Фотон и волновое представление света

В XIX веке Максвелл, чтобы получить решение в виде электромагнитной волны, ввел в свои уравнения так называемый ток смещения.  В данной работе предлагается модель фотона  в виде тора – кольца максвелловского тока смещения.


Пусть  r – радиус кольца тора,  b – радиус сечения тора  (1/2 толщины)

Кольцо тока смещения

Введем обозначение  форм-фактор кольца.  Тогда формула для индуктивности кольца (ток сосредоточен в поверхностном слое) записываются в виде:

Разобьем энергию фотона на две части

где – скорость света.

Одна часть – это энергия магнитного поля  (МП)  кольца тока (она же – кинетическая энергия распределенной инерционной массы фотона, вращающейся вдоль кольца)

Считаем, что магнитный поток кольца тока фотона (как и электрона)  f0  равен известному кванту магнитного потока

f0  связан с током  If  и индуктивностью кольца  L  соотношением

Вторая часть – это кинетическая энергия той же инерционной массы, движущейся линейно в пространстве  = mf c2/2.  Движение инерционной массы фотона происходит в обоих случаях со скоростью света  (c), поэтому эти части энергии равны друг другу.

Формула Планка для фотона

поэтому с учетом (1) и (4)

Отсюда получаем формулу для форм-фактора, такую же, как у электрона


Итак, фотон – это кольцо максвелловского тока смещения как у электрона, но без заряда.  Такие кольца токов смещения можно увидеть на картинках, нарисованных рукой Генриха Герца в 1889 году  при описании своих знаменитых опытов

Фазы дипольного излучателя на основе статьи Г.Герца 1889 года
«Силы электрических колебаний, рассматриваемые с точки зрения теории Максвелла»


Рассмотрим цепочку фотонов, образованную передающей антенной (излучательным диполем Герца) или вынужденным испусканием фотонов возбужденными атомами нагретого газа, и находящуюся вдали от источника излучения

Стрелками показано направление вращения тока в цепочке колец, оно чередуется.  Соответственно чередуется направление магнитного поля и спина фотонов либо к нам, либо от нас.


Рассмотрим фрагмент плоской монохроматической когерентной ЭМ волны (континуума радио-фотонов) на большом расстоянии от дипольного излучателя, состоящей из множества сфазированных цепочек фотонов

Синусоидальная линия – амплитуда вектора индукции МП, полученная от токов всех колец на основе формулы Био-Савара.  Вектор индукции  B  направлен либо к нам, либо от нас, перпендикулярно рисунку.  Такую же форму и фазу имеет напряжение на пробном конденсаторе-антенне, которое интегрируется в этой антенне от токов смещения континуума радио-фотонов при прохождении мимо нее.  Диполь антенны и вектор напряженности  E  электрического поля этого диполя находятся в плоскости рисунка и направлены перпендикулярно направлению движения фотонов.

Результат получается такой же, как на картинках электромагнитной волны современных учебников

Такой континуум фотонов ведет себя как плоская монохроматическая когерентная волна.  Гюйгенс, Френель, Юнг и другие ученые, открывая и исследуя волновые свойства света и используя при этом лучи Солнца, не догадывались что это континуум дискретных фотонов, а не непрерывная волна, наподобие звуковой волны.  Тем не менее, на волновом представлении о свете они открыли и разработали законы отражения, преломления, дифракции, интерференции и поляризации света.

Принцип суперпозиции световых волн классической (линейной) оптики, сформулированный Гюйгенсом и Френелем, можно легко заменить принципом суперпозиции фотонов-колец.  Существующий более 100 лет парадокс синфазности ЭП и МП получает объяснение новой моделью.


При взаимодействии вещества с потоком фотоном, каждый связанный с ядром электрон можно считать приемной дипольной антенной-конденсатором, преобразующей токи смещения фотонов в электрическое поле.  Поэтому модель электромагнитной волны и уравнения Максвелла работают математически верно, хотя физическое единичное взаимодействие фотона со связанным электроном в деталях отличается от такого дипольного представления.  Детали взаимодействия фотонов и электронов будут рассмотрены в дальнейшем.


Примечание

 1-ый вариант данного текста был подготовлен 16 апреля 2016 г.