2. Корпускулярно-волновой дуализм

Из опытных фактов следует, что свет обладает одновременно волновыми свойствами(интерференция, дифракция, поляризация) и корпускулярными, которые проявляются в процессах взаимодействия света с веществом(испускания, поглощения, рассеяния). Свет имеет двойственную природу и обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм.

Фотон – это квантовый объект который в принципе нельзя представить с помощью классических понятий, однако он проявляет свои корпускулярно-волновые свойства в различных соотношениях

1. Чем меньше энергия и импульс фотона тем сложнее обнаружить квантовые свойства света. Фотоны в этом случае в основном проявляют волновые свойства(красная граница).

2. Чем больше энергия и импульс фотона тем сложнее обнаружить волновые свойства фотона. В этом случае фотон обладает в основном корпускулярными свойствами(рентгеновское излучение).

3. Свет или рентгеновское излучение 10¹⁵<ω<10¹⁹ проявляется в равной степени и корпускулярные и волновые свойства, корпускулярные(фотоэффект), волновые(интерференция и дифракция).

Правило: при описании фотонов мы иногда используем формулы волновой теории и иногда корпускулярной, но никогда не используем и те и те одновременно.

Давление света также объясняется и квантовой и волновой теорией. При соударении с поверхностью тела фотон передает ей свой импульс. Отражение света «переизлучение» фотонов. Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности N фотонов за 1с:

БИЛЕТ 9

1. Тепловое излучение

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии излучающего тела и свойственное всем телам при температурах выше 0 К. Оно зависит от температуры и оптических свойств тела.

Тепловое излучение абсолютно черного тела называется равновесным. Абсолютно черное тело при любой Т полностью поглощает энергию падающих на него эл магнитных волн не зависит от 3х факторов: частоты, поляризации, направления распространения.

Интенсивность теплового излучения I_λ,T I_ω,T

Плотность энергии равновесного излучения и его спектральный состав зависят только от температуры и длины волны(частоты).

1.при повышении температуры полная энергия и интенсивность теплового излучение увеличиваются пропорционально Т⁴

2. Когда Т растет длина волны уменьшается

Правило Прево Если 2 тела поглощают разные энергии то и излучаемые ими энергии будут различны.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости тела R_ω,T – мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины: .

Спектральную плотность энергетической светимости можно представить в виде функции длины волны λ :

Закон Кирхгофа

Закон Вина

Закон смещения Вина λ_max=b/T, b – постоянная Вина

Закон Стефана-Больцмана – энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры .

Закон Рэлея-Джинса

2. Рамоновское рассеяние

Комбинационным рассеянием света (эффект Рaмана) называется рассеяние света веществом (газом, жидкостью, прозрачным кристаллом), сопровождающееся изменением длины волны света, которое связано с колебаниями и вращением молекул вещества. В спектре рассеянного света наряду с частотой ω₀ падающего света присутствуют дополнительные комбинационные линии с частотами ω = ