ФОТО́Н

ФОТО́Н (γ-квант), эле­мен­тар­ная час­ти­ца, квант элек­тро­маг­нит­но­го по­ля. Мас­са по­коя Ф. m_γ=0 (экс­пе­рим. ог­ра­ни­че­ние m_γ<5·10^–60 г), по­это­му его ско­рость рав­на ско­ро­сти све­та. Спин Ф. ра­вен 1 (в еди­ни­цах по­сто­ян­ной План­ка h), сле­до­ва­тель­но, Ф. от­но­сит­ся к бо­зо­нам. Про­ек­ции спи­на Ф. на на­прав­ле­ние дви­же­ния (спи­раль­ность) рав­ны ±1; это­му в клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ке со­от­вет­ст­ву­ет по­пе­реч­ность элек­тро­маг­нит­ной вол­ны.

Т. к. не су­ще­ст­ву­ет сис­те­мы от­счё­та, в ко­то­рой Ф. по­ко­ит­ся, у не­го нет оп­ре­де­лён­ной внут­рен­ней чёт­но­сти. В за­ви­си­мо­сти от элек­трич. и маг­нит­ной муль­ти­поль­но­сти сис­те­мы за­ря­дов, из­лу­чив­шей дан­ный Ф., раз­ли­ча­ют со­стоя­ния Ф. элек­трич. и маг­нит­но­го ти­па. Ф. как ис­тин­но ней­траль­ная час­ти­ца об­ла­да­ет за­ря­до­вой чёт­но­стью С=–1. Ф. уча­ст­ву­ет не толь­ко в элек­тро­маг­нит­ном, но и в гра­ви­та­ци­он­ном взаи­мо­дей­ст­вии.

Пред­став­ле­ние о Ф. воз­ник­ло в хо­де раз­ви­тия кван­то­вой тео­рии и тео­рии от­но­си­тель­но­сти (тер­мин «Ф.» вве­дён Г. Лью­и­сом в 1926). В 1900 М. Планк по­лу­чил фор­му­лу для спек­тра те­п­ло­во­го из­лу­че­ния аб­со­лют­но чёр­но­го те­ла (см. План­ка за­кон из­лу­че­ния), ис­хо­дя из пред­по­ло­же­ния, что из­лу­че­ние элек­тро­маг­нит­ных волн про­ис­хо­дит оп­ре­де­лён­ны­ми пор­ция­ми – «кван­та­ми», энер­гия ко­то­рых мо­жет при­ни­мать дис­крет­ный ряд зна­че­ний, крат­ных не­де­ли­мой пор­ции – кван­ту ћω , где ω  – час­то­та элек­тро­маг­нит­ной вол­ны, ћ=h/2π . Раз­ви­вая идею План­ка, А. Эйн­штейн ввёл ги­по­те­зу све­то­вых кван­тов, со­глас­но ко­то­рой элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние са­мо со­сто­ит из та­ких кван­тов, и на её ос­но­ве объ­яс­нил ряд за­ко­но­мер­но­стей фо­то­эф­фек­та, лю­ми­нес­цен­ции, фо­то­хи­мич. ре­ак­ций. По­стро­ен­ная Эйн­штей­ном спец. тео­рия от­но­си­тель­но­сти соз­да­ла пред­по­сыл­ки счи­тать элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние од­ной из форм ма­те­рии, а све­то­вые кван­ты – ре­аль­ны­ми эле­мен­тар­ны­ми час­ти­ца­ми. Опы­та­ми А. Ком­пто­на по рас­сея­нию рент­ге­нов­ских лу­чей ус­та­нов­ле­но, что кван­ты из­лу­че­ния под­чи­ня­ют­ся тем же ки­не­ма­тич. за­ко­нам, что и час­ти­цы ве­ще­ст­ва; в ча­ст­но­сти, квант из­лу­че­ния с час­то­той ω об­ла­да­ет так­же и им­пуль­сом ћω (см. Ком­пто­на эф­фект).

В ре­зуль­та­те раз­ви­тия кван­то­вой ме­ха­ни­ки ста­ло яс­но, что ни на­ли­чие вол­но­вых свойств, ни спо­соб­ность ис­че­зать или ро­ж­дать­ся в ак­тах по­гло­ще­ния и ис­пус­ка­ния не вы­де­ля­ют Ф. сре­ди др. эле­мен­тар­ных час­тиц. Всем час­ти­цам ве­ще­ст­ва при­су­щи и кор­пус­ку­ляр­ные, и вол­но­вые свой­ст­ва, бы­ла ус­та­нов­ле­на воз­мож­ность взаи­мо­пре­вра­ще­ния эле­мен­тар­ных час­тиц. Так, в элек­тро­ста­тич. по­ле атом­но­го яд­ра Ф. с энер­ги­ей >1 МэВ мо­жет пре­вра­тить­ся в элек­трон и по­зи­трон (ро­ж­де­ние па­ры), а при столк­но­ве­нии элек­тро­на и по­зи­тро­на мо­жет про­изой­ти их ан­ни­ги­ля­ция в два (или три) γ-кван­та.

Кван­то­вой тео­ри­ей взаи­мо­дей­ст­вия Ф. с за­ря­жен­ны­ми леп­то­на­ми яв­ля­ет­ся кван­то­вая элек­тро­ди­на­ми­ка. В 1960-х гг. бы­ла соз­да­на тео­рия элек­тро­сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия, в ко­то­рой Ф. вме­сте с про­ме­жу­точ­ны­ми век­тор­ны­ми бо­зо­на­ми осу­ще­ст­в­ля­ет связь ме­ж­ду то­ка­ми. В тео­ри­ях, объ­е­ди­няю­щих разл. фун­дам. взаи­мо­дей­ст­вия на ос­но­ве су­пер­сим­мет­рии, Ф. име­ет сво­его ги­по­те­тич. су­пер­парт­нё­ра – фо­ти­но.