Фотоны. Корпускулярно-волновой дуализм света

Необходимость объяснения ряда экспериментальных данных, относящихся к испусканию электромагнитного излучения и его взаимодействию с веществом, привела к тому, что в начале XX в. утвердились новые представления об излучении. Электромагнитное излучение (в том числе и свет) стали рассматривать не как непрерывную электромагнитную волну, а как поток отдельных порций электромагнитного поля – квантов, или фотонов. Существование фотонов надежно доказано многочисленными экспериментами. Фотон ведет себя как дискретная материальная частица, обладающая энергией, массой, импульсом.

Энергия фотона определяется частотой ν (или длиной волны λ) излучения:

,

где h – постоянная Планка.

Массу фотона можно определить из соотношения:

.

Фотон не имеет массы покоя и существует только в движении. При остановке он перестает существовать – поглощается атомами или молекулами вещества, а его энергия при этом переходит в другие виды. Материальность фотона проявляется, в частности, в том, что сила тяжести действует на него так же, как и на другие частицы: луч света, проходящий вблизи тел большой массы, искривляется в поле тяготения. Масса световых квантов невелика, но для рентгеновских лучей и γ -излучения она становится сравнимой с массой покоя электрона.

Фотоны не имеют электрического заряда, самопроизвольно не распадаются и могут двигаться только со скоростью, равной скорости света в вакууме (с). Последнее не противоречит тому, что в веществе свет распространяется с меньшей скоростью. Уменьшение скорости света в веществе объясняется взаимодействием фотонов с веществом – они поглощаются атомами и с некоторым запозданием излучаются снова (переизлучаются).

Импульс фотона определяется выражением

.

Наличие у фотонов импульса подтверждается существованием светового давления, измеренного П.Н.Лебедевым. Истолкование светового давления с корпускулярной точки зрения основано на передаче фотонами своего импульса освещаемой поверхности.

Свет (как любое электромагнитное излучение) обладает корпускулярно-волновым дуализмом: в различных явлениях он обнаруживает как волновые, так и корпускулярные свойства. Не случайно корпускулярные характеристики фотона – энергия и импульс – неразрывно связаны с волновой характеристикой света – частотой. Корпускулярные и волновые свойства света проявляются в разной мере в зависимости от характера и условий эксперимента. Так, в явлении фотоэффекта свет взаимодействует с веществом как поток дискретных частиц (фотонов), а при прохождении через узкие отверстия в преградах он ведет себя как волна (дифракция). С увеличением частоты корпускулярные свойства фотонов проявляются все сильнее. Если для низкочастотного инфракрасного излучения или радиоволн более характерными являются волновые свойства, то высокочастотное рентгеновское излучение ведет себя в основном как поток корпускул. Единство прерывного и непрерывного – фундаментальная особенность всей материальной природы.