А.Н. Матвеев - Атомная физика, страница 10

Он является квантовым объектом, который нельзя себе представить с помощью классических образов. Однако человек не обладает другими образами и понятиями, кроме классических. Поэтому мы вынуждены отказаться от попытки представить себе фотон с помогцью классических образов, но можем описать фотон с помощью классических понятий, не претендуя на наглядное представление. Используемая для этого модель не является классической.

Она называется квантовой и правильно описывае~ не только отдельные физические факты, но и всю совокупность явлений атомного и субатомного мира. В определенных физических ситуациях модель квантового объекта сводится в своей существенной части либо к классической модели волны, либо к классической модели материальной точки. В этих случаях квантовый объект приобретает наглядный классический образ и хорошо описывается соответствующей классической моделью. Одновременное обладание квантовым объектом корпускулярными и волновыми свойствами называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Корпускулярно-волновой дуализм является, с одной стороны, препятствием для выработки наглядного образа атомного и субатомного мира, а с другой стороны, счастливым обстоятельством, позволяющим без наглядных образов познать его законы. Все, что было сказано о квантовом объекте, относится не только к фотону, но и к другим атомным и субатомным объектам. Поляризация фотона. На первый взгляд кажется, что наиболее естественно учесть поляризацию отдельных фотонов отнесением свойства поляризации к отдельным фотонам, т. е.

считать, что фотон характеризуется энергией, импульсом и поляризацией. Однако такой подход был бы ошибочным, потому что существуют различные виды поляризации — линейная, круговая, эллиптическая, а один и тот же фотон в зависимости от обстоятельств может обладать любой из этих поляризаций.

Поэтому поляризацию необходимо отнести не к свойствам фотона, а к состоянию его движения. 38 1. Корпускупярные свойства злектромвгнитных волн Мы говорим, что фотон находится, например, в состоянии линейной поляризации, и описываем характеристики фотона в этом состоянии. Понятие состояния является одним из самых важнейших при описании квантового объекта, в данном случае — фотона. Оно является новым понятием, не имеющим классического аналога. Рассмотрим подробнее это понятие на примере двойного лучепреломления. Пусть речь идет о нормальном падении линейно поляризованного света на кристалл, вырезанный параллельно оптической оси (см. рис.

19). В кристалле распрос~раняются обыкновенный и необыкновенный лучи с взаимно перпендикулярными направлениями линейной поляризации. Для упрощения анализа явления на первом этапе будем считать, что в качестве кристалла взят турмалин, в котором уже на пути 1 мм обыкновенный луч полностью поглощается. Следовательно, на выходе из достаточно толе~ой пластинки имеется только необыкновенный луч, направ- Селективный фотоэффект является прямым экспериментальным свидетельством применимости понятия поляризации к отдельному фотону. Фотон нельзя представить себе «вк пространственно распределенный объект, различные части которого находятся в различных областях (или точках) пространства. Нельзя представить себе фотон как некоторую область пространства.

заполненную электромагнитным полем. Нельзя соотнести фотону напряженность электрического или магнитного поля. которым характеризуется электромагнитная волна, Э Какая особенность селективного фотоэффекта свидетельствует о применимости понятия поляризации к отдельному фотону? Какие аргументы свидетельствуют, что поляризация не явпяатся характеристикой фотона наряду с его энергией и импульсом, а является характеристикой состояния его движения? В чем состоит принципиальное отличие суперпозиции состояний фотона и суперпозиции электромагнитных вопнг ление колебаний вектора гз в котором коллинеарно оптической оси. Интерпретируем это явление с точки зрения поляризации фотонов.

Исторически сложилось так, что линейная поляризация плоской электромагнитной волны характеризуется положением плоскости, в которой колеблется вектор напряженности магнитного поля. Однако при рассмотрении распространения волн в диэлектрических средах обычно анализируется поведение вектора напряженности электрического поля волны. Поэтому в качестве характеристики поляризации фотона удобнее брать плоскость, в которой колеблется вектор Ю. Эту плоскость и будем называть плоскостью поляризации фотона, если он находится в состоянии линейной поляризации.

В качестве первого опыта рассмотрим нормальное падение плоской электромагнитной волны на кристалл турмалина (см. рис. 19), когда вектор б' волны коллинеарен оптической оси. Волна без изменения интенсивности пройдет через пластинку. С точки зрения поляризации фотонов этот опыт интерпретируется следующим образом. Каждый из фотонов, падающих на пластинку, находится в состоянии с линейной поляризацией в плоскости, в которой лежит оптическая ось кристалла. Для сокращения словесных выражений говорят также, что фотон линейно поляризован в этой плоскости. При входе в кристалл линейная поляризация фотона сохраняется и он беспрепятственно проходит через кристалл.

На выходе из кристалла появляется столько же фотонов, сколько в него вошло. Если в нормально падающей на кристалл турмалина волне вектор б колеблется перпендикулярно оптической оси, то волна полностью погло- 4 4. Поляризация фотонов щается и на выходе нз кристалла ее нет, С точки зрения поляризации фотонов интерпретация этого опыта состоит в следующем.

Все падающие на кристалл фотоны линейно поляризованы в плоскости, перпендикулярной оптической оси. При движении в кристалле фотоны с такой поляризацией поглощаются и поэтому на выходе из кристалла нет фотонов, Теперь рассмотрим случай, когда в падающей по нормали волне линия колебаний вектора о составляет угол 1) с оптической осью (см. рис. 21). По закону Малюса (4.1), на выходе из кристалла наблюдается линейно поляризованная волна, линия колебаний вектора 8, в которой параллельна оптической оси, а отношение интенсивности выходящей волны и интенсивности входящей равно сов~1). Это означает, что отношение числа прошедших через кристалл ~тотонов к числу падающих равно сов В.

Значит, доля гйпз 1) падающих на кристалл фотонов поглотилась. Поляризация вышедших из кристалла фотонов отличается от поляризации падающих, Как эти экспериментальные факты интерпретировать с точки зрения поляризации фотонов? Можно себе представить, что фотон, поляризованный под углом В к оптической оси, при достижении поверхности кристалла не может дальше двигаться в нем с той же линейной поляризацией. Он должен получить поляризацию либо в плоскости, параллельной оптической оси, либо перпендикулярной. Поэтому он на входе в кристалл скачком изменяет свою поляризацию в одну из этих плоскостей.

Доля фотонов, сделавших скачок в состояние поляризации параллельно оптической оси, пропорциональна созз 1), а перпендикулярно оси -з(пз В. Фотоны с параллельной оптической оси поляризацией проходят кристалл без потерь, а с перпендикулярной- поглощаются в кристалле. Вопрос о том, почему фотон изменяе~ свою поляризацию на параллельную или перпендикулярную оптической оси, не может быть исследован экспериментально и находится вне рамок научного рассмотрения. Описание изменения гюляризации может быть осугцествлено с помощью вероятностного подхода: вероятность того, что фотон изменит свою поляризацию на параллельную оптической оси, пропорциональна соя~ 1), а на перпендикулярную оси — гйпз Р. Вероятность того, что каждый из фотонов обязательно изменит свою поляризацию, выражается равенством гйпз ~3 + + созз 1) = 1. Такая интерпретация достаточно удовлетворительно описывает все количественные закономерности и отвечает на все законные вопросы.

Тем не менее такая интерпретация неудовлетворительна. Чтобы в этом убедиться, рассмотрим кристалл (см. рис. 19), в котором оба луча света распространяются без поглощения. Как показывает эксперимент и объясняет электромагнитная теория света, на выходе из кристалла наблюдается эллиптически поляризованная волна. Чтобы это объяснить с точки зрения поляризации фотонов, придется допустить, что на выходе из кристалла фотоны совершают скачкообразное изменение своей поляризации из линейной в эллиптическую, причем обе группы фотонов с различной линейной поляризацией совершают переход в одно и то же состояние эллиптической поляризации.

Чтобы построить теорию такого перехода, необходимо считать, что поведение фотонов с взаимно перпендикулярными поляризациями коррелировано между собой, 40 1. Корпускулярные свойства электромагнитных волн что противоречит эксперименту (см. 5 3). Это доказывает неудовлетворительность интерпретации с помотцью скачков поляризации фотонов. К этому надо добавить, что описание стационарного состояния (а речь идет именно о состоянии неизменного по времени явления) с помощью скачков из одного состояния в другое неудовлетворительно с принципиальной точки зрения.