Фотоны

Фотоны

Теперь сделаем наоборот. Рассмотрев массу как проявление энергии, рассмотрим энергию как проявление массы. Фотон, например, обладает определенной величиной энергии, а она должна быть в свою очередь эквивалентна определенной величине массы.

Рис. 3. Спектр электромагнитных волн.

Согласно квантовой теории Планка, энергию фотона легко определить по длине световой волны. Чтобы выразить эту энергию в электронвольтах, надо величину 1,24·10^-4, полученную в результате цепочки математических доказательств, приводить которые нет необходимости, разделить на длину волны света в сантиметрах. Величина самых длинных волн видимого света (темно-красного по цвету) равна грубо 7·10^-5 см, а самых коротких (темно-фиолетового) 3,5·10^-5 см. Следовательно, фотон самых длинных волн видимого света имеет энергию 1,8 эв, а самых коротких — 3,6 эв, т. е. с уменьшением длины волны пропорционально увеличивается энергия соответствующего фотона. В результате химических реакций освобождается около 4 эв энергии на каждый атом, поэтому не удивительно, что фотоны, возникающие при этом, часто находятся в диапазоне энергий видимого света.

Фотоны инфракрасного излучения обладают меньшими энергиями. Они невидимы, но мы можем ощущать их как тепло, поглощаемое кожей. Энергии фотонов ультракоротких и радиоволн еще меньше.

Обладающие большими энергиями фотоны ультрафиолетового излучения, испускаемого при некоторых химических реакциях, тоже невидимы, но их можно легко обнаружить по воздействию на фотопластинку. Длины волн ультрафиолетового света так малы, что энергия фотонов достигает 1000 эв. За областью самого коротковолнового ультрафиолетового света лежит область еще более коротких рентгеновских лучей, энергия фотонов которых находится в диапазоне от 1 до 100 кэв. И, наконец, энергии фотонов ?-лучей лежат в области миллионов электронвольт. Не удивительно поэтому, что ядерные реакции, освобождающие энергию в миллионы электронвольт, приводят в результате к образованию ?-квантов.

Какой массе эквивалентны фотоны? Для сравнения больше всего подходит масса электрона, равная 1/1836,11 массы ядра водорода и эквивалентная 0,51 Мэв, так как энергия, эквивалентная массе протона, значительно больше энергии даже самых коротковолновых фотонов ?-излучения. Энергия фотона видимого света в среднем равна 2,5 эв, следовательно, эквивалентная ей масса представляет собой лишь 1/200 000 массы электрона, т. е. без большой погрешности можно считать, что фотоны видимого света не имеют массы.

Эквивалентная масса фотонов возрастает по мере уменьшения длины волны излучения. ?-Излучение с длиной волны 2,4·10^-10 см состоит из фотонов, масса которых равна массе электрона. Следовательно, корпускулярные свойства фотонов ?-излучения легко обнаружить прибором, используемым при изучении электронов.

Это было проделано в 1923 году американским физиком Артуром Холли Комптоном. Он обнаружил, что фотон рентгеновских лучей с эквивалентной массой, гораздо меньшей, чем у электрона, сталкиваясь с электроном, отскакивает от него рикошетом. Электрон получает энергию. а фотон теряет ее, как и в случае столкновения двух электронов. Более того, фотон ведет себя как частица, обладающая импульсом. При взаимодействии его с электроном выполняется закон сохранения импульса.

Так, еще раз была подтверждена корпускулярная природа света, обладающего и волновыми свойствами. Именно Комптон предложил назвать квант света «фотоном», используя суффикс «он», ставший отличительным признаком для названий субатомных частиц, после того, как двадцатью пятью годами раньше был открыт электрон.

Корпускулярные свойства фотонов ?-излучения выражены сильнее, чем фотонов рентгеновских лучей. Когда ?-кванты излучаются в процессе ядерной реакции, необходимо учитывать их импульс. Более того, фотон обладает спином, и следовательно, моментом количества движения. Поэтому, применяя законы сохранения импульса и момента количества движения к ядерным реакциям, надо учитывать импульс и момент количества движения фотона.

Хотя фотон ?-излучения и электрон эквивалентны по массе, между ними есть разница, так как эквивалентность не означает идентичность.

Рассмотрим, например, массу электрона, который может двигаться относительно наблюдателя с любой скоростью от 0 до 3·10¹⁰ см/сек. Масса электрона или любого материального тела при этом меняется со скоростью от минимального значения, когда тело покоится, до бесконечно большого, когда его скорость максимальна [12].

Масса тела, покоящегося относительно наблюдателя, называется массой покоя, и именно ее обычно имеют в виду, когда говорят просто «масса». Когда, например, говорят, что масса электрона равна 9,1091·10^-28 г, всем понятно, что это масса покоя. Электроны часто сталкиваются, двигаясь со скоростями, равными или большими, чем 0,99 скорости света в вакууме, причем их массы в семь или более раз превышают массу покоя.

В вакууме фотон всегда летит со скоростью света относительно любого наблюдателя [13]. Это исходное положение специальной теории относительности Эйнштейна. Так как фотон никогда не покоится относительно какого-либо наблюдателя, нельзя измерить его массу покоя непосредственно.

Физикам удобно считать массу покоя фотона равной нулю, т. е. частицей без массы, хотя ему и приписывают эквивалентную массу.

Однако фотон — не единственная частица без массы. Нам встретятся еще частицы без массы, не являющиеся фотонами. Пока сделаем обобщение, что все частицы без массы, будь то фотоны или другие частицы, с момента их рождения и до момента поглощения летят со скоростью света.