Фотоны. Фотонная теория света

В современной трактовке гипотеза квантов утверждает, что энергия E колебаний атома или молекулы может быть равна h ν, 2h ν, 3h ν и т.д., но не существует колебаний с энергией в промежутке между двумя последовательными целыми, кратными . Это означает, что энергия не непрерывна, как полагали на протяжении столетий, а квантуется , т.е. существует лишь в строго определенных дискретных порциях. Наименьшая порция называется квантом энергии . Гипотезу квантов можно сформулировать и как утверждение о том, что на атомно-молекулярном уровне колебания происходят не с любыми амплитудами. Допустимые значения амплитуды связаны с частотой колебания ν .

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта). Согласно теории Эйнштейна, свет с частотой ν не только испускается , как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами) , энергия которых . Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (с ). Квант электромагнитного излучения получил название фотон .

Как мы уже говорили, испускание электронов с поверхности металла под действием падающего на него излучения соответствует представлению о свете как об электромагнитной волне, т.к. электрическое поле электромагнитной волны воздействует на электроны в металле и вырывает некоторые из них. Но Эйнштейн обратил внимание на то, что предсказываемые волновой теорией и фотонной (квантовой корпускулярной) теорией света детали фотоэффекта существенно расходятся.

Итак, мы можем измерить энергию вылетевшего электрона, исходя из волновой и фотонной теории. Чтобы ответить на вопрос, какая теория предпочтительней, рассмотрим некоторые детали фотоэффекта.

Начнем с волновой теории, и предположим, что пластина освещается монохроматическим светом . Световая волна характеризуется параметрами: интенсивностью и частотой (или длиной волны ). Волновая теория предсказывает, что при изменении этих характеристик происходят следующие явления:

· при увеличении интенсивности света число выбитых электронов и их максимальная энергия должны возрастать, т.к. более высокая интенсивность света означает большую амплитуду электрического поля, а более сильное электрическое поле вырывает электроны с большей энергией;

выбитых электронов; кинетическая энергия зависит только от интенсивности падающего света.

Совершенно иное предсказывает фотонная (корпускулярная) теория. Прежде всего, заметим, что в монохроматическом пучке все фотоны имеют одинаковую энергию (равную h ν). Увеличение интенсивности светового пучка означает увеличение числа фотонов в пучке, но не сказывается на их энергии, если частота остается неизменной. Согласно теории Эйнштейна, электрон выбивается с поверхности металла при соударении с ним отдельного фотона. При этом вся энергия фотона передается электрону, а фотон перестает существовать. Т.к. электроны удерживаются в металле силами притяжения, для выбивания электрона с поверхности металла требуется минимальная энергия A (которая называется работой выхода и составляет, для большинства металлов, величину порядка нескольких электронвольт). Если частота ν падающего света мала, то энергии и энергии фотона недостаточно для того, чтобы выбить электрон с поверхности металла. Если же , то электроны вылетают с поверхности металла, причем энергия в таком процессе сохраняется, т.е. энергия фотона (h ν) равна кинетической энергии вылетевшего электрона плюс работе по выбиванию электрона из металла:

(2.3.1)

Уравнение (2.3.1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

На основе этих соображений, фотонная (корпускулярная) теория света предсказывает следующее.

1. Увеличение интенсивности света означает увеличение числа налетающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов. Но так как энергия фотонов одна и та же, максимальная кинетическая энергия электрона не изменится (подтверждается I закон фотоэффекта ).

2. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов линейно возрастает в соответствии с формулой Эйнштейна (2.3.1). (Подтверждение II закона фотоэффекта ). График этой зависимости представлен на рис. 2.3.

Рис. 2.3

3. Если частота ν меньше критической частоты , то выбивание электронов с поверхности не происходит (III закон ).

Итак, мы видим, что предсказания корпускулярной (фотонной) теории сильно отличаются от предсказаний волновой теории, но очень хорошо совпадают с тремя экспериментально установленными законами фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна было подтверждено опытами Милликена, выполненными в 1913–1914 гг. Основное отличие от опыта Столетова в том, что поверхность металла подвергалась очистке в вакууме. Исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и определялась постоянная Планка h .

В 1926 г. российские физики П.И. Лукирский и С.С. Прилежаев для исследования фотоэффекта применили метод вакуумного сферического конденсатора. Анодом служили посеребренные стенки стеклянного сферического баллона, а катодом – шарик (R ≈ 1,5 см) из исследуемого металла, помещенного в центр сферы. Такая форма электродов позволяла увеличить наклон ВАХ и тем самым более точно определить задерживающее напряжение (а следовательно, и h ). Значение постоянной Планка h , полученное из этих опытов, согласуется со значениями, найденными другими методами (по излучению черного тела и по коротковолновой границе сплошного рентгеновского спектра). Все это является доказательством правильности уравнения Эйнштейна, а вместе с тем и его квантовой теории фотоэффекта.

Для объяснения теплового излучения Планк предположил, что свет испускается квантами. Эйнштейн при объяснении фотоэффекта предположил, что свет поглощается квантами. Также Эйнштейн предположил, что свет и распространяется квантами, т.е. порциями. Квант световой энергии получил название фотон . Т.е. опять пришли к понятию корпускула (частица).

Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте, в котором использовался метод совпадения (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Тонкая металлическая фольга Ф помещалась между двумя газоразрядными счетчиками Сч . Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновских лучей (это явление называется рентгеновской флуоресценцией). Вследствие малой интенсивности первичного пучка, количество квантов, испускаемых фольгой, было невелико. При попадании квантов на счетчик механизм срабатывал и на движущейся бумажной ленте делалась отметка. Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, оба счетчика должны были срабатывать одновременно и отметки на ленте приходились бы одна против другой. В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок. Это можно объяснить лишь тем, что в отдельных актах испускания возникают световые частицы, летящие то в одном, то в другом направлении. Так было экспериментально доказано существование особых световых частиц – фотонов.

Фотон обладает энергией . Для видимого света длина волны λ = 0,5 мкм и энергия Е = 2,2 эВ, для рентгеновских лучей λ = мкм и Е = 0,5 эВ.

Фотон обладает инертной массой , которую можно найти из соотношения :

;

(2.3.2)

Фотон движется со скоростью света c = 3·10 8 м/с. Подставим это значение скорости в выражение для релятивистской массы:

Фотон – частица, не обладающая массой покоя. Она может существовать, только двигаясь со скоростью света c .

Найдем связь энергии с импульсом фотона.

Мы знаем релятивистское выражение для импульса:

(2.3.3)

И для энергии:

(2.3.4)

СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ
ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

В классической теории зависимость интенсивности от частоты в спектре излучения нагретого тела выражается монотонно возрастающей кривой.

Это противоречит даже закону сохранения энергии, так как излучение любого нагретого тела обладает конечной энергией и его интенсивность с ростом частоты не должна стремиться к бесконечности.

Эксперимент дает кривую 2, согласно которой на больших частотах интенсивность излучения стремиться к нулю.

Чтобы снять противоречие, Планк выдвинул неклассическую гипотезу: нагретые тела испускают свет не непрерывно, а отдельными порциями - квантами энергии, величина которых прямо пропорциональна частоте

где , h - постоянная Планка.

Эта гипотеза позволила построить теорию, полностью объясняющую зависимость спектральной плотности излучения нагретого тела от частоты, а также по экспериментальным результатам определить значение постоянной Планка:

h = 6,63 *10 -34 Дж*с

ФОТОЭФФЕКТ

Внешний фотоэффект - вырывание электронов из вещества под действием света.

Цинковую пластину, соединенную с электрометром, зарядим положительно и осветим электрической дугой. Показания электрометра останутся неизменными. Повторим опыт, сообщив пластине отрицательный заряд. При ее освещении показания электрометра уменьшатся до нуля. Опыт доказывает, что свет вырывает электроны с поверхности пластины.

Фотоэлемент, представляющий собой прозрачный баллон с двумя электродами (из которого выкачан воздух), включим в цепь из источника постоянного напряжения, потенциометра, гальванометра и вольтметра. Изменяя напряжение между катодом и анодом, снимем вольтамперную характеристику фотоэлемента при неизменном освещении.

При увеличении потенциала анода сила фототока монотонно возрастает и, достигнув тока насыщения I н остается неизменной. Это значит, что все электроны, выбитые светом с поверхности катода в единицу времени, при данном напряжении достигли анода.

