В результате исследования явлений, связанных с взаимодействием света и вещества (тепловое излучение и фотоэффект), физики пришли к выводу, что свет состоит из отдельных порций энергии — фотонов. Излучение света, его распространение и поглощение происходит строго этими порциями.

Фотоны обладают энергией и импульсом и могут обмениваться ими с частицами вещества (скажем, с электронами или атомами). При этом мы говорим о столкновении фотона и частицы. При упругом столкновении фотон меняет направление движения — свет рассеивается. При неупругом столкновении фотон поглощается отдельной частицей или совокупностью частиц вещества — так происходит поглощение света. Словом, фотон ведёт себя как частица и поэтому — наряду с электроном, протоном, ней- троном и некоторыми другими частицами — причислен к разряду элементарных частиц.

Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света).

Свойства фотона:

• Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света.
• Заряд фотона также равен нулю.
• Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны.
• Фотону как элементарной частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны.
• С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами. Он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.

 

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 пары электрон-позитрон.

При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.

Энергия фотона, выраженная через частоту:

 

через импульс:

Импульс фотона:

Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча. Чем больше частота ν, тем больше энергия Е и импульс р фотона и тем отчетливее проявляются корпускулярные свойства света.

 

Масса движущегося фотона:

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределенности

Корпускулярно-волновой дуализм - проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции в том случае, если характерные размеры препятствий сравнимы с длиной волны фотона. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, которую можно описать уравнениями Максвелла.

Тем не менее, эксперименты показывают, что фотон не является коротким импульсом электромагнитного излучения. Фотоны излучаются и поглощаются целиком объектами, которые имеют размеры, много меньшие длины волны фотона (например, атомами), или вообще в некотором приближении могут считаться точечными (например, электронами). Таким образом, фотоны в определённом смысле ведут себя как точечноподобные частицы.

Ключевым элементом квантовой механики является принцип неопределенности Гейзенберга, который запрещает одновременное точное определение пространственной координаты частицы и её импульса по этой координате. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью Δx, равной разрешающей способности микроскопа.

 

Таким образом, неопределённость координаты Δx можно сделать сколь угодно малой, уменьшая длину волны λ падающих лучей. Однако после рассеяния электрон приобретает некоторый дополнительный импульс, неопределённость которого равна Δp. Если бы падающее излучение не было квантованным, эту неопределённость можно было бы сделать сколь угодно малой, уменьшая интенсивность излучения.

С учетом того, что фотон может быть рассеян в любом направлении в пределах угла Θ, неопределённость переданного электрону импульса равняется:

 

После умножения первого выражения на второе получается соотношение неопределенностей Гейзенберга:

 

Таким образом, весь мир квантован: если вещество подчиняется законам квантовой механики, то и поле должно им подчиняться, и наоборот.

*Источник

Давление света

Свет оказывает давление на освещаемую поверхность. Предположим, что на некоторое тело падает свет частоты ν. Лучи направлены перпендикулярно поверхности тела; площадь освещаемой поверхности равна S.

Пусть n — концентрация фотонов падающего света, то есть число фотонов в единице объёма. За время t на нашу поверхность попадают фотоны, находящиеся внутри цилиндра высотой ct. Их число равно:

N = nV = nSct

При падении света на поверхность тела часть световой энергии отражается, а часть — поглощается.

Пусть r — коэффициент отражения света; величина r < 1 показывает, какая часть световой энергии отражается от поверхности. Соответственно, величина 1 − r — это доля падающей энергии, поглощаемая телом.

Энергия света пропорциональна числу фотонов. Поэтому можно написать, какое количество фотонов (из общего числа N) отразится от поверхности, а какое — поглотится ею:

N_отр = rN,                   N_погл = (1 − r)N.

Импульс каждого падающего фотона равен p = hν/c. Поглощённый фотон испытывает неупругое столкновение с телом и передаёт ему импульс p. Отражённый фотон после упругого столкновения меняет направление своего импульса на противоположное, и поэтому импульс, переданный телу отражённым фотоном, равен 2p. Таким образом, от каждого фотона, входящего в световой поток, тело получает некоторый импульс. Вот причина того, что свет оказывает давление на освещаемую поверхность.

Суммарный импульс, полученный телом от N падающих фотонов, равен:

P = 2p · Nотр + p · Nпогл = 2prN + p(1 − r)N = (1 + r)pN.

На нашу поверхность S действует сила F, равная импульсу, полученному телом в единицу времени: F = P/t = (1 + r)hνnS.

Давление света есть отношение этой силы к площади освещаемой поверхности:

p_света = F/S = (1 + r)hνn

Давление света равно энергии света в единице объёма, то есть объёмной плотности энергии w:

p_света = (1 + r)w.

Это и есть формула для давления света, теоретически выведенная Максвеллом (в рамках классической электродинамики) и экспериментально проверенная в опытах Лебедева.

Гипотеза де Бройля

Анализ всей совокупности опытных данных об оптических явлениях привел к понятию корпускулярно-волнового дуализма света. Такие оптические явления, как дифракция и интерференция, хорошо объясняются с позиции волновой природы света, в то время как фотоэффект, тепловое излучение и ряд других явлений свидетельствуют о том, что свет представляет собой поток частиц-фотонов.

В 1924 г. выдающийся французский физик Луи де Бройль выдвинул смелое предположение о том, что корпускулярно-волновой дуализм является универсальным свойством материи. По гипотезе де Бройля вещество и, прежде всего элементарные частицы, обладают волновыми свойствами. Отсюда следует, что проявляющий волновые свойства электрон должен при рассеянии в определенных условиях давать интерференционную картину. По идее де Бройля движение любой элементарной частицы связано с волновым процессом. Длина волны такой частицы, как и фотона, определяется следующим образом:

Учтем, что импульс движения электрона равен:

p = m_ev,

где: m_e – масса электрона, v – скорость электрона.

Тогда выражение для электрона примет вид:

Физический смысл волн де Бройля, связанных с движущимися частицами, например с электронами:

• Волны де Бройля не имеют аналогов в классической физике. Они имеют квантовую природу.
• Волны де Бройля не связаны с распространением какого-либо электромагнитного поля. Например, с заряженной частицей, движущейся равномерно, не связано распространение электромагнитного поля, в то время как волновые свойства (электрона) проявляются и в этом случае.
• Волны де Бройля имеют статистический (вероятностный) характер. Интенсивность волн в данной точке пространства определяет количество электронов, попавших в эту точку за одну секунду.
• Волна де Бройля описывает движение материальной частицы, но не дает никаких сведений о том, что принято называть «структурой» микрочастицы (электрона).

Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля нашло свое отражение в многочисленных опытах: 

• в 1927 г. К. Дэвиссон и Л. Джермер исследовали отражение электронного пучка от монокристаллов Ni и показали возможность дифракции для электронов; независимо от них, а также независимо друг от друга ученые П. Томсон и П.С. Тартаковский провели опыты по дифракции электронов на тонкой поликристаллической фольге;
• в 1949 г. Л.М. Биберман, Н.Г. Сушкин и В.А. Фабрикант исследовали явление дифракции единичных электронов и установили, что волновые свойства присущи каждому движущемуся электрону. Эти опыты по дифракции являются экспериментальным подтверждением волновых свойств микрочастиц.

Микрочастицами принято называть такие частицы, которые проявляют волновые свойства. К ним относятся элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны и т.д.), а также атомы, ядра и молекулы.