§ 207. Диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения

Рассмотренные в этой главе явления — излучение черного тела, фотоэффект, эф­фект Комптона — служат доказательст­вом квантовых (корпускулярных) пред­ставлений о свете как о потоке фотонов. С другой стороны, такие явления, как ин-

 

332

терференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волно­вую (электромагнитную) природу света. Наконец, давление и преломление света объясняются как волновой, так и кванто­вой теориями. Таким образом, электромаг­нитное излучение обнаруживает удиви­тельное единство, казалось бы, взаимо­исключающих свойств — непрерывных (во­лны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга.

Основные уравнения (см. §205), свя­зывающие корпускулярные свойства элек­тромагнитного излучения (энергия и им­пульс фотона) с волновыми свойствами (частота или длина волны):

e_g=hn,    p_g=hn/c=h/l.

Более детальное рассмотрение оптиче­ских явлений приводит к выводу, что свой­ства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов. Свет, обладая одновременно корпускуляр­ными и волновыми свойствами, обнаружи­вает определенные закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в закономерностях его рас­пространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные — в про­цессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обна­руживаются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование «красной границы» фотоэффекта). Наобо­рот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются волновые свойства света (например, волновые свойства (дифрак­ция) рентгеновского излучения обнаруже­ны лишь после применения в качестве диф­ракционной решетки кристаллов).

Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми свойствами света можно объяснить, если использо­вать, как это делает квантовая оптика, статистический подход к рассмотрению за­кономерностей распространения света. Например, дифракция света на щели со­стоит в том, что при прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве. Так как веро­ятность попадания фотонов в различные точки экрана неодинакова, то и возникает дифракционная картина. Освещенность эк­рана пропорциональна вероятности попа­дания фотонов на единицу площади экра­на. С другой стороны, по волновой теории, освещенность пропорциональна квадрату амплитуды световой волны в той же точке экрана. Следовательно, квадрат амплиту­ды световой волны в данной точке про­странства является мерой вероятности по­падания фотонов в данную точку.