Задерживающее напряжение U з - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

По закону сохранения энергии максимальная кинетическая энергия выбитого фотоэлектрона

Законы фотоэффекта

1. Количество электронов, выбитых с поверхности металла за единицу времени, прямо пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света и не зависит от интенсивности.

3. Если частота света меньше предельного значения min , называемого красной границей, то фотоэффект не происходит.

ТЕОРИЯ ФОТОЭФФЕКТА

По современным представлениям свет имеет двойственную природу - это одновременно электромагнитная волна и поток фотонов. Каждый фотон переносит квант энергии, поэтому энергия фотонов пропорциональна частоте:

E=h 0 , где h=6,63*10 -34 Дж*с

При падении света на металл большая часть фотонов просто поглощается, вызывая нагревание. Некоторые фотоны взаимодействуют со свободными электронами. Если это взаимодействие приводит к выбиванию электрона из металла, то энергия фотона h идет на совершение работы выхода А электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии Так из закона сохранения энергии получается уравнение Эйнштейна:

Оно объясняет все законы фотоэффекта.

1. Интенсивность света пропорциональна числу фотонов, падающих на единицу площади поверхности за единицу времени. Поэтому чем больше интенсивность, тем больше число выбитых из катода электронов, а значит и сила тока насыщения.

2. Увеличение частоты света не приводит к росту числа выбитых электронов, а приводит к увеличению их максимальной кинетической энергии:

3. Из уравнения Эйнштейна следует, что минимальное значение частоты, при которой вся энергия фотона идет на совершение работы выхода электрона, определяется из условия она равна

Если частота света меньше красной границы min , то энергии фотона недостаточно для вырывания электрона из металла, и фотоэффекта не происходит.

Фотон и его свойства.

Фотон – материальная, электрически нейтральная частица.

Энергия фотона , так как

Согласно теории относительности Е=mс 2 =h , отсюда где m - масса фотона, эквивалентная энергии.

Импульс ,так как . Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально существованием светового давления.

Основные свойства фотона

Является частицей электромагнитного поля.
Движется со скоростью света.
Существует только в движении.
Остановить фотон нельзя: он либо движется с v = с, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Пример. Для определения постоянной Планка был поставлен опыт, в котором при освещении фотоэлемента гальванометр регистрирует слабый фототок, когда контакт потенциометра находится в крайнем положении. Скользящий контакт передвигают, постепенно увеличивая запирающее напряжение до тех пор, пока не прекратится фототок. При освещении фотоэлемента красным светом с частотой 1 = 3,9*10 14 Гц запирающее напряжение U 1 = 0,5 В, а при освещении фиолетовым светом с частотой 2 = 7,5*10 14 Гц запирающее напряжение U 2 = 2 В. Какое значение постоянной Планка было получено?

Запишем уравнения Эйнштейна для двух указанных случаев фотоэффекта:

Электроны, вылетевшие с поверхности металла, задерживаются тормозящим электрическим полем. Изменение их кинетической энергии равно в этом случае работе электрического поля:

Тогда первые два равенства можно представить в виде:

При вычитании первого выражения из второго получаем

Ответ: согласно измерениям постоянная Планка 6,7*10 -34 Дж*с.

Фотон является безмассовой частицей и способен существовать только в вакууме. Также он не имеет никаких электрических свойств, то есть его заряд равен нулю. В зависимости от контекста рассмотрения существует различные трактовки описания фотона. Классическая (электродинамика) представляет его как электромагнитную волну, имеющую круговую поляризацию. Также фотон проявляет свойства частицы. Такое двойственное представление о нем называется корпускулярно-волновым дуализмом. С другой стороны, квантовая электродинамика описывает частицу фотона как калибровочный бозон, позволяющий формировать электромагнитное взаимодействие.

Среди всех частиц Вселенной фотон имеет максимальную численность. Спин (собственный механический момент) фотона равен единице. Также фотон может находиться только в двух квантовых состояния, одно из которых имеет проекцию спина на определенное направление, равную -1, а другое – равную +1. Данное квантовое свойство фотона отражается в его классическом представлении как поперечность электромагнитной волны. Масса покоя фотона равна нулю, из чего следует его скорость распространения, равная скорости света.

