Ориентация спина фотона

Ориентация спина дискретной поперечной волны

Теоретически считается, что спин фотона имеет только продольную ориентацию, но такая точка зрения не имеет однозначного экспериментального подтверждения. С другой стороны, аннигиляцию электрона и позитрона с образованием трех фотонов можно объяснить, если спины разлетающихся фотонов ориентированы поперечно движению, только тогда не нарушается закон сохранения кинетического момента системы, например, сохраняется векторная сумма моментов до аннигиляции и после.

электрон + позитрон --> три фотона                               

«... ортопозитроний аннигилирует в три гамма-кванта ...»

Физическая энциклопедия. ПОЗИТРОНИЙ.

Если спины всех фотонов ориентированы по направлению движения (или против), сумма равна 0. Если спины двух фотонов - по направлению движения и один - против (или, соответственно, наоборот), сумма равна 2. Согласно закону сохранения момента количества движения системы, после реакции должен сохраняться суммарный спин, равный 1, а такое возможно только в том случае, когда спины разлетающихся фотонов ориентированы поперечно движению (перпендикулярно плоскости разлета), например, у двух фотонов - в одну сторону и у одного - в противоположную.

«Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда.»

Физический энциклопедический словарь. СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ.

«Спин J связан со строгими законами сохранения момента количества движения и поэтому является точным квантовым числом.»

Физическая энциклопедия. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

«Спин J - собственный момент импульса частицы, измеряется в единицах h/2p и принимает целые и полуцелые значения.»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.540.

Так как распространяющиеся поперечные возмущения поля могут иметь разные типы поляризации, можно предположить, что линейно поляризованные фотоны имеют поперечную ориентацию спина, а циркулярно поляризованные - продольную. Аналогия: линейно поляризованные возмущения, распространяющиеся по натянутому шнуру, имеют поперечную ориентацию момента количества движения, а циркулярно поляризованные - продольную. Все поперечные возмущения переносят момент количества движения, ориентация которого зависит от типа поляризации.

«Тем самым свойство правой или левой циркулярной поляризации присуще отдельному фотону. ... Тем самым свойство линейной поляризации вдоль осей Y или Z также присуще отдельному фотону.»

Фундаментальный курс физики. А.Д.Суханов. 1999. Т.3. С.16.

«... различают следующие типы поляризации поперечных синусоидальных волн: эллиптическую, циркулярную (или круговую), линейную (или плоскую).»

Курс физики. А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. 2000. С.388.

«... перенося энергию и импульс, момент импульса; ...»

Физическая энциклопедия. ВОЛНЫ.

Рассмотрим другой пример, когда аннигилируют электрон и позитрон с образованием двух фотонов.

«... парапозитроний аннигилирует в два гамма-кванта ...»

Физическая энциклопедия. ПОЗИТРОНИЙ.

Если после аннигиляции спины фотонов ориентированы по направлению движения или против, то в этом случае нарушается закон сохранения момента количества движения, так как система из электрона и позитрона имела нулевой момент количества движения, а после аннигиляции система из двух фотонов имеет момент количества движения, не равный нулю во всех случаях, кроме одного, когда пара электрон и позитрон до аннигиляции покоилась относительно наблюдателя. Для наглядности рассмотрим крайний случай, когда пара электрон и позитрон движется со скоростью, близкой к скорости света. После аннигиляции два фотона, согласно закону сохранения импульса, будут двигаться в том же направлении, в котором двигались электрон и позитрон и, если спины фотонов ориентированы по направлению движения или против, то в сумме момент количества движения будет не равен нулю.

                                    -->

электрон + позитрон -->   два фотона       наблюдатель

                                    -->

Также можно рассмотреть обратный случай, когда наблюдатель движется относительно электрона и позитрона. Если после аннигиляции спины фотонов ориентированы по направлению движения или против, то для движущегося наблюдателя система из двух фотонов будет иметь ненулевой момент количества движения, что противоречит закону сохранения момента количества движения. Т.е., например, система из наблюдателя, электрона и позитрона не имеет момента количества движения, а после аннигиляции система из наблюдателя и двух фотонов будет его иметь и, если наблюдатель столкнется с фотонами, поглотив их, то у него появится момент количества движения. Отсюда можно сделать вывод: постулат о том, что спины фотонов всегда имеют продольную ориентацию, является неверным.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.comail.ru:8081/