ВОЛНОВЫХ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Исторически сложилось так, что для светового излучения первоначально сформировались волновые представления, и большая группа оптических явлений неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах электромагнитного излучения (интерференция, дифракция и др.).

С другой стороны, все вышеизложенное в данной главе служит убедительным доказательством справедливости квантовых (корпускулярных) представлений о свойствах излучения (фотоэффект, Комптон-эффект, тепловое излучение).

В связи с этим уместен вопрос: что же такое свет? Непрерывные электромагнитные волны или поток дискретных частиц-фотонов?

Одним из наиболее значительных достижений физики 20 века служит постепенное убеждение в ошибочности попытки противопоставить друг другу волновые и квантовые свойства излучения. Непрерывность, характерная для электромагнитного поля световой волны, не исключает дискретности, характерной для световых квантов (фотонов).

Свет одновременно обладает и тем и другим свойством, представляя собой диалектическое единство этих противоположных свойств, причем, в их проявлении существует определенная закономерность. С уменьшением длины волны l (увеличением частоты w) все более отчетливо сказывются квантовые свойства света, а волновые выражаются весьма слабо. То есть, если “перемещаться“ по шкале электромагнитных волн от длинных к коротким, то волновые свойства электромагнитного излучения будут постепенно уступать место квантовым свойствам.

Основные уравнения, связывающие корпускулярные (энергия, импульс фотона) и волновые свойства (частота, длина волны):

и .

Чем меньше энергия и импульс фотона, тем труднее обнаружить квантовые свойства излучения (с этим, в частности, связано существование “красной границы“ фотоэффекта).

Двойственная, корпускулярно-волновая природа излучения (корпускулярно-волновой дуализм) находит простое толкование при статистическом (вероятностном) подходе к рассмотрению закономерностей распространения света. Например, при дифракции света происходит перераспределение фотонов в пространстве: освещенность (Е_осв ) той или иной точки экрана пропорциональна суммарной энергии фотонов, попавших в эту точку, то есть вероятности (dP) попадания в нее фотонов (E_осв~dP). С другой стороны, по волновой теории освещенность пропорциональна квадрату амплитуды световой волны в той же точке (Е_осв~ ) Следовательно, квадрат амплитуды E²_m электромагнитной волны в какой-либо точке пространства является мерой вероятности (dP) попадания фотонов в эту точку:

(dP) ~ .

Корпускулярные свойства обусловлены тем, что энергия и импульс излучения локализованы (сосредоточены) в отдельных (дискретных) частицах-фотонах, а волновые свойства обусловлены статистическими закономерностями, определяющими вероятность распределения фотонов в пространстве.

Волновые свойства присущи каждому фотону в отдельности и проявляются в том, что для фотона нельзя указать точно, в какую именно точку пространства он попадет после прохождения оптической системы (дифракционной решетки, например). То есть, фотоны качественно отличаются от “световых корпускул” Ньютона, поэтому создание квантовой теории света не означало возврат к механической корпускулярной теории Ньютона.