Фотоны. Импульс фотона. Давление света

Экспериментально, в частности в опытах по фотоэффекту, было доказано, что электромагнитное излучение способно вести себя как частица — фотон. Свет частоты со по Эйнштейну — это поток фотонов с энергией йсо. Свет распространяется в вакууме со скоростью с. Таким образом, фотон (у) — квант электромагнитного поля — это подлинно релятивистская частица. Фотон является безмассовой частицей (экспериментальное ограничение <5-10 60 г). Энергию и импульс фотона необходимо вычислять по формулам специальной теории относительности.

Из соотношения (9.27), связывающего энергию Е и импульс р движущейся релятивистской частицы,

следует, что импульс фотона

Так как Е = йсо , то импульс фотона связан с его длиной волны соотношением

где к —/X — волновое число.

Записав импульс в векторной форме, получим для энергии и импульса фотона следующие выражения:

где к — волновой вектор. Направление импульса совпадает с направлением распространения света, характеризуемым волновым вектором к, модуль которого равен волновому числу.

Соотношения (25.24) связывают квантовые (корпускулярные) характеристики фотона — энергию ? и импульс р — с волновыми характеристиками света — его частотой со и волновым вектором к.

Рассмотрим свойства фотона. Единственное состояние фотона — это движение с предельной скоростью света с, одинаковой во всех системах отсчета. Не существует системы отсчета, в которой бы он покоился. Фотон в состоянии покоя — понятие, лишенное физического смысла. Попытка остановить фотон или изменить направление его движения равносильна его уничтожению. Такое выражение, как «фотон рассеялся на такой-то частице», широко используют, но лишь постольку, поскольку это не противоречит рассмотрению некоторых явлений с энергетической точки зрения.

Следует особо подчеркнуть, что фотон не похож на обычную частицу (корпускулу), лишь некоторые свойства фотона напоминают свойства частицы.

Корпускулярно-волновой дуализм. Из опытных фактов следует, что свет обладает одновременно волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация) и корпускулярными, которые проявляются в процессах взаимодействия света с веществом (испускания, поглощения, рассеяния).

Таким образом, свет имеет двойственную природу и обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм. Наглядно представить корпускулярноволновой дуализм невозможно. Представления о волнах или частицах — это абстракции нашего разума. Как современная физика истолковывает корпускулярно-волновой дуализм, обсуждается в теме 26.

Давление света. Одним из экспериментальных подтверждений наличия у фотонов импульса является существование светового давления. С квантовой точки зрения давление света на поверхность какого-либо тела обусловлено тем, что при соударении с этой поверхностью каждый фотон передает ей свой импульс. Отражение света от поверхности тела, строго говоря, следует рассматривать как сложный процесс «переизлучения» фотонов — падающий фотон поглощается поверхностью, а затем вновь излучается ею с противоположным направлением импульса. При этом давление света на поверхность должно быть таким же, как если бы фотоны зеркально отражались от поверхности подобно абсолютно упругим шарикам. В дальнейшем будем пользоваться этим формальным приемом, условно рассматривая процессы отражения и рассеяния света как процессы отражения и рассеяния фотонов.

Важно отметить, что давление света одинаково успешно объясняется как волновой, так и квантовой теорией света.

Пусть поток монохроматического излучения частоты со падает перпендикулярно поверхности тела. Если за 1 с на 1 м2 поверхности тела падает УУ фотонов, то при коэффициенте отражения света р от поверхности тела отразится рУУ фотонов, а поглотится (1 — р)УУ фотонов. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс р = Е/с, а каждый отраженный фотон —2р. Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности УУ фотонов за 1 с:

Энергетическая освещенность поверхности — это энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени:

Объемная плотность энергии излучения w = — . Отсюда имеем

с

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >