Фотон. Фотон энергиясы,массасы, импульсы.
Тепе-теңдіктегі жылулық сәуле шығару спектріндегі энергияның үлестірілін түсіндіру үшін, Планк көрсеткендей, жарық ħω үлестер түрінде шығарылады деп ұйғару жеткілікті.
Фотоэффекті түсіндіру үшін жарық діл осындай үлестер түрінде жұтылады деп ұйғару жеткілікті болды. Алайда эйнштейн бұдан әлдеқайда әрі барды. Ол жарық дискретті ħω үлестер түрінле шығарлып ж-е жұтылуымен қатар, дискретті бөлшектер түрінде таралады да деген жорамал ұсынды. Алғашында жарық кванттары деп атлған, кейіннен осы бөлшектер фотон д.а.
Осыған дейін кванттық оптикалық құбылыстарды түсіндіргенде фотонның тек бір сипаттамасы- оның εф=ħω энергиясы пайдаланылды. Энергиядан басқа фотонның массасы мен ипульсы болады. Фотонның массасы үшін формуланы салыстырмалылық теориядағы энергия мен массаның өзара байланысын өрнектейтін фомуладан ікелей алуға болады: mф=ħω/c² (1).
Фотон массасының басқа элементар бөлшектердің массаларынан өзгешелік бар. Ол- фотонның тыныштық массасының болмайтындығында. Шынында да, вакуумда қозғалатын фотон үшін υ=с, ал массаның жылдамдыққа тәуелділігін бейнелейтін m=m0/√1-υ²/c² формулаға сәйкес , егер фотонның 0-ден өзгеше тыныштық массасы болады деп ұйғарылса, онда ақылға симайтын нәрсе шығар еді, (mф=∞). Сонымен, фотон үшін m0=0, яғни тынштықта тұратын фотон болмайды. Бірақ, ескеретін нәрсе әрқашан кез келген ортада υ=с жылдамдықпен қозғалады,өйткені (υ ≠ с) болған жағдайда, фотонның массасы мен энергиясы 0-ге тең болар еді, ал бұл (1) формулаға қайшы келеді. ФотонныңРф импульсы мен εф энергиясы салыстырмалылық теориясының жалпы формуласына сәйкес мына қатынаспен байланысқан:
εф=с√р²φ+m²0с². Фотон үшін m0=0, сонда рф=εф/с=ħω/с=m0с (2). (2) формуладағы ω жиілікті λ толқын ұзындығымен ауыстырып, фотон импульсы үшін өрнек аламыз: рф=ħ2π/λ=ħк.(2а)
Фотон электромагниттік толқынның таралу бағытында қозғалады. Сондықтан р импульс пен к толқындық вектор бағыттас бол. Демек, (2а) формуланы векторлық түрде жазуға бол: рф=ħк. Егер фотонның импульсы болса, онда жарық денеге түскенде оған қысым көрсетуі тиіс. Кванттық теория тұрғысынан бетке жарықтың қысым түсіруі әрбір фотонның бетпен соқтығысқан кезде оған өзінің импульсін беруінен бол.
Фотонды электромагниттік өріспен толтырылған кеңістіктің қайсыбір аймағы ретінде елестетуге болмайды. Жеке фотонға электромагниттік толқынды сипаттайтындай электр өрісі кернгеулігін сәйкестендіруге болмайды. Алайда фотонды әрбір уақыт мезетінде кеңістік елгілі орын алып тұратын, демек, белгілі траектория бой-ша қозғалатын нүктелік объект түрінде де елестетуге болмайды. Өйткені мұндай көрініс элекромагниттік сәуленің толқындық қасиеттеріне байл тәжірибе деректеріне қайшы келеді. Фотонның кеңістіктің қандай да бір нүктесінде болуы жайындағы көріністің мағынасы болуының тағы бір себебі, ол тыныштықта бола алмайды ж-е жарық жылдамдығымен қозғалады. Фотонда классикалық бейнелермен кескінделетін модель түрінде көзге елестетуге болмайды. Фотон –кванттық объект.