Частица фотона не имеет электрических свойств (заряда) и достаточно стабильна, то есть фотон не способен самопроизвольно распадаться в вакууме. Данная частица излучается во многих физических процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, а также энергетических скачках ядра атома или самого атома из одного состояния в другое. Также фотон способен поглощаться при обратных процессах.

Корпускулярно-волновой дуализм фотона

Корпускулярно-волновой дуализм, свойственный фотону, проявляется в многочисленных физических экспериментах. Фотонные частицы участвуют в таких волновых процессах, как дифракция и интерференция, когда размеры препятствий (щелей, диафрагм) сравнимы с размером самой частицы. Особенно это ярко заметно в опытах с дифракцией одиночных фотонов на единственной щели. Также точечность и корпускулярность фотона проявляется в процессах поглощения и излучения объектами, размеры которых гораздо меньше длины волны фотона. Но с другой стороны, представление фотона как частицы тоже не является полноценным, ибо оно опровергается корреляционными экспериментами, основанными на запутанных состояниях элементарных частиц. Поэтому принято рассматривать частицу фотона, в том числе, и как волну.

Видео по теме

Источники:

Фотон 1099: всё о машине

Главное квантовое число - это целое число , которое является определением состояния электрона на энергетическом уровне. Энергетический уровень – это набор стационарных состояний электрона в атоме с близкими значениями энергии. Главное квантовое число определяет удаленность электрона от ядра, и характеризует энергию электронов, которые этот уровень занимают.

Совокупность чисел, которые характеризуют состояние , называются квантовыми числами. Волновую функцию электрона в атоме, его уникальное состояние определяют четыре квантовых числа – главное, магнитное, орбитальное и сплин – момент движения элементарной , выраженный в количественном значении. Главное квантовое число имеет n .Если главное квантовое число увеличивается, то соответственно увеличивается и орбита, и энергия электрона. Чем меньше значение n, тем больше значение энергетического взаимодействия электрона . Если суммарная энергия электронов является минимальной, то состояние атома называется невозбужденным или основным. Состояние атома с высоким значением энергии называется возбужденным. На уровне самое большое число электронов можно определить формулой N = 2n2.Когда случается переход электрона с одного энергетического уровня на другой, изменяется и главное квантовое число .В квантовой теории утверждение, что энергия электрона квантуется, то есть может принимать лишь дискретные, определенные значения. Чтобы знать состояние электрона в атоме необходимо учитывать энергию электрона, форму электронного и других параметров. Из области натуральных чисел, где n может быть равно 1 и 2, и 3 и так далее, главное квантовое число может принимать какое угодно значение. В квантовой теории энергетические уровни обозначают буквами, значение n - числами. Номер периода, где находится элемент, равен числу энергетических уровней в атоме, находящемся в основном состоянии. Все энергетические уровни состоят из подуровней. Подуровень состоит из атомных орбиталей, которые определяются, характеризуются главным квантовым число м n, орбитальным число м l и квантовым число м ml. Число подуровней каждого уровня не превышает значение n.Волновое уравнение Шредингера является самым удобным электронного строения атома.

Квантовая физика стала огромным толчком для развития науки в XX веке. Попытка описать взаимодействие мельчайших частиц совершенно иным образом, с помощью квантовой механики, когда некоторые проблемы классической механики уже казались неразрешимыми, произвела настоящую революцию.

Причины возникновения квантовой физики

Физика – , описывающая законы, по которым функционирует мир. Ньютоновская, или классическая возникла еще в Средние века, а ее предпосылки можно было видеть в древности. Она отлично объясняет все, что происходит на масштабах, воспринимаемых человеком без дополнительных измерительных приборов. Но люди столкнулись с множеством противоречий, когда начали изучать микро- и макромир, исследовать как мельчайшие частицы, из которых состоит вещество, так и гигантские галактики, окружающие родной человеку Млечный путь. Оказалось, что классическая физика подходит не для всего. Именно так появилась квантовая физика – наука, квантово-механические и квантово-полевые системы. Технические приемы для изучения квантовой физики – это квантовая механика и квантовая теория поля. Они также используются и в других, смежных разделах физики.

