Теория фотона

[_Z_]

Добрый день.

Помогите найти учебник, где можно почитать про фотон. Взяв пару первых попавшихся (Савельев, Тоннела) нашел только разделы по электромагнетизму. Ничего нет про строение и свойства фотона.

[Physman]

А какие свойства вас интересуют? Для чего вам (всё) это, курсовик или конкретная задача?

[_Z_]

Для общего развития.

[Bobinwl]

"Строение фотона" как раз в разделе электромагнетизма написано. Больше нигде не напишут. Фотон это элементарная частица, значит строения не имеет. Все "строение" это проявление его свойств как переносчика электромагнитного взаимодействия плюс также квантовые свойства:
1. Зависимость длины волны от энергии (импульса) частицы через постоянную Планка;
2. Отсутствие массы (так называемой "массы покоя", как пишут в школьных учебниках),
3. Наличие спиральности (спина) влево и вправо по ходу движения (т.е. две проекции $ + / -1$ на ось движения значения его целочисленного спина (равного 1)
4. Отсутствие нулевой проекции спина на ось движения. Это трудно понять, но получить нулевую проекцию целого спина (1) можно только в системе, где частица покоится - а такой системы для фотона нет. Т.е. не успеваете вы подготовить неподвижную точку, куда спроецировать нулевую проекцию, как фотон оттуда убегает.
5. Т.е. еще одно важное свойство: отсутствие системы отсчета, где фотон покоится или движется с меньшей скоростью чем обычно.
6. Фотон векторная частица - т.е. имеет одно направление распространения в пространстве. Это кстати связано с тем, что спин фотона 1, но почему этого не знаю.
7. Фотон передает электромагнитное взаимодействие (электрические, магнитные поля).
8. Фотон является бозоном - т.е. эти частицы "любят" накапливаться в структурированные кучи, вспомните, к примеру лазер. Так называемые "конденсаты Бозе-Эйнштейна".
9. что то еще

Стоит добавить, что понимать современную физику "строением" элементарных составляющих невозможно (на текущее состояние развитие точно невозможно), можно только держать в голове совокупность свойств и понимать их совместную непротиворечивость. Т.е. сейчас "механистический" подход "к строению" не рулит, также не рулят наглядные образы и к примеру воображение "цепляющихся друг за друга шестеренок передачи для электромагнитной волны" - чем в свое время маялся сам Максвелл.

[_Z_]

А как связаны длина волны и частота э/м волны с "размерами" и длиной волны фотона? Можно ли считать фотон "куском" э/м волны, состоящей из нескольких полных периодов э/м волны? Скорее всего нет, тогда что мешает? Какие экспериментальные данные?

[Munin]

_Z_ в сообщении #646421 писал(а):

Помогите найти учебник, где можно почитать про фотон. Взяв пару первых попавшихся (Савельев, Тоннела) нашел только разделы по электромагнетизму. Ничего нет про строение и свойства фотона.

Про фотон написано в учебниках по Квантовой электродинамике. Это более продвинутый раздел физики, чем "первые попавшиеся". В частности, необходим базис:
по математике:
- анализ до дифференциальных уравнений в частных производных;
- начала функционального анализа;
- теория групп, в т. ч. непрерывных;
по физике:
- теоретическая механика (формализмы Лагранжа и Гамильтона);
- электромагнетизм (классическая электродинамика);
- квантовая механика и квантование классических систем;
- специальная теория относительности (включая электродинамику).

Учебники по КЭД (часто более широко, по КТП) обычно такие:
Боголюбов, Ширков. Квантовые поля.
Пескин, Шрёдер. Введение в квантовую теорию поля.
Фейнман. Квантовая электродинамика.
можно, если будет более доступно
"Ландау, Лифшиц. Теоретическая физика" том 4 - Берестецкий, Лифшиц, Питаевский. Квантовая электродинамика.
могу ещё дюжину названий накидать :-)

[fizeg]

_Z_

_Z_ в сообщении #646461 писал(а):

Можно ли считать фотон "куском" э/м волны, состоящей из нескольких полных периодов э/м волны?

Вы путаете один фотон и волновой пакет. Это разные вещи, один фотон (как и всякое состояние с определенным набором фотоном) как правило не соответствует какому-либо определенному классическому полю, да и вообще может быть размазан по всей вселенной. Верно и обратное - "наиболее классические" (когерентные) состояния размазаны по числу частиц (не являются собственными состояниями оператора числа частиц). Т.е. вы можете сказать для них только наиболее вероятное число фотонов.

Как уже сказано, разбираться нужно с КЭД. Хотя я не соглашусь, что для первого знакомства нужно все из перечисленного Munin'ом. Нужно знание классической электродинамики и квантовой механики (главное - квантовый гармонический осциллятор через операторы рождения-уничтожения)

-- 19.11.2012, 18:26 --

Bobinwl
У меня есть некоторые претензии к вашему посту. Самое кричащее

Bobinwl в сообщении #646451 писал(а):

Фотон векторная частица - т.е. имеет одно направление распространения в пространстве.

Фотон векторная частица, потому что описывается векторным (в смысле 4-вектора) полем. Что вы имели в виду про направление распространения, я не способен догадаться

-- 19.11.2012, 18:32 --

В википедии кстати хорошая картинка про измерение электрического поля для когерентных состояний с малым числом фотонов

Сверху вниз матожидание числа фотонов $\langle n\rangle=4.2, 25.2, 924.5$
из G. Breitenbach, S. Schiller, and J. Mlynek, Measurement of the quantum states of squeezed light, Nature 387 (1997) 471-475

[Munin]

Bobinwl в сообщении #646451 писал(а):

Фотон это элементарная частица, значит строения не имеет. Все "строение" это проявление его свойств как переносчика электромагнитного взаимодействия плюс также квантовые свойства

Ну, лучше всё-таки сказать, что его свойства - это уравнения, которым он подчиняется:
- уравнения свободного поля;
- уравнения взаимодействия с зарядами.
Их, например, можно выразить квантовым лагранжианом (в хевисайдовской системе единиц, в качестве заряда электрон спина 1/2)

$$\mathcal{L}=-\dfrac{1}{4}(\partial_{[\mu}A_{\nu]})(\partial^{[\mu}A^{\nu]})+\bar{\psi}(i\gamma^\mu\partial_\mu-e\gamma^\mu A_\mu-m)\psi,$$

или набором правил для фейнмановских диаграмм: каков пропагатор фотона, какова вершина взаимодействия фотона с электроном.

Это всё составляет цельную теорию - математическую модель, в которой можно проводить произвольные расчёты. А перечислять отрывочные факты, надёрганные бессистемно из этой теории - это вы могли бы так рассказывать для дошкольников.

Bobinwl в сообщении #646451 писал(а):

Стоит добавить, что понимать современную физику "строением" элементарных составляющих невозможно (на текущее состояние развитие точно невозможно), можно только держать в голове совокупность свойств и понимать их совместную непротиворечивость.

Лучше не держать в голове "совокупность свойств", а добиваться полноценной цельной матмодели. Например, как в ньютоновской механике - не отрывочные сведения о том, как падают камни и качаются маятники, а представление о системе материальных точек, связанных дифференциальными уравнениями друг с другом и со внешними условиями.

_Z_ в сообщении #646461 писал(а):

А как связаны длина волны и частота э/м волны с "размерами" и длиной волны фотона?

Длина волны и частота электромагнитной волны равны, соответственно, длине волны и частоте фотона.

"Размеров" фотона в физике нет. Есть несколько разных понятий (по убывающей):
- размер волнового пакета;
- длина волны;
- форм-фактор в координатном представлении.
Роль "размеров", аналогичных механическим, в разных ситуациях выполняют разные из этих понятий, или их комбинации. Форм-фактор фотона экспериментально неотличим от точечной частицы, а остальные величины могут быть заданы как захочется.

_Z_ в сообщении #646461 писал(а):

Можно ли считать фотон "куском" э/м волны, состоящей из нескольких полных периодов э/м волны?

Нет, нельзя. Лучше считать так: вся электромагнитная волна - это сумма $N$ собственных копий, каждая из которых - фотон, и в $N$ раз слабее (по энергии; по амплитуде, соответственно, в $\sqrt{N}$ раз).

