Фотон и его характеристики

Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона ε₀ = hν. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии (см. (40.8)):

т_γ = hν / с². (205.1)

Фотон — элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

Импульс фотона р_γ получим, если в общей формуле (40.7) теории относительности положим массу покоя фотона т_0γ = 0:

р_γ = ε₀ / с= hν / с. (205.2)

Из приведенных рассуждений следует, что фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Выражения (205.1), (205.2) и (200.2) связывают корпускулярные характеристики фотона — массу, импульс и энергию — с волновой характеристикой света – его частотой ν.

Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. С точки зрения квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.

Рассчитаем с точки зрения квантовой теории световое давление, оказываемое на поверхность тела потоком монохроматического излучения (частота ν), падающего перпендикулярно поверхности. Если в единицу времени на единицу площади поверхности тела падает N фотонов, то при коэффициенте отражения ρ света от поверхности тела ρ N фотонов отразится, а (1 – ρ) N – поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс р_γ = hν / с, а каждый отраженный — 2 р_γ = 2 hν / с (при отражении импульс фотона изменяется на — р_γ). Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1 с N фотонов:

Nhν = Е_е есть энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени, т. е. энергетическая освещенность поверхности (см. § 168), а Е_е/с = ω — объемная плотность энергии излучения. Поэтому давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность,

. (205.3)