Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения

Мы рассмотрели ряд явлений, связанных с электромагнитным излучением. В явлениях интерференции, дифракции, поляризации электромагнитное излучение ведет себя как волна. С другой стороны, тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона служат убедительным доказательством того, что электромагнитное излучение представляет собой поток фотонов. Давление света и преломление света одинаково хорошо объясняются как квантовой, так и волновой теориями. Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств – непрерывных (волны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга.

Корпускулярные свойства света – энергия Е и импульс p – связаны с его волновыми свойствами – частотой n (длиной волны λ), как было показано ранее (2.1.7), соотношениями Е=hn и p=hn/с= h/λ.

Свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов. Свет обладает корпускулярными и волновыми свойствами одновременнои обнаруживает определенные закономерности в их проявлении. Волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, а корпускулярные – в процессах его взаимодействия с веществом. Энергия и импульс фотона уменьшаются с увеличением длины волны (уменьшением частоты), поэтому длинноволновое излучение обнаруживает преимущественно волновые свойства. Наоборот, коротковолновое излучение, обладающее значительными энергией и импульсом фотонов, труднее обнаруживает волновые свойства и проявляет преимущественно свойства корпускулярные. Например, дифракция рентгеновских лучей наблюдается только на пространственных решетках – кристаллах, имеющих расстояние между атомами порядка 10^–10 м.

Взаимосвязь двойственных корпускулярно-волновых свойств электромагнитного излучения можно объяснить, используя статистический подход к рассмотрению оптических явлений. Дифракционная картина возникает вследствие различной вероятности попадания фотонов в различные точки экрана. Облученность любой точки экрана пропорциональна вероятности попадания в эту точку фотонов. С другой стороны, по волновой теории, облученность экрана пропорциональна квадрату амплитуды световой волны в той же точке экрана. Следовательно, квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку.