А.Н. Матвеев - Атомная физика, страница 9

Круговая и эллиптическая поляризация бывают правой и левой в зависимости от направления движения конца вектора вокруг луча. С помощью принципа суперпозиции для напряженности электрического поля волну с круговой или эллиптической поляризацией можно представить в виде суперпозиции двух линейно поляризованных волн с взаимно перпендикулярными направлениями поляризациия.

Поэтому при анализе поляризации электромагнитных волн достаточно ограничиться линейной поляризацией. Поляризационные свойства света наиболее отчетливо проявляются в анизотро нных средах, а особенно просто — в одноосных кристаллах. Подробно эти вопросы рассматриваются в оптике. Здесь мы остановимся лишь на явлениях, помогающих разъяснить проблему поляризации фотонов. 34 1 Корпускупнрные свойства злектромагнитнык волн Полярнзацнонные явления в одноосных кристаллах. Оптическая ось одноосного кристалла характеризует направление, при распространении в котором луч света ведет себя как в изотропной среде, т.е.

распространяется в среде при любой поляризации с одной и той же скоростью (при данной частоте). Однако при неколлинеарности луча и оси одноосного кристалла ситуация существенно изменяется. Через луч, направленный под углом к оптической оси, и оптическую ось можно провести плоскость, называемую главной (рис. 18).

В этом направлении возможными являются лишь лучи света, вектор напряженности электрического поля которых колеблется либо в главной плоскости («необыкновенный» луч), либо перпендикулярно главной плоскости («обыкновенный» луч). Скорость необыкновенного луча зависит от угла между лучом и оптической осью; скорость обыкновенного луча одинакова по всем направлениям (поэтому он и называется обыкновенным). Если луч света падает на плоскую поверхность одноосного кристалла, вырезанного параллельно оптической оси по нормали к поверхности (рис, 19), то в кристалле распространяются два пространственно совпадающих луча с взаимно перпендикулярными направлениями линейной поляризации.

При угле падения, отличном от нуля (рис. 20), происходит преломление каждого из лучей в соответствии со скоростью распространения света в кристалле, т.е.при показателе преломления л = сгп, где с †скорос света в вакууме, и †скорос света в кристалле. Поэтому после преломления обыкновенный и необыкновенный лучи имеют различные направления и начинают пространственно разделяться, т.е.

падающий луч испытывает 18 Главная плоскость Напряженность электрического поля у необыкновенного луча, К К - у обыкновеннога 19 Повеление луча при падении по нормали на поверхность кристалла, вырезанного параллельно оптической оси 20 Двойное лучепреломление 21 Истолкование закона Малуоса 1 4. Поляризация фотонов 36 двойное лучепреломление. При выходе из кристалла лучи пространственно разделены и обладают взаимно перпендикулярными направлениями линейной поляризации (рис.

20). Это обстоятельство используется для получения поляризованных световых лучей. Интенсивность лучей зависит от состава падающего излучения. Если линейно поляризованный луч падает нормально к поверхности и угол между направлением колебаний вектора 8 и оптической осью равен )э (рис. 21), то в соответствии с принципом суперпозиции вектор 8 представляется в виде суммы вектора 8„ параллельного оптической оси, и вектора 8'„ перпендикулярного этой оси. Первый из векторов является вектором напряженности необыкновенного луча, а второй-обыкновенного.

Отсюда следует, что амплитуда колебаний необыкновенного луча равна А, = Агйп (3, а обыкновенного А, = Асов р, где А-амплитуда падающего луча. Для интенсивностей 1, и 1, обыкновенного и необыкновенного лучей получается закон Малюса: 1 =1з)пз П, 1 =1„, Н, (4.1) где 1-интенсивность падающего света. При () = 0 из кристалла выходит только необыкновенный луч, а при )) = л12-только обыкновенный. Имеются кристаллы, которые поглощают либо обыкновенный, либо необыкновенный луч. Тогда на выходе из них образуется только один луч с соответствующей линейной поляризацией. Например, в кристалле турмалина уже на пути около 1 мм практически полностью поглощается обыкновенный луч, а в герапатите один из лучей поглощается полностью уже при толщине О,1 мм.

Такие кристаллы используются в качестве поляризаторов или анализаторов света. а) 1вас а 22 Зависимость силы фототока насыщения от длины волны в нормальном (а) и селектввном (о) фотозффекте Электромагнитная теория света, изучаемая в волновой оптике, позволяет полностью описать поляризационные явления. Здесь необходимо дать трактовку этих явлений в рамках представлений о фотонах. Применимость понятия поляризации к отдельному фотону. Изложенные в Ч 3 опыты по исследованию флуктуаций числа фотонов в поляризованных лучах позволили сделать вывод о применимости понятия поляризации к отдельному фотону.