Основные положения квантовой физики, в сравнении с классической

Тем, кто только знакомится с квантовой физикой, ее положения нередко кажутся нелогичными или даже абсурдными. Однако, вникая в них глубже, проследить логику уже гораздо проще. Проще всего узнавать основные положения квантовой физики, сравнивая ее с классической.

Если в классической считается, что природа неизменна, какими бы способами ученые ее ни описывали, то в квантовой физике результат наблюдений будет очень сильно зависеть от того, каким способом измерения пользоваться.

Согласно законам механики Ньютона, которые являются основой классической физики, частица (или материальная точка) в каждый момент времени имеет определенное положение и скорость. В квантовой механике это не так. В ее основе – принцип суперпозиции расстояний. То есть, если квантовая частица может пребывать в одном и в другом состоянии, то, значит, она может пребывать и в третьем состоянии – сумме двух предыдущих (это называется линейная комбинация). Поэтому нельзя точно определить, где будет находиться частица в определенный момент времени. Можно лишь вычислить вероятность ее пребывания где бы то ни было.

Если в классической физике можно построить траекторию движения физического тела, то в квантовой – только распределение вероятностей, которое будет изменяться во времени. При этом максимум распределения всегда находится там, где его определяет классическая механика! Это очень важно, так как позволяет, во-первых, проследить связь между классической и квантовой механикой, а во-вторых, показывает, что они не противоречат друг другу. Можно сказать, что классическая физика является частным случаям квантовой.

Вероятность в классической физике появляется, когда исследователю неизвестны какие-то свойства объекта. В квантовой физике вероятность фундаментальна и присутствует всегда, независимо от степени незнания.

В классической механике допускаются любые значения энергии и скорости для частицы, а в квантовой – только определенные значения, «квантованные». Их называют собственными значениями, каждому из которых соответствует собственное состояние. Квант – это «порция» какой-либо величины, которую нельзя разделить на составляющие.

Один из фундаментальных принципов квантовой физики – Принцип неопределенности Гейзенберга. Речь в нем идет о том, что никак не получится одновременно выяснить и скорость, и положение частицы. Измерить можно только лишь что-то одно. Причем, чем лучше прибор измерит скорость частицы, тем меньше будет известно о ее положении, и наоборот.

Дело в том, что для того, чтобы частицу измерить, нужно на нее «посмотреть», то есть, отправить в ее сторону частицу света – фотон. Этот фотон, про который исследователю все известно, столкнется с измеряемой частицей и изменит свои и ее свойства. Это примерно то же самое, что измерять скорость движущегося автомобиля, посылая другой автомобиль с известной скоростью ему навстречу, а потом, по изменившейся скорость и траектории второго автомобиля исследовать первый. В квантовой физике исследуются настолько малые объекты, что даже фотоны – частицы света – изменяют их свойства.

8.1. Энергия электромагнитного поля

Состояние электромагнитного поля в резонаторе можно задать, перечислив состояния всех соответствующих допустимым модам излучения полевых осцилляторов (8.1). Независимость друг от друга полевых осцилляторов позволяет представить состояние всего электромагнитного поля в виде произведения состояний каждой его моды. Полная энергия оказывается равной сумме энергий, находящихся в каждой из мод (8.2). Энергия каждой моды может принимать дискретные значения, отстоящие друг от друга на величину, равную энергии планковского кванта (8.3). Это свойство позволяет формально сопоставить каждому состоянию полевого осциллятора набор частиц, каждая из которых обладает энергией (8.3), число которых равно номеру этого состояния. Такие частицы принято называть фотонами .

