Опыт Боте. Фотоны

Опыт Боте наиболее непосредственно подтверждает гипотезу Эйнштейна о световых квантах.

В этом опыте тонкую металлическую фольгу F устанавливали между двумя быстро действующими счетчиками G₁ и G₂ (рис. 4). Фольгу облучали слабым пучком рентгеновского излучения X, под действием которого она сама становилась источником рентгеновского излучения. Вследствие весьма слабой интенсивности первичного пучка количество квантов, испускаемых фольгой, было достаточно мало.

Если бы энергия этого излучения распространялась в виде сферических волн, то оба счетчика должны были бы срабатывать одновременно. Опыт, однако, показал, что счетчики реагировали совершенно независимо друг от друга, и число совпадений не превышало ожидаемого числа случайных совпадений. Все происходило так, как если бы излучение фольги F распространялось в виде отдельных квантов, которые могли попадать либо в один, либо в другой счетчик.

Это можно объяснить лишь тем, что в отдельных актах испускания возникают кванты излучения, т.е. частицы, летящие то в одном, то в другом направлении. Конечно, была принята предосторожность от того, что в результате первичного облучения фольга испускала и электроны. Для исключения этого окна счетчиков имели такую толщину, чтобы они были способны поглотить эти электроны и исключить их влияние на результаты опыта.

Итак, экспериментально было доказано существование особых электромагнитных квантов, или фотонов, как их впоследствии назвали.

Фотоны. Рассмотренные выше опыты и ряд других со всей убедительностью подтвердили гипотезу Эйнштейна о световых квантах - фотонах.

Свет частоты ω по Эйнштейну - это по существу поток фотонов с энергией . Свет распространяется в вакууме со скоростью с. Значит с такой же скоростью распространяются и фотоны. Согласно теории относительности полная энергия Е любой частицы, движущейся со скоростью v, определяется как

В случае фотона v=с, и знаменатель этого выражения обращается в нуль. Для фотона, имеющего конечную энергию, это возможно лишь при условии m=0.

Таким образом, мы имеем дело с частицей, масса покоя которой равна нулю.

Воспользовавшись связью между энергией Е и импульсом р движущейся частицы, т. е.

приходим к выводу, что фотон (m = 0) обладает не только энергией , но и импульсом

()

Отношение ω/c = 2 π ν /c = 2 π/λ = k , где k - волновое число, и тогда () примет вид .

Таким образом, фотон как частица обладает энергией и импульсом. Записав импульс в векторной форме, получим окончательно для энергии и импульса фотона следующие выражения:

где k - волновой вектор, модуль которого k = 2 π/λ.

Частота ω и волновой вектор k характеризуют волновые свойства монохроматического света, а энергия ε и импульс р - корпускулярные.

Следует обратить внимание на то, что объект, с которым мы познакомились, фотон, как частица имеет весьма своеобразные свойства. У него отсутствует масса (покоя), и его единственное состояние - это движение с предельной скоростью с, одинаковой во всех системах отсчета. Не существует системы отсчета, в которой он бы покоился. Фотон в состоянии покоя - понятие, лишенное физического смысла. Попытка остановить фотон или изменить направление его движения равносильны его уничтожению. Такое выражение, как "фотон рассеялся на такой-то частице" широко используют, но лишь постольку, поскольку это не противоречит рассмотрению некоторых явлений с энергетической точки зрения, и только.

Несмотря на эти "странности", фотон все же удобно рассматривать с тех же позиций, что и частицы, обладающие массой. При этом следует особо подчеркнуть, что фотон не похож на обычную частицу, лишь некоторые свойства фотона напоминают свойства частицы.