Имеются и другие эксперименты, которые подтверждают этот вывод. Среди них важнейшее значение имеют опыты по селективному фото- эффекту. На рис. 22,а показана зависимость силы фототока насыщения от длины волны для нормального фотоэффекта, подробно рассмотренного в З 2, а на рис. 22, б-для селективного. Из рис. 22 можно заключить, что более энергичные коротковолновые фотоны значительно эффективнее выбивают электроны из катода. Однако зависимость, представ- 36 1.

Корпускулярныв свойства электромагнитных волн ленная на рис. 22, а, не всегда имеет место. Для некоторых металлов, у которых красная граница лежит далеко в красной области спектра или даже в инфракрасной (например, у щелочных металлов), зависимость силы тока насыщения от длины волны представлена на рис, 22„6. Видно, что имеется резко выраженный максимум силы тока насыщения. Такой фото- эффект называется селективным, Наличие красной границы селективного фотоэффекта и применимость к нему законов нормального фотоэффекта позволяют заключить, что он, как и нормальный фотоэффект, объясняется столкновением отдельного фотона с электроном. В этом смысле селективный фотоэффект не отличается от нормального.

Отличие состоит в том, что селективный фотоэффект сильно зависит от поляризации падающего света и от угла падения. Общий характер этих экспериментальных зависимостей может быть резюмирован так: при приближении плоскости колебаний вектора К в падающей линейно поляризованной плоской волне к плоскости падения значение максимума тока насыщения растет и достигает самого большого значения при совпадении этих плоскостей (при фиксированном угле падения); при увеличении угла между плоскостью колебаний вектора 4' и плоскостью падения селективный фотоэффект ослабляется и, когда эти плоскости становятся перпендикулярными друг другу, превращается в нормальный фотоэффект (в этом случае вектор в в волне колеблется в направлении, параллельном поверхности металла); значение максимума тока насыщения увеличивается с увеличением угла падения, т.е.

увеличивается с увеличением нормальной к поверхности металла со- ставляющей вектора 8. Таким образом, в селектнвном фотоэффекте надежно обнаруживается зависимость фотоэффекта от поляризации падающего све га. Так как селективный фотоэффект обусловлен столкновением отдельного фотона с электроном, то понятие поляризации применимо к отдельному фотону, т.е. можно говорить о поляризации фотонов. Применимость понятия поляризации к отдельным фотонам можно также доказать опытами по двойному лучепреломленню при очень малых интенсивностях света, когда через кристалл одновременно могу~ пройти лишь одиночные фотоны. Все явления двойного лучепреломления, включая поляризацию, осуществляются при этом без всяких изменений по сравнению с явлениями при нормальных интенсивностях света.

Это доказывает применимость понятия поляризации к отдельному фотону. Фотон. Прежде чем обсудить смысл понятия поляризации фотона, необходимо сделать несколько замечаний о самом понятии фотона. Под фотоном понимается физический объект, связанный с электромагнитным излучением, который при взаимодействии излучения с веществом выступае~ всегда как единое целое, характеризуемое энергией Е = поз и импульсом р = й)с, где от и к-частота и волновое число излучения. Не суптсс~вует части фотона, а сугцсствуез только целый фотон.

Слово «существовать» здесь используется в наиболее правильном с точки зрения автора смысле: «существовать- это значит взаимодействовать». Поэтому неприемлемо представление о фотоне как о некотором пространственно з 4. Поляризация фотонов распределенном объекте, различные «части» которого находятся в различных областях (или точках) пространства. Нельзя представить себе фотон как некоторую пространственную область, заполненную электромагнитным полем. Нельзя соотнести отдельному фотону напряженность электрического поля, которой характеризуется электромагнитная волна.

Однако нельзя себе представи~ь фотон и в виде точечного объекта, который в каждый момент времени занимает определенное положение в пространстве и, следовательно, движется по определенной пространственной траектории, Такое представление противоречит всем экспериментальным фактам, связанным с волновыми свойствами электромагнитного излучения. Например, любой луч, связанный с электромагнитной волной, может рассматриваться как возможная траектория фотона, а фотон представляется как объект, движущийся одновременно по всем лучам.

Представление о пребывании фотона в какой-то пространственной точке лишено смысла еще и потому, что он не может находиться в покое и движется со скоростью света. Фотон нельзя представить моделью, описываемой классическими образами.