Квантовая теория света Эйнштейна

Первоначально идея корпускулярно-волнового дуализма была применена к электрическому излучению. В 19 веке, физики твердо установили волновую природу света (уравнение Максвелла, 1873 г.). Но уже к концу 19 века, было открыто явление фотоэлектрического эффекта (Герц, 1887 г.), законы которого нельзя было объяснить на основе представлений классической физики.

А. Эйнштейн, анализируя идею Планка о дискретности значений энергии линейного гармонического осциллятора, сделал новый шаг на пути развития теории "квант". Он выдвинул новую гипотезу: осцилляторы могут порциями не только испускать, но и поглощать электромагнитную энергию благодаря тому, что само электромагнитное поле состоит из отдельных корпускул - квантов с энергией.

. (2.1)

Используя далее известное релятивистское выражение для энергии в виде

, (2.2)

он получил формулу для импульса , положив массу покоя :

, (2.3)

где - скорость света в вакууме. Если учесть связь волнового вектора волны с длиной в виде известного соотношения

, (2.4)

где - единичный вектор направления распространения фронта волны, то вектор импульса кванта света оказывается равным

. (2.5)

На основе корпускулярных представлений об электромагнитном поле Эйнштейн в 1905 г. разработал количественную теорию фотоэффекта. С помощью этой теории блестяще подтверждены законы фотоэффекта, которые экспериментально были установлены А. Г. Столетовым (1888 - 1890 г.).

Особенно ярко корпускулярные свойства излучения проявились при теоретическом обосновании законов эффекта Комптона (1923 г.), при исследовании рассеяния рентгеновских лучей свободными и связанными электронами. С этого времени кванты света стали называть фотонами.

Опыты С. И. Вавилова с флуктуациями световых пучков дали новое понимание связи волновых и корпускулярных свойств света, а именно: свет обладает двойственной корпускулярно-волновой природой, выражаемой уравнениями Эйнштейна (2.1) и (2.5).