2. Световые волны и фотоны

   1. Световые волны

С понятиями свет или оптическое излучение связывают электромагнитные волны, длина которых находится в диапазоне значений примерно от 0,01 до 100 мкм. Эти волны называют световыми волнами.

Н

Рисунок 1 Схематическое изображение электромагнитной волны

апомним некоторые сведения об электромагнитных волнах, известных из курса физики. Электромагнитная волна представляет собой распространяющуюся со скоростью света систему периодически изменяющихся электрических и магнитных полей, ориентированных перпендикулярно друг к другу и к направлению распространения волны. «Моментальный снимок» такой системы приведён на рис. 1 Частота колебаний векторов Е и В связана с длиной волны соотношением ν = υ/λ (υ – скорость распространения волны в среде). υ = с/п (п – показатель преломления среды; с – скорость света в вакууме).

Описанная волна является идеализированной. Она идеально монохроматична, имеет плоский фронт и идеально поляризована. В действительности же световая волна характеризуется разбросом частот, её фронт никогда не является плоским, обычно не имеет определённой плоскости поляризации. Лучше всего представлять её в виде потока микрочастиц (фотонов)

2. Фотон

Фотон занимает определённое место в списке элементарных частиц. Он не имеет массы покоя, у него нет электрического заряда. В любой системе отсчёта скорость фотона равна скорости света в вакууме. Как и любую другую элементарную частицу, фотон нельзя представить себе наглядно. Чтобы описать фотон, нужно определить, во-первых, энергию фотона ε и, во-вторых, направление его движения. Это означает, что надо задать импульс фотона р. Направление этого вектора есть направление движения фотона, а его модуль есть энергия фотона, делённая на скорость света в вакууме: р = ε/с.

Кроме того, надо определить поляризацию фотона. Обозначим поляризацию фотона через γ; смысл этой характеристики поясним немного позднее. Пока заметим лишь, что она принимает два значения, что отвечает двум возможным поляризациям фотона.

И так, чтобы «задать» фотон, надо определить 4 величины: три проекции импульса и поляризацию γ. При этом будет определена также энергия фотона: Если два фотона имеют одинаковую четвёрку величин , γ, то говорят, что эти фотоны находятся в одном и том же состоянии. Следовательно, указанные 4 величины могут рассматриваться как характеристики фотонных состояний. Переход от одного фотонного состояния к другому связан с изменением хотя бы одной из этих величин.

Различить два фотона можно лишь в том случае, если они находятся в разных состояниях. Все фотоны, находящиеся в одном и том же состоянии, принципиально неразличимы. Важно отметить, что характеристики фотонного состояния соответствуют характеристикам плоской монохроматической поляризованной световой волны.

Направление импульса фотона совпадает с направлением распространения волны. Поляризация фотона соответствует поляризации волны. Два возможных значения поляризации фотона отвечают двум независимым состояниям поляризации волны (в двух взаимно- перпендикулярных плоскостях). Энергия фотона выражается через частоту волны следующим образом: ε = hν, где h- постоянная Планка. Подставив в это выражение р = ε/с, получим р = hν/с = h/λ. Два последних выделенных соотношения отражают корпускулярно-волновой дуализм свойств света (связь характеристик микрочастиц ε и р с характеристиками волны ν и λ).

Итак, плоская монохроматическая поляризованная световая волна представляет собой коллектив фотонов, находящихся в одном и том же состоянии. Различным фотонным состояниям соответствуют различные плоские монохроматические поляризованные волны.