ФОТОНЫ
В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается с фотона. Энергия и импульс фотона. При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией E=hv, зависящей от частоты. Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными. Сама же световая частица была названа фотоном или квантом электромагнитного излучения. Фотон, подобно частицам, обладает определенной порцией энергии hv. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую частоту o)=2tcv. При этом в качестве коэффициента пропорциональности вместо величины h используют величину (читается: аш с чертой), равную, по современным данным, (последние два знака определены с точностью до ±40). Тогда энергия фотона выражается так: Согласно теории относительности энергия всегда связана с массой соотношением Е=тс2. Так как энергия фотона равна hv, то, следовательно, его масса т получается равной: Фотон лишен массы покоя т0, т. е. он не существует в состоянии покоя, и при рождении сразу имеет скорость с. Масса, определяемая формулой (11.5), — это масса движущегося фотона. По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс: Направлен импульс фотона по световому лучу. Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незначительна. Фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию 4- 10~19 Дж. Тем не менее в замечательных опытах С. И. Вавилова было установлено, что человеческий глаз, этот тончайший из «приборов», способен реагировать на различие освещенностей, измеряемое единичными квантами. Корпускулярно-волновой дуализм. Ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теории Ньютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифракция света вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные. Все это, конечно, странно и непривычно. Мы не в состоянии представить себе наглядно, как же это может быть. Но тем не менее это факт. Мы лишены возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX века. Гипотеза де Бройля. Если с электромагнитным полем длительное время связывалось представление о материи, непрерывно распределенной в пространстве, то электроны, напротив, рисовались воображению физиков как некоторые крохотные комочки материи. Это подчеркивалось уже самим названием «частица», постоянно присутствующим рядом со словом «электрон». Не допускаем ли мы здесь ошибки, обратной той, которая была сделана со светом? Может быть, электрон и другие частицы обладают также и волновыми свойствами. Такую необычную мысль высказал в 1923 г. французский ученый Луи де Бройль. Предположив, что с движением частиц связано распространение некоторых волн, де Бройль сумел найти длину этих волн. Связь длины волны с импульсом частицы оказалась точно такой же, как и у фотонов (11.6). Если длину волны обозначить через X, а импульс — через р, то Это знаменитая формула де Бройля — одна из основных в физике микромира. Предсказанные де Бройлем волновые свойства частиц впоследствии были обнаружены экспериментально. Наблюдается дифракция и интерференция электронов и других частиц на кристаллах. Здесь получается картина, подобная той, которая имеет место для рентгеновских лучей, причем справедливость формулы де Бройля (11.7) была доказана экспериментально. Эти необычные свойства микрообъектов описываются с помощью квантовой механики — современной теории движения микрочастиц. Механика Ньютона оказывается здесь в большинстве случаев неприменимой. Но изучение квантовой механики выходит за рамки школьного курса физики. Фотон — элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодеиствие между заряженными частицами. Поглощение и излучение электромагнитной энергии отдельными порциями — проявление корпускулярных свойств электромагнитного поля. Корпускулярно-волновой дуализм — общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне. 1. Как определить энергию, массу и импульс фотона, зная частоту колебаний света v? 2. Что понимается под словами корпускулярно-волновой дуализм!