Физика примеры решения задач Теория электрических цепей Основы теории электромагнитного поля

Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел

Световые кванты

Таким образом, с одной стороны, свет - это электромагнитные волны, а с другой – свет, согласно гипотезе Планка, испускается и поглощается в виде отдельных порций. И получается так, как если бы свет состоял из отдельных частиц.

Классическая физика исходит из того, что существует принципиальное различие между волнами и частицами (корпускулами). Классическая частица – это сгусток вещества, комочек материи, сосредоточенный в очень малом объёме. Волна же – такой материальный объект, который занимает более или менее значительные области (линейные размеры которых ,  - длина волны), так как это периодический процесс. Частица движется по траектории. Применительно же к волне понятие траектории не имеет смысла. Волны могут интерферировать, испытывать дифракцию при их наложении. Частицы же к этому не способны. Можно сказать, что движение по траектории и волновое движение – качественно различные виды движения: это несовместимые противоположности.

Как видим, гипотеза Планка коренным образом противоречит законам классической физики. Гипотеза Планка – это первый шаг к объединению корпускулярных и волновых представлений об электромагнитном излучении, т.е. к синтезу противоположностей.

Заметим, что, согласно представлениям классической механики, энергия, как и любая другая величина, обязана изменяться непрерывно.

Нужно сделать, однако, оговорку: с дискретностью физических величин сталкивалась уже классическая физика. Представьте себе струну с закреплёнными концами. Если её встряхнуть, возникнут стоячие волны. Частоты стоячих волн имеют строго определённые значения: ,  – скорость волны, , a – длина струны (равенство  представляет собой условие того, чтобы на границах струны были узлы).

Следующий шаг был сделан Эйнштейном в 1905 г. Если электромагнитные волны испускаются и поглощаются порциями, то естественно полагать, что эти порции являются особыми частицами. Эти частицы будем называть квантами света, или фотонами. Но согласно СТО, если частица имеет энергию, то она имеет и импульс. Значит, фотон обладает энергией и импульсом. Так как фотоны – кванты электромагнитной волны, которая распространяется со скоростью света с, то, значит, скорость фотонов в любой инерциальной системе отсчёта равна с. Согласно специальной теории относительности (СТО)

.  (7)

Это равенство определяет массу движения фотона (релятивистскую массу):

. (8)

По определению, импульс . Значит, импульс фотона

. (9)

Но

 . (10)

Следовательно, масса фотона  представляет собой неопределенность вида , и эта неопределенность раскрывается по формуле (8).

 Итак, фотон – особая частица с массой покоя , которая движется со скоростью света в любой инерциальной системе отсчёта. Инерциальной системы отсчёта, в которой  фотоны покоились бы, не существует. Для фотонов справедливы соотношения

  (11)

где  - волновое число. 

Глубокий физический смысл равенств (11) состоит в том, что они связывают между собой корпускулярные характеристики (энергию  и импульс ) с волновыми ( и ). Тем самым эти соотношения указывают на то, что свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, взаимно дополняющими друг друга. Это и есть корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения. Равенства (11) представляют собой математическую формулировку корпускулярно-волнового дуализма. Таким образом, свет имеет квантовую природу. Представления о квантовой природе света получают, благодаря СТО, логически законченную форму.

Возникает вопрос: что представляют собой фотоны? Они не могут быть частицами, обладающими свойствами обычных классических частиц, не могут быть локализованы в какой-либо точке пространства. Согласно (11), квант света – это порция монохроматической волны, характеризующаяся определенной частотой   и волновым вектором . Такая волна – это чисто периодический процесс, бесконечный во времени и в пространстве. Если допустить, что квант света локализован где-то в пространстве, то сразу же приходим к противоречию с исходным допущением о монохроматической волне.

Еще один вопрос, который адресуем читателю: что представляет собой электромагнитное поле? Можно ли утверждать, что это поле сводится к совокупности фотонов?


Электротехника