Update: Хотя это переупрощённо, fizeg правильно замечает, что картина квазиклассической электромагнитной волны сложнее ещё тем, что в ней число фотонов неопределённое, а $N$ - это некое среднее. Отсюда следует, что в обратную сторону соответствие не прямое: если взять просто некоторое множество фотонов, то далеко не всегда они будут давать что-то подобное классической электромагнитной волне, даже огрублённо. Например, обычный видимый свет (солнечный, свет ламп и мониторов) - это множество некогерентных фотонов, и НЕ является классической электромагнитной волной.

_Z_ в сообщении #646461 писал(а):

Какие экспериментальные данные?

О, экспериментальных данных море, но объяснить даже, в чём они состоят, можно только по мере понимания квантовой физики (квантовая механика и теория поля). Иначе это будет выглядеть бессвязным набором фактов.

-- 19.11.2012 18:44:29 --

fizeg в сообщении #646552 писал(а):

Хотя я не соглашусь, что для первого знакомства нужно все из перечисленного Munin'ом.

Я не рассчитывал на первое знакомство, это да. Для первого знакомства достаточно вообще одной книжки (гениальной, как и все лекции Фейнмана):
Фейнман. КЭД - странная теория света и вещества.

[_Z_]

Munin в сообщении #646559 писал(а):

О, экспериментальных данных море, но объяснить даже, в чём они состоят, можно только по мере понимания квантовой физики (квантовая механика и теория поля). Иначе это будет выглядеть бессвязным набором фактов.

Все так плохо? Ни одного более менее несложного для понимания эксперимента нет? Все требуют зубодробительной математики? Ну пусть хоть как есть, где про такие эксперименты посмотреть?

[Munin]

_Z_ в сообщении #646825 писал(а):

Все так плохо? Ни одного более менее несложного для понимания эксперимента нет?

Вот есть эксперименты, скажем:
- по изучению спектров нагретых тел, которые приближаются зависимостью Планка;
- по фотоэффекту, которые демонстрируют зависимость некоторых параметров явления от частоты, но не от интенсивности света; по фотоионизации, по фотохимическим явлениям, с теми же результатами; наглядно это видно как то, что при свете малой интенсивности экран засвечивается отдельными точками, а по времени - отдельными импульсами;
- по эффекту Комптона, рассеянию рентгеновских лучей с понижением частоты, которое демонстрирует связь параметров отражённого света с частотой, но не интенсивностью;
- по индуцированному излучению света, наиболее наглядно - лазеры;
- по сдвигу Лэмба, сверхтонкой структуре в спектре водорода;
и что вы по ним поймёте? Отдельные эксперименты можно рассказать в деталях, но по отдельности они почти ни о чём не говорят. Складываться в общую картину они начинают вместе, и эта общая картина непроста.

Впрочем, я не хочу вас оттолкнуть. Наоборот, это очень интересная область физики, и стоит приложить усилия в масштабе нескольких лет, чтобы её изучить, просто будьте готовы к тому, что её нельзя будет узнать быстро и сразу.

_Z_ в сообщении #646825 писал(а):

Все требуют зубодробительной математики?

Все они требуют зубодробительной физики. Математика здесь - лишь вспомогательное средство, а вот представить себе окружающий мир, как того требует квантовая физика - занятие не для слабонервных :-)

[Bobinwl]

fizeg в сообщении #646552 писал(а):

Bobinwl
У меня есть некоторые претензии к вашему посту. Самое кричащее

Bobinwl в сообщении #646451 писал(а):

Фотон векторная частица - т.е. имеет одно направление распространения в пространстве.

Фотон векторная частица, потому что описывается векторным (в смысле 4-вектора) полем. Что вы имели в виду про направление распространения, я не способен догадаться

Видно сказал глупость. Имел в виду, что если представить фотон точечной частицей, то у него будет направление движения как у вектора. Там же я добавил, что мало понимаю связь векторности фотона и того что у него спин 1. Как оказалось, не понимаю глубже чем мне казалось. Оказалось, что важны именно свойства электромагнитного поля - именно они могут что то сказать о фотоне, переносчике этого взаимодействия, а не сама "векторность" движения частицы - фотона, который может быть "размазан по вселенной" и таким образом и вовсе как бы не существовать. В общем сплошной

[Munin]

Bobinwl в сообщении #647816 писал(а):

Имел в виду, что если представить фотон точечной частицей, то у него будет направление движения как у вектора.