Определенные трудности в теории вызывает тот факт, что энергии нижних состояний полевых осцилляторов оказываются отличными от нуля. Т.о. любая мода из бесконечного набора даже в отсутствии в ней реально наблюдаемых фотонов обладает энергией, равной половине энергии планковского кванта. Полная же энергия вакуума, даже в случае отсутствия в нем излучения оказывается бесконечно большой. В рассматриваемом случае представляется малоприемлемым часто используемый в физике способ переопределения энергии системы за счет сдвига начального уровня ее отсчета. Происхождение отличного от нуля значения энергии нижнего состояния имеет глубокий физический смысл, поскольку проистекает из правила коммутации операторов обобщенной координаты и импульса. Именно это свойство операторов в конечном итоге приводит к правильному описанию эффекта спонтанного излучения, не объясненного «классической» квантовой механикой и ряда других «тонких» эффектов, наблюдаемых на эксперименте. Следуя введенной терминологии, соответствующие «половинкам фотонов» нижние состояния можно назвать темновыми фотонами или нуль-колебаниями электромагнитного вакуума . Вместе с тем следует отметить, что полученный результат в виде бесконечно большой энергии элдектромагнитного вакуума,по-видимому, является физически бессмысленным и свидетельствует о внутренней противоречивости и незавершенности имеющейся на сегодняшний день квантовой релятивистской теории излучения.

		Задание состояния электромагнитного поля в резонаторе в виде совокупности невзаимодействующих друг с другом полевых осцилляторов.
		Энергия электромагнитного поля как сумма энергий полевых осцилляторов.
		Энергия фотона, соответствующего моде излучения с волновым вектором k .

8.2. Импульс электромагнитного поля

Фотон, как ультрарелятивистская частица, помимо энергии должен обладать и импульсом , связанным с энергией стандартным релятивистским соотношением (8.4). Ожидаемое выражение для импульса фотона может быть действительно получено в рамках принятого в квантовой электродинамике формализма полевых осцилляторов. Явный вид оператора импульса (8.5) записывается естественным образом по аналогии с классическим выражением и с учетом ранее полученных выражений для операторов векторного потенциала и поля (7.29 - 7.30) может быть выражен через операторы обобщенных координат и импульсов полевых осцилляторов (8.6). Из последнего соотношения непосредственно следует ожидаемое из не квантовой релятивистской теории «правильное» выражение для импульса электромагнитного поля (8.7). В отличие от рассмотренной противоречивой ситуации с энергией, в случае импульса электромагнитного поля из-за векторного характера входящих в сумму слагаемых полный импульс не содержащего электромагнитного излучения пространства в определенном смысле оказывается равным нулю.

		Квадрат четырехвектора энергии-импульса для фотона и выражение для импульса фотона.
		Оператор импульса электромагнитного поля в резонаторе.
		Оператор импульса электромагнитного поля в виде разложения на осцилляторы.
		Импульс квантованного электромагнитного поля.

8.3. Поляризация излучения и «спин» фотона

Если в рамках классической физики понятие поляризации электромагнитных волн не требует особых комментариев, то выяснение смысла этой характеристики в случае корпускулярного описания представляется весьма содержательным.

Даже на языке классической физики может быть приведен ряд соображений, указывающих на тесную связь поляризации излучения со спином фотона, который в случае движущейся со скоростью света частицы обычно называют спиральностью . Для выяснения связи поляризации излучения с переносимым им моментом импульса достаточно рассмотреть процесс взаимодействия атома Томсона с излучением круговой поляризации. При установившемся вынужденном вращении квазиупругого электрона с частотой вращения электрического поля волны угол между векторами скорости электрона и напряженности поля остается постоянным. При этом скорость передачи энергии излучения системе оказывается пропорциональной скорости передачи ей момента импульса (8.8). Подстановка в полученное выражение планковской формулы для энергии излучения приводит к предположению о том, чтоz-проекция момента импульса фотона с круговой поляризацией может иметь величину, равную постоянной Планка. В этом случае кажется логичным приписать фотону собственный момент импульса равный по величине одной постоянной Планка.

К аналогичному выводу приводят и другие соображения, основанные на связи величины спина системы с трансформационными свойствами состояний поляризации излучения при вращении системы координат. Так очевидно, что при повороте системы координат вокруг оси z, направление которой совпадает с направлением распространения плоской монохроматической волны, два возможных состояния ее линейной поляризации преобразуются друг через друга (8.9). В случае же состояний круговой поляризации (8.10) поворот системы координат приводит лишь к их умножению на фазовый множитель (8.11) в точности совпадающий с аналогичным множителем, возникающим при поворотах вокруг оси z систем с единичным спином. Именно это свойство состояний поляризации позволяет приписать фотону плоской монохроматической волны круговой поляризации собственный момент импульса, равный единице.

