А.Н. Матвеев - Атомная физика, страница 10

Видно, чтоимеется резко выраженный максимумсилы тока насыщения. Такой ф ото­эффект называется селективным. Н а­личие красной границы селективногофотоэффекта и применимость к немузаконов нормального фотоэффектапозволяю т заключить, что он, как инормальный фотоэффект, объясняет­ся столкновением отдельного фотонас электроном. В этом смысле селек­тивный фотоэффект не отличается отнормального. Отличие состоит в том,что селективный фотоэффект сильнозависит от поляризации падающегосвета и от угла падения.

Общий ха­рактер этих экспериментальных зави­симостей может быть резю мировантак:при приближении плоскости коле­баний вектора ё в падающей линейнополяризованной плоской волне к плос­кости падения значение максимуматока насыщения растет и достигаетсамого больш ого значения при сов­падении этих плоскостей (при фик­сированном угле падения); при увели­чении угла между плоскостью колеба­ний вектора ё и плоскостью паденияселективный фотоэффект ослабляетсяи, когда эти плоскости становятсяперпендикулярными друг другу, пре­вращается в нормальный фотоэффект(в этом случае вектор ё в волне ко­леблется в направлении, параллель­ном поверхности металла); значениемаксимума тока насыщения увеличи­вается с увеличением угла падения,т. е.

увеличивается с увеличением нор­мальной к поверхности металла со­ставляющей вектора ё . Таким обра­зом,в селективном фотоэффекте надежнообнаруживается зависимость фотоэф­фекта от поляризации падающегосвета.Так как селективный фотоэффектобусловлен столкновением отдельно­го фотона с электроном, то понятиеполяризации применимо к отдель­ному фотону, т. е. можно говорить ополяризации фотонов.П рименимость понятия поляриза­ции к отдельным фотонам можнотакже доказать опытами по двойномулучепреломлению при очень малыхинтенсивностях света, когда черезкристалл одновременно м огут пройтилишь одиночные фотоны. Все явлениядвойного лучепреломления, включаяполяризацию, осуществляются приэтом без всяких изменений по сравне­нию с явлениями при нормальныхинтенсивностях света.

Это доказы ва­ет применимость понятия поляриза­ции к отдельному фотону.Фотон. Прежде чем обсудить смыслпонятия поляризации фотона, необхо­димо сделать несколько замечаний осамом понятии фотона.Под фотоном понимается физи­ческий объект, связанный с электро­магнитным излучением, который привзаимодействии излучения с вещест­вом выступает всегда как единое це­лое, характеризуемое энергией Е = Люи импульсом р = йк, где ю и к - ч а с ­тота и волновое число излучения.Не сущ ес1вует части фотона, асуществует только целый фотон.Слово «существовать» здесь ис­пользуется в наиболее правильном сточки зрения автора смысле: «сущест­вовать - это значит взаимодейство­вать». П оэтомунеприемлемо представление о фотонекак о некотором пространственно§ 4.

Поляризация фотоновраспределенном объекте, различные«части» которого находятся в различ­ных областях (или точках) простран­ства.Н ельзя представить себе фотонкак некоторую пространственную об­ласть, заполненную электромагнит­ным полем. Нельзя соотнести отдель­ному фотону напряженность электри­ческого поля, которой характеризует­ся электромагнитная волна.Однако нельзя себе представитьфотон и в виде точечного объекта,который в каждый момент временизанимает определенное положение впространстве и, следовательно, дви­жется по определенной пространствен­ной траектории.Такое представление противоре­чит всем экспериментальным фактам,связанным с волновыми свойствамиэлектромагнитного излучения.

Напри­мер, лю бой луч, связанный с электро­магнитной волной, может рассматри­ваться как возможная траектория фо­тона, а фотон представляется какобъект, движущийся одновременнопо всем лучам. Представление о пре­бывании фотона в какой-то простран­ственной точке лишено смысла еще ипотому, что он не может находиться впокое и движется со скоростью света.Фотон нельзя представить м о­делью, описываемой классическимиобразами.Он является квантовым объектом,который нельзя себе представить спомощ ью классических образов.

Од­нако человек не обладает другимиобразам и и понятиями, кроме клас­сических. П оэтому мы вынуждены от­казаться от попытки представить себефотон с помощ ью классических обра­зов, но можем описать фотон с по­мощ ью классических понятий, не пре­тендуя на наглядное представление.Используемая для этого модель неявляется классической.

Она называет­ся квантовой и правильно описываетне только отдельные физические фак­ты, но и всю совокупность явленийатом ного и субатомного мира.В определенных физических си­туациях модель квантового объектасводится в своей существенной частилибо к классической модели волны,либо к классической модели м ате­риальной точки. В этих случаях кван­товый объект приобретает наглядныйклассический образ и хорошо описы­вается соответствующей классическоймоделью.Одновременное обладание кванто­вым объектом корпускулярными иволновыми свойствами называетсякорпускулярно-волновым дуализмом.Корпускулярно-волновой дуализм яв­ляется, с одной стороны, препятстви­ем для выработки наглядного образаатомного и субатомного мира, а сдругой стороны, счастливым обстоя­тельством, позволяю щ им без нагляд­ных образов познать его законы.

Все,что было сказано о квантовом объек­те, относится не только к фотону, нои к другим атом ны м и субатомнымобъектам.Поляризация фотона. Н а первыйвзгляд кажется, что наиболее естест­венно учесть поляризацию отдельныхфотонов отнесением свойства поляри­зации к отдельным ф отонам, 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 тотже фотон в зависимости от обстоя­тельств может обладать лю бой изэтих поляризаций.

Поэтомуполяризацию необходимо отнести нек свойствам фотона, а к состояниюего движения.1. К орпускулярны е свойства электром агнитны х волнМ ы говорим, что фотон находит­ся, например, в состоянии линейнойполяризации, и описываем характе­ристики фотона в этом состоянии.Понятие состояния является одним изсамых важнейших при описании кван­тового объекта, в данном с л у ч а е -ф о ­тона. Оно является новым понятием,не имею щим классического аналога.Рассмотрим подробнее это поня­тие на примере двойного лучепрелом­ления. Пусть речь идет о норм альномпадении линейно поляризованногосвета на кристалл, вырезанный па­раллельно оптической оси (см. рис.19).

В кристалле распространяютсяобыкновенный и необыкновенный лу­чи с взаимно перпендикулярными на­правлениями линейной поляризации.Д ля упрощения анализа явления напервом этапе будем считать, что вкачестве кристалла взят турмалин, вкотором уже на пути 1 м м обыкно­венный луч полностью поглощается.Следовательно, на выходе из доста­точно толстой пластинки имеетсятолько необыкновенный луч, направ­**Селективный ф о т о э ф ф ек т является пря­мым экспериментальны м свидетельствомприменимости понятия поляризации к от­дел ьн ом у ф отону.Фотон нельзя представить с е б е как пр о­странственно распределенны й объект,различные части которого находятся вразличных областях (или точках) пр о­странства.

Нельзя представить с е б е ф о ­тон как некоторую область пространства,заполненную электромагнитным полем .Н ельзя соотнести ф отон у напряженностьэлектрического или магнитного поля, ко­торым характеризуется электромагнитнаяволна.*Какая о собенн ость селективного ф о т о э ф ф е к ­та свидетельствует о п рим еним ости понятияп оляризации к отдельн ом у ф отону?Какие аргументы свидетельствую т, что п о л я­ризац и я не является характеристикой ф отон анаряду с его энергией и и м пульсом , а являетсяхарактеристикой состояния его движ ения?В чем состоит принципиальное отличие с у ­перпозиции состояний ф о то н а и суп ерп ози ­ции электром агнитны х волн?ление колебаний вектора ё в которомколлинеарно оптической оси. И нтер­претируем это явление с точки зренияполяризации фотонов.Исторически сложилось так, чтолинейная поляризация плоской элек­тромагнитной волны характеризуетсяположением плоскости, в которой ко­леблется вектор напряженности м аг­нитного поля.

Однако при рассмотре­нии распространения волн в диэлек­трических средах обычно анализиру­ется поведение вектора напряженнос­ти электрического поля волны. П о­этому в качестве характеристики по­ляризации фотона удобнее брать плос­кость, в которой колеблется вектор ё .Эту плоскость и будем называтьплоскостью 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), когдавектор ё волны коллинеарен опти­ческой оси. Волна без изменения ин­тенсивности пройдет через пластинку.С точки зрения поляризации фотоновэтот опыт интерпретируется следую­щим образом. Каждый из фотонов,падающих на пластинку, находится всостоянии с линейной поляризацией вплоскости, в которой лежит оптичес­кая ось кристалла. Д ля сокращениясловесных выражений говорят также,что фотон линейно поляризован вэтой плоскости. При входе в кристалллинейная поляризация фотона сохра­няется и он беспрепятственно прохо­дит через кристалл. Н а выходе изкристалла появляется столько же фо­тонов, сколько в него вошло.Если в нормально падающей накристалл турмалина волне вектор ёколеблется перпендикулярно оптичес­кой оси, то волна полностью погло­§ 4.

П оляризация ф о то н о в 39щается и на выходе из кристалла еенет. С точки зрения поляризации фо­тонов интерпретация этого опытасостоит в следующем. Все падающиена кристалл фотоны линейно поляри­зованы в плоскости, перпендикуляр­ной оптической оси. При движении вкристалле фотоны с такой поляриза­цией поглощ аю тся и поэтому на вы­ходе из кристалла нет фотонов.Теперь рассм отрим случай, когдав падаю щей по нормали волне линияколебаний вектора ё составляет уголР с оптической осью (см.