Условие
14.5.24. Докажите, что свободный электрон не может ни поглотить, ни испустить фотон.
Решение
Для доказательства запишем законы сохранения энергии и импульса для системы «электрон-фотон» и покажем, что они выполняются только для несуществующего фотона с частотой
1. Невозможность поглощения:
Рассмотрим процесс в системе отсчета, где свободный электрон изначально покоится.
- До поглощения: энергия электрона
, его импульс . Энергия налетающего фотона , его импульс . - После поглощения: фотон исчезает. По закону сохранения импульса, весь импульс передается электрону, то есть
. Полная энергия электрона станет .
Запишем закон сохранения энергии:
Возведем обе части в квадрат:
После сокращения получаем:
Так как масса электрона
2. Невозможность испускания:
Пусть покоящийся свободный электрон испускает фотон с частотой
- До испускания: энергия системы равна энергии покоя электрона
, импульс равен нулю. - После испускания: появляется фотон с импульсом
. Чтобы суммарный импульс остался нулевым, электрон должен получить импульс отдачи .
Закон сохранения энергии:
Так как
Ответ
Одновременное выполнение законов сохранения энергии и импульса при поглощении или испускании фотона свободным электроном возможно только при частоте фотона