Приписывание фотону единичного спина носит несколько условный характер, поскольку спином принято называть внутренний момент импульса частицы в тех системах отсчета, относительно которых рассматриваемая частица остается неподвижной. Именно отсутствие системы отсчета, в которой частица может покоиться, в конечном итоге приводит к запрету существования фотонов в сферически-симметричных состояниях. Именно по этой причине состояние |S=1, M S =0> случае фотонов оказываются нереализуемыми в природе.

		Скорости передачи энергии и момента импульса атому Томсона электромагнитным излучением круговой поляризации и связь между моментом импульса и энергией классического электромагнитного излучения.
		Преобразование состояний линейной поляризации при вращении системы координат.
		Связь между состояниями круговой и линейной поляризацией
		Преобразование состояний круговой поляризации излучения при вращении системы координат.

8.4. Полный момент и четность фотона

При решении задач взаимодействия излучения с атомом электромагнитное поле удобнее рассматривать как совокупность сферических волн, являющихся решением уравнения Д’Аламбера, записанным в сферических координатах (8.12). В некотором смысле это уравнение для векторного потенциала можно рассматривать как аналог уравнения Шредингера для электрона (2.4 - 2.5). Оба уравнения имеют сходную структуру и содержат квадрат оператора момента количества движения. Отличие состоит лишь в отсутствии слагаемого, содержащего кулоновский потенциал 9фотон является электрически нейтральной частицей) и в векторном характере искомого решения. Последнее требует некоторого уточнения: строго говоря, волновая функция электрона в классическом уравнении Шредингера не является скаляром, поскольку содержит в себе спиновую часть, отвечающую двум возможным состояниям собственного момента количества движения электрона (спин 1/2). В этом смысле различие между векторным потенциалом («волновой функцией») для фотона и «скалярной» (а реально - двухкомпонентной) волновой функцией электрона состоит только в величине спина сравниваемых элементарных частиц. Следует еще раз напомнить, что величина спина характеризует число состояний неподвижного объекта, преобразующихся друг через друга при вращениях координат.

Как и в случае решения задачи о движении электрона в кулоновском поле ядра стационарное (т.е. зависящее от времени по гармоническому закону) решение этого уравнения разумно искать в виде произведения двух функций: радиальной и угловой (8.13). В качестве последней следует использовать любую из ранее введенных шаровых функций (5.7), составляющих полный набор собственных функцией оператора квадрата момента количества движения. Построенное решение (8.13) содержит два множителя, преобразующиеся при вращениях системы координат: шаровые функции и вектор поляризации. Формально, по аналогии с задачей о электроне в атоме водорода, порядку l шаровой функции Y lm хочется сопоставить момент импульса фотона, а вектору поляризации - равный единице спин фотона (частицы с единичным спином ведут себя при вращениях подобно классическому вектору). Полный же момент фотона (как и в случае электрона) должен представлять сумму орбитального и спинового.

К сожалению, приведенная аналогия не является вполне удовлетворительнойиз-заравенства нулю массы покоя фотона. Эта очевидная особенность фотона делает невозможным существование системы координат, в которой бы он покоился. В результате понятие спина, традиционно определяемое как собственный момент количества движения покоящейся частицы, для фотона теряет смысл. Так же оказывается невозможным и корректное определение спина фотона как характеристики числа состояний, преобразующихся друг через друга при поворотах: обязательное для фотона состояние движение со скоростью света всегда выделяет одно направление в пространстве, изменение которого при повороте означало бы изменение волнового вектора фотона и, следовательно, номер соответствующей ему моды. Невозможность корректного разделения орбитального и спинового моментов фотона можно пояснить и на еще одном языке: условие поперечности для электромагнитных волн по существу накладывает дополнительное ограничение на взаимную ориентацию волнового вектора и вектора поляризации. В результате «орбитальное» и «спиновое» движение фотона не могут считаться независимыми. Т.о. в случае фотона оказывается возможным говорить только о полном моменте импульса частицы.

Помимо энергии, импульса и полного момента фотону может быть приписана определенная четность , характеризующая поведение волновой функции при инверсии координат. Указанная операции изменяет знак обычного трехмерного пространственного вектора на противоположный. Шаровая функция с индексами l, m=l при инверсии ведет себя подобно 2l - положительно направленным спинорам, каждая пара которых подобны пространственному вектору (8.14). Т.о. четность такой функции оказывается равной (-1) l . При поворотах системы координат шаровая функция с указанными индексами преобразуется через набор всевозможных шаровых функций порядка l . Поскольку в случае отсутствия слабых взаимодействий оператор инверсии с гамильтонианом системы, он коммутирует и с входящим в выражение для гамильтониана оператором квадрата момента импульса, а следовательно - и со связанным с ним оператором поворота. В результате оказывается, что весь набор шаровых функций порядка l обладает одинаковой четностью.

Из-затого, что волновая функция фотона носит векторный характер (т.е. содержит вектор поляризации, четность которого отрицательна), полная четность фотона оказывается равной (-1) l+1 .

8.5. Векторная частицы в состояниях с различными целочисленными моментами импульса

Для построения классификации фотонов по моменту и четности целесообразно решить вспомогательную задачу нахождения допустимых значений полных моментов нерелятивистской векторной частицы с заданным орбитальным моментом. В качестве простейшего примера может быть рассмотрена векторная частица в р-состоянии(с орбитальным моментом l=1 ). Базисные состояния такой системы могут быть заданы в виде произведений состояний орбитального и спинового моментов (8.15). Такой базис разумно называть набором состояний с определенными проекциями орбитального и спинового моментов. Проекция полного момента системы на вертикальную ось по-прежнему определяется исходя из результата действия на состояние оператора поворота вокруг оси z. Состоянию с равными единице проекциями на ось z орбитального и спинового моментов может быть так же отнесено к состоянию нового базиса с полным моментом j=2 и его максимально возможной проекцией M j =+2 (8.16). Остальные 4 состояния из группы с j=2 представляют собой симметричные линейные комбинации исходных базисных состояний (8.15) с одинаковыми суммами проекций орбитального и спинового моментов (8.17). В последнем утверждении легко убедиться, подействовав оператором произвольного поворота на состояние |j=2, m=2> , в результате которого указанное состояние должно превратиться в линейную комбинацию группы новых базисных состояний вида |j=2,M j > (8.18). Всей этой группе соответствуют состояния, представляющие собой полностью симметричны линейные комбинации всех мыслимых комбинаций из четырех спиноров, взятых с одинаковыми весовыми множителями. В свою очередь, из этих линейных комбинаций легко составить состояния исходного базиса с определенными проекциями обоих моментов.

Оставшаяся антисимметричные линейные комбинации состояний старого базиса с |M|

Т.о. из заданного набора 9 произведений состояний с определенными проекциями моментов удалось построить такое же число новых базисных состояний с определенным значением полного момента и его проекции. В полном соответствии с квантовомеханическими правилами сложения моментов множество вновь построенных состояний содержит суммарные моменты, лежащие в интервале от |l-s| до l+s.

8.6. Классификация фотонов

Перечисленные по алгоритму (8.15) набор состояний с полным моментом для векторной частицы оказывается избыточным для фотона, не имеющего «продольных» состояний с направленным по волновому вектору вектором поляризации. Для выявления «лишних» состояний продольной поляризации полезно установить их четность. Для того, чтобы физические свойства гипотетического «продольного» фотона оставались неизменными, производимые над ним преобразования симметрии не должны затрагивать волнового вектора (и параллельного ему вектора поляризации). Т.о. оказываются возможными только вращения вокруг волнового вектора, в результате которых объект должен проявлять свойства симметрии, соответствующие его полному моменту j . Т.о. координатная часть волновой функции фотона должна содержать шаровую функцию порядка j. При инверсии координат, не затрагивающей направление вектора k , шаровая функция полностью определяет четность всей волновой функции фотона - (-1) j . Именно состояние с такой четностью оказывается «лишним» и должно быть вычеркнуто их полного списка возможных состояний фотонов:

Четность = (-1) (-1) l	Четность= F(j)	Классификационное название

		Электрический дипольный фотон
		Магнитный дипольный фотон.
		Продольное состояние (не сущ-т).
		Электрический квадрупольный фотон.
		Магнитный квадрупольный фотон.
		Продольное состояние (не сущ-т)