Фермионы и бозоны

Фотон

Фотон занимает определённое место в списке элементарных частиц. Он не имеет массы покоя, у него нет электрического заряда. В любой системе отсчёта скорость фотона равна скорости света в вакууме. Как и любую другую элементарную частицу, фотон нельзя представить себе наглядно. Чтобы описать фотон, нужно определить, во-первых, энергию фотона ε и, во-вторых, направление его движения. Это означает, что надо задать импульс фотона р. Направление этого вектора есть направление движения фотона, а его модуль есть энергия фотона, делённая на скорость света в вакууме: р = ε / с.

Кроме того, надо определить поляризацию фотона. Обозначим поляризацию фотона через γ; смысл этой характеристики поясним немного позднее. Пока заметим лишь, что она принимает два значения, что отвечает двум возможным поляризациям фотона.

Итак, чтобы «задать» фотон, надо определить 4 величины: три проекции импульса и поляризацию γ. При этом будет определена также энергия фотона: Если два фотона имеют одинаковую четвёрку величин , γ, то говорят, что эти фотоны находятся в одном и том же состоянии. Следовательно, указанные 4 величины могут рассматриваться как характеристики фотонных состояний. Переход от одного фотонного состояния к другому связан с изменением хотя бы одной из этих величин.

Различить два фотона можно лишь в том случае, если они находятся в разных состояниях. Все фотоны, находящиеся в одном и том же состоянии, принципиально неразличимы. Важно отметить, что характеристики фотонного состояния соответствуют характеристикам плоской монохроматической поляризованной световой волны.

Направление импульса фотона совпадает с направлением распространения волны. Поляризация фотона соответствует поляризации волны. Два возможных значения поляризации фотона отвечают двум независимым состояниям поляризации волны (в двух взаимно- перпендикулярных плоскостях). Энергия фотона выражается через частоту волны следующим образом: ε = hν, где h- постоянная Планка. Подставив в это выражение р = ε / с, получим р = hν/с = h/λ. Два последних выделенных соотношения отражают корпускулярно-волновой дуализм свойств света (связь характеристик микрочастиц ε и р с характеристиками волны ν и λ).

Итак, плоская монохроматическая поляризованная световая волна представляет собой коллектив фотонов, находящихся в одном и том же состоянии. Различным фотонным состояниям соответствуют различные плоские монохроматические поляризованные волны.

Все существующие в природе микрочастицы чётко подразделяются на две группы по характеру их поведения в коллективе себе подобных. Микрочастицы одной группы проявляют «крайний индивидуализм»: если какое-то состояние уже занято микрочастицей, то никакая другая микрочастица того же типа не сможет попасть в это состояние. Иначе говоря, эти микрочастицы могут заселять состояния только поодиночке. Они называются фермионами (в честь итальянского физика Ферми). К ним относятся, например, электроны, откуда следует многообразие химических элементов.

Микрочастицы другой группы ведут в коллективе совсем иначе: они не только способны заселять одно и то же состояние в неограниченном количестве, но, более того, вероятность их попадания в какое-то состояние тем больше, чем больше таких же частиц уже находится в данном состоянии. Их называют бозонами (в честь индийского физика Бозе). К ним относятся фотоны, что играет важную роль в оптических явлениях.

Дата добавления: 2015-05-09