Это у любой частицы так будет. Вопрос в том, что у него будет ещё и "направление вращения" как у вектора. У электрона, например, - только как у "пол-вектора".

Почитайте для начала Фейнмановские лекции по физике, том 8. Там подробно рассказано, что такое квантовая частица со спином 1/2 и со спином 1.

А дальше, просто компоненты электромагнитного поля могут быть напрямую сопоставлены с квантовыми составляющими фотона как частицы спина 1.

[VIP]

Как я понимаю не вопрос почему фотон бозон. Это получается из операторного представления. Но вот почему он векторная частица (спин 1), получается чисто из-за наличия поляризации.
Как я понимаю, скалярная безмассовая частица вообще не может существовать.

[GraNiNi]

Munin в сообщении #647089 писал(а):

Вот есть эксперименты, скажем:
- по изучению спектров нагретых тел, которые приближаются зависимостью Планка;

Раз уж зашла речь о нагретых телах, то у меня тоже возник вопрос, который хотелось бы для себя прояснить.
Имеем две поверхности излучения двух тел (веществ) состоящих из различных по массе атомов (для примера: алюминий и свинец), нагретых до одинаковой (небольшой) температуры.
Раз температуры одинаковы, то оба излучают совершенно идентичные спектры ИК излучения с максимумом, соответствующим температуре в соответствии с законом Вина.
Но как происходит "рождение" этих одинаковых спектров тепловых фотонов в столь разных системах, колеблющихся с разными частотами атомов (молекул) -осцилляторов?

[Munin]

VIP в сообщении #648086 писал(а):

Как я понимаю, скалярная безмассовая частица вообще не может существовать.

Почему? Никаких проблем.

GraNiNi в сообщении #648135 писал(а):

Раз уж зашла речь о нагретых телах, то у меня тоже возник вопрос, который хотелось бы для себя прояснить.
Имеем две поверхности излучения двух тел (веществ) состоящих из различных по массе атомов (для примера: алюминий и свинец), нагретых до одинаковой (небольшой) температуры.
Раз температуры одинаковы, то оба излучают совершенно идентичные спектры ИК излучения с максимумом, соответствующим температуре в соответствии с законом Вина.
Но как происходит "рождение" этих одинаковых спектров тепловых фотонов в столь разных системах, колеблющихся с разными частотами атомов (молекул) -осцилляторов?

Здесь надо почитать начала физики твёрдого тела (ФТТ). В твёрдых телах отдельные атомы настолько сильно взаимодействуют друг с другом, что более-менее невзаимодействующими, ведущими себя как самостоятельные понятные физические сущности, оказываются не отдельные атомы, а блоховские состояния - квазичастицы, разных сортов. Это фононы (отвечающие колебаниям атомов в решётке), электроны проводимости (отличающиеся от свободных электронов в вакууме своими свойствами), дырки, всякие поляритоны, поляроны, экситоны, плазмоны, поверхностные варианты, в большом разнообразии - для разных типов кристаллов свои квазичастицы, причём физики постоянно открывают новые.

Именно в терминах этих квазичастиц надо понимать процессы и свойства твёрдых тел, например, излучение. Алюминий и свинец - металлы, поэтому, несмотря на совсем разные атомы, у них очень похожие электронные подсистемы - электронный газ со свободной поверхностью Ферми (в отличие от полупроводников, например). Этот электронный газ в приповерхностном слое и отвечает в основном за поглощение и излучение света, за все оптические свойства (по крайней мере до ультрафиолета, когда фотоны начинают проникать в кристалл, становясь в нём поляритонами). И поскольку это газ "квази-свободных" электронов, то в нём легко находится пара уровней для излучения любой частоты, как и для свободных электронов в непрерывном спектре. А заселённость этих уровней соответствует тепловому равновесному распределению (для электронов), и поэтому интенсивность излучения тоже соответствует тепловому равновесному распределению - уже фотонов. Вот так, кроме небольших поправок, все металлы и достаточно допированные полупроводники излучают тепловой спектр Планка - в диапазоне от ИК до оптического.