ФОТОН

ФОТОН (от греч. phos,
род. падеж photоs - свет), элементарная частица, квант электромагнитного
излучения (в узком смысле - света). Масса покоя то Ф. равна нулю (из опытных
данных следует, что во всяком случае т4*10^-2lmгде те - масса электрона), и поэтому его скорость равна скорости
света с=3*10¹⁰ см/сек. Спин (собственный момент количества
движения) Ф. равен 1 (в единицах h = h/2п, где h = 6,624 • 10^-27
эрг*сек- постоянная Планка), и, следовательно, Ф. относится к бозонам.
Частица со спином J и ненулевой массой покоя имеет 2J + 1
спиновых состояний, различающихся проекцией спина, но в связи с тем, что
у Ф. т0, он может находиться только в двух спиновых
состояниях с проекциями спина на направление движения ±1; этому свойству
Ф. в классич. электродинамике
соответствует поперечность
электромагнитной волны. Т.
к. не существует системы отсчёта, в к-рой Ф. покоится, ему нельзя приписать
определённой внутренней чётности. По электрич. и магнитной мультипольностям
системы зарядов (2l-поля;
см. Мулътиполъ), излучившей
данный Ф., различают состояния Ф. электрич. и магнитного типа; чётность
электрич. мульти польного
Ф. равна (-1)^l, магнитного (-1)^l+1. Ф.- абсолютно
(истинно) нейтральная частица и поэтому обладает определённым значением
зарядовой чётности (см. Зарядовое сопряжение), равным -1. Кроме
электромагнитного взаимодействия, Ф. участвует в гравитационном взаимодействии.

Представление о Ф. возникло
в ходе развития квантовой теории и теории относительности. (Сам термин
"фотон" появился лишь в 1929.) В 1900 М. Планк получил формулу для
спектра теплового излучения абс. чёрного тела (см. Планка закон излучения),
исходя из предположения, что излучение электромагнитных волн происходит
определёнными порциями - "квантами", энергия к-рых может принимать лишь
дискретный ряд значений, кратных неделимой порции-кванту hv, где
v- частота электромагнитной волны. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн
ввёл гипотезу световых квантов, согласно к-рой эта дискретность обусловлена
не механизмом поглощения и испускания, а тем, что само излучение состоит
из "неделимых квантов энергии, поглощаемых или испускаемых только целиком"
(А. Эйнштейн, Собр. науч. трудов, т. 3, с. 93, М., 1966). Это позволило
Эйнштейну объяснить
ряд закономерностей фотоэффекта, люминесценции, фотохимич.
реакций. В то же время созданная Эйнштейном специальная теория относительности
(1905) привела к отказу от объяснения электромагнитных волн колебаниями
особой среды - эфира, и тем самым создала предпосылки для того, чтобы считать
излучение одной из форм материи, а световые кванты - реальными элементарными
частицами. В опытах А. Комптона по рассеянию рентгеновских лучей
было установлено, что кванты излучения подчиняются тем же кинематич.
законам, что и частицы вещества,
в частности кванту излучения с частотой v необходимо приписать также и
импульс hv/с (см. Комптона эффект).

К сер. 30-х гг. в результате
развития квантовой механики стало ясно, что ни наличие волновых
свойств, проявляющихся в волновых свойствах света, ни способность исчезать
или появляться в актах поглощения и излучения не выделяют Ф. среди других
элементарных частиц. Оказалось, что частицы вещества, напр. электроны,
обладают волновыми свойствами (см. Волны де Бройля, Дифракция частиц),
и была установлена возможность взаимопревращения пар электронов и позитронов
в Ф.: например в электростатическом поле атомного ядра Ф. с энергией выше
1 Мэв (фотоны с энергией выше 100 кэв часто называют у-
квантами) может превратиться в электрон и позитрон (процесс рождения
пары) и, наоборот, столкновение электрона и позитрона приводит к превращению
их в два (или три) у-кванта (аннигиляция пары; см. Аннигиляция и рождение
пар).

Совр. теорией, последовательно
описывающей взаимодействия Ф., электронов и позитронов с учётом их возможных
взаимопревращений, является квантовая электродинамика (см. Квантовая
теория поля). Она рассматривает электромагнитное взаимодействие между
заряженными частицами как процесс обмена виртуальными Ф. (см. Виртуальные
частицы). Сами Ф. через образование виртуальных электрон-позитронных
пар также могут взаимодействовать между со-

бой, однако вероятность такого
взаимодействия очень мала и экспериментально оно не наблюдалось. При рассеянии
Ф. высоких энергий на адронах и атомных ядрах следует учитывать,
что Ф. может превращаться виртуально в совокупность адронов, к-рые сильно
взаимодействуют с адронами мишени. В то же время виртуальный Ф., возникающий,
напр., при аннигиляции электрона и позитрона высоких энергий, может превращаться
в реальные адроны. (Такие процессы наблюдаются на встречных электрон-позитронных
пучках.) Описание взаимодействия реальных и виртуальных Ф. с адронами осуществляется
с помощью различных теоретич. моделей, напр. векторной доминантности (см.
Электромагнитные взаимодействия), модели пар-тонов и др.

С конца 60-х гг. развивается
единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий, в к-рой
Ф. выступает вместе с тремя гипотетич. "переносчиками" слабых взаимодействии
- векторными бозонами (двумя заряженными W⁺, W и одним
нейтральным Z°).

Общеизвестные источники Ф.-
источники света. Источниками у-квантов являются радиоактивные изотопы,
а также мишени, облучаемые ускоренными электронами.

Лит.: Эйнштейн А.,
О развитии наших взглядов на сущность и структуру излучения.

Собр. науч. трудов, т. 3,
М., 1966, с. 181; Б о м Д., Квантовая теория, пер. с англ., 2 изд., М.,
1965. Э. А. Тагиров.