Квантовая оптика 09. 11. 13 11: 00
Реклама: | Скачать 0.84 Mb.
|
| Квантовая оптика Волновая и корпускулярная концепции света. Фотон и его характеристики. Корпускулярно-волновой дуализм свойств света. Оптика – учение о свете. Свет является микроскопическим объектом природы. Его характерный пространственный параметр – длина волны - составляет доли микрометра. С этим связана непривычность и даже противоречивость свойств света с позиции обыденных, макроскопических человеческих представлений. В истории оптики известны две конкурирующие концепции – волновая и корпускулярная, которые представляли свет либо в виде непрерывных волн, либо в виде частиц (корпускул1). В XIX веке, в связи с разработкой Максвеллом классической электродинамики и обнаружением электромагнитной природы света, казалось, что победу одержала волновая концепция. Она наглядно объясняла такие известные оптические эффекты, как интерференция, дифракция, поляризация, поглощение света. Но к началу XX века выявились ограниченные возможности волновой концепции света в объяснении ряда других опытных оптических закономерностей и, в первую очередь, теплового излучения и фотоэффекта. При анализе теплового излучения М. Планк в 1900 г. выдвинул гипотезу, сближавшую волновую и корпускулярную концепцию света. Суть ее в том, что свет, будучи электромагнитной волной, излучается элементарными, неделимыми далее порциями (квантами), энергия Е которых определяется только частотой света: Е = h, где h 6,610-34 Джс - постоянная Планка2. Эти элементарные энергетические порции света (электромагнитной волны) были впоследствии названы фотонами (фотос – с греческого – свет), частицами света. Интенсивность света при этом определяется числом фотонов, содержащихся в световой волне с данной частотой. По формуле Эйнштейна Е = (m2с4 + с2р2), связывающей энергию Е с импульсом р, - для фотона, как безмассовой частицы с m = 0, получаем: Е = ср – закон дисперсии. Отсюда импульс фотона р = Е/c = h/с = h/. Формулы Е = h и р = h/ выражают взаимосвязь корпускулярных характеристик – энергии Е и импульса р с волновыми характеристиками – частотой и длиной волны применительно к фотону. Такое непривычное для макрообъектов сочетание волновых и корпускулярных характеристик и свойств в одном объекте получило название корпускулярно-волнового дуализма (дуализм – двойственность по французски). В итоге, про свет можно сказать, что он имеет электромагнитную природу и двойственные – волновые и корпускулярные свойства. Сам же свет можно определить как энергетически квантованные электромагнитные волны определенного диапазона частот (длин волн). Таким образом, с квантовой оптики в физику, в 1900 г. вошли две тесно взаимосвязанные фундаментальные идеи, характеризующие физическую реальность на ее микроскопически - элементарном уровне: 1. Идея квантования (идея дискретности состава и квантования характеристик, мер движения). 2. Идея корпускулярно-волнового дуализма, то есть сочетания, сосуществования в элементар- ном объекте одновременно и волновых, и корпускулярных (“частичечных”) свойств. Фотоны, будучи элементарными световыми (электромагнитными) волнами, являются, в отличие от частиц, делокализованными3, то есть непрерывно распределенными в пространстве, но ведут себя как элементарное, неделимое целое образование. Фотоны долгое время не признавали частицами, т. к. они обладают волновыми свойствами (могут взаимно компенсировать друг друга), делокализованы, и легко рождаются и уничтожаются. Однако в XX веке выяснилось, что все эти особенности присущи и другим, вещественным частицам. Поэтому в настоящее время общепризнанным является понимание фотонов, как фундаментальных частиц, являющихся квантами свободного (распространяющегося) электромагнитного поля, переносящими электромагнитное взаимодействие. ^ Определение, механизм и основные характеристики теплового излучения. О  дним из наиболее распространенных источников и механизмов порождения электромагнитного излучения является тепловое возбуждение атомов (молекул, ионов) вещества. При хаотическом тепловом движении, вследствие взаимодействий – “соударений”, часть атомов может переходить в возбужденное состояние, характеризующееся избыточным, по сравнению со стационарным (невозбужденным) состоянием, значением энергии. Возбужденное состояние атома является неустойчивым, и он самопроизвольно переходит в более устойчивое – энергетически более низкое – состояние, избавляясь от избытка энергии путем излучения электромагнитных волн, которые и называют тепловым излучением. При комнатной температуре тела испускают электромагнитные волны преимущественно в инфракрасном диапазоне частот. С ростом температуры появляется красный, затем желтый и, наконец, фиолетовый цвет свечения. Интенсивность теплового излучения, очевидно, должно сильно зависеть от температуры, являющейся мерой теплового (внутреннего) движения атомов вещества. Кроме того, тепловое излучение твердых тел оказывается неравномерно распределенным по спектру4 частот (длин волн), который у твердых тел оказывается сплошным (непрерывным). Важнейшими характеристиками излучающего тела являются излучательная способность (или излучательность) E,Т и поглощательная способность (коэффициент поглощения) ,Т. ^ E,Т тела, представляет собой спектральную плотность потока энергии теплового излучения, т. е. энергию, излучаемую телом в единицу времени с единицы площади в единичном интервале длин волн (или частот): E,Т = dE/(dSdtd) = dР/dSd. [Дж/(м2см) = Вт/м3] Мощность Р излучения в оптике часто называют световым потоком Ф или, иногда – интенсивностью света.. [Дж/(м2см) = Вт/м3] Т. к. = с/, то d = -сd/2 и от распределения излучательности по длинам волн можно перейти к распределению ее по спектру частот: E,Т = E,Т 2/с; E,Т = E,Т с/2 = E,Т 2/с. ^ является определение в явном виде его спектра, т. е. вида функции E,Т или E,Т. Опытным путем во второй половине XIX в. был установлен общий вид этой функции, характерным для которого было наличие максимума, зависящего от температуры (см рис.). Теоретически же получить вид этой функции долго не удавалось. Один из первых шагов на пути решения основной задачи теории теплового излучения был сделан в 1859 г. Р. Кирхгофом. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Реклама:
Похожие:
 | Способы когерентных источников. Применение интерференции: «просветленная оптика», интерферометры | | Квантовая статистика — раздел статистической физики, исследующий системы, которые состоят из огромного числа частиц, подчиняющихся... |
| Предмет изучения интегральной и волоконной оптики и основные этапы их развития. Распространение и характеристики плоских монохроматических... | | Общие и специфические особенности преподавания раздела «Квантовая физика» в курсе физики в средних образовательных учреждениях |
| Научный доктор физико-математических наук, профессор Миков Сергей Николаевич | | Х isbn 1-56184-071-8 (англ.) © Robert Anton Wilson, 1990 © «janus books», 1998 Лауре и Джону Касвелл «Встань и оглянись вокруг» |
| Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники физического факультета и в Центре лазерной и информационной биофизики | | Целью дисциплины является изучение основ квантовой механики, как базовой дисциплины для изучения последующих курсов |
| Целью дисциплины является изучение основ квантовой электроники и оптики, современных основ фотоники, физики и технологий лазеров... | | Данная лабораторная работа проводится в 11 классе в разделе темы «Волновая оптика» |