваться тремя способами: 2S + 1 = 3. В первом – проекция спина направлена по движению; во втором – против движения; в третьем – равна нулю.

В действительности, третья возможность не реализуется. Это следует из опыта и поперечности электромагнитных волн.

Согласно классической физике момент импульса волны, поляризованной по кругу, направлен вдоль или против распространения волны.

Поэтому можно предположить, что фотон поляризован по кругу, если он находится в состоянии с определенным значением проекции спина на направление распространения.

Такая поляризация называется левой, в противном случае – правой. (В квантовой электродинамике применяется противоположное соглашение).

Состояние фотона с круговой поляризацией, распространяющегося в определенном направлении, следует рассматривать как его собственное состояние, которому соответствуют собственные значения проекции спина: S_z = 1, 0, –1. Путем линейной суперпозиции таких состояний может быть получен фотон любой поляризации. Но состояние с S_z = 0 не реализуется.

Следовательно, состояние фотона с любой поляризацией, распространяющегося в определенном направлении, может быть получено линейной суперпозицией только двух состояний: S_z = 1 и S_z = –1.