ФОТОН И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА

Нельзя не заметить, что в приведенных выше объяснениях спектра излучения водорода, фотоэлектрических явлений и эффекта Комптона, совершенно игнорируется непрерывно распределенная в пространстве энергия электромагнитной волны. Единственная связь между фотонами и электромагнитной волной заключается в частоте колебаний: у фотонов эта частота определяет величину их энергии и импульса а у электромагнитной волны — длину волны необходимую для расчета дифракционных эффектов (см. § 5). Создается впечатление, что в световой (электромагнитной) волне, которая излучается одним атомом, энергия не распределена по пространству в соответствии со значениями в каждой точке этой волны. Для объяснения указанных выше опытных данных приходится предполагать, что энергия электромагнитной волны сосредоточена в особых частицах, которые перемещаются вместе с фронтом волны со скоростью света. Другими словами, в световом потоке фотоны должны полагаться «частицами» электромагнитной волны, содержащими в себе энергию этой волны. Однако такое представление вызывает ряд вопросов: существует ли напряженность электромагнитного поля в пространстве между фотонами (если существует, то придется допустить, что величина не есть энергия); существует ли взаимодействие между самими фотонами и в каких явлениях оно проявляется; каким образом волна «связана» с фотонами и определяет их траекторию и т. д. Эти вопросы обсуждаются и решаются в рамках одного из важных разделов современной теоретической физики — квантовой электродинамики. Здесь же важно подчеркнуть дуалистический характер существующих представлений о свете: необходимость волновой теории для объяснения распространения света и необходимость корпускулярной (фотонной) теории для объяснения элементарных процессов излучения и поглощения света.

Если полагать, что фотон является «элементарной частицей», то излучение или поглощение света атомами, а также фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние являются, по существу, процессами передачи энергии от одних частиц к другим. В этих процессах строго соблюдаются законы сохранения энергии и импульса взаимодействующих частиц; мы утверждаем, что здесь проявляются

корпускулярные свойства этих частиц. Однако если нам необходимо объяснить траектории фотонов в явлениях дифракции и интерференции, то мы можем совершенно не интересоваться энергиями и импульсами; эти задачи решаются на основании правила Гюйгенса и принципа суперпозиции векторов электромагнитных волн. При этом нас не смущает то обстоятельство, что в окрестности какой-либо точки два вектора и связанные ними энергии могут «уничтожить» друг друга или, складываясь, образовать из энергии вдвое большую энергию Лишь после того, как определены суммарные значения вектора в каждой точке пространства (или экрана), можно перейти от напряженности поля к энергии поля и получить распределение энергии вдоль фронта результирующей волны в согласии с требованием закона сохранения энергии. В необходимости расчета распределения энергии в пространстве или на экране на основе принципа Гюйгенса и принципа суперпозиции мы видим проявление волновых свойств фотонов.

Из фюрмул характеризующих корпускулярные и волновые свойства фотонов, может быть получено важное соотношение

где длина электромагнитной волны, «связанной» с данными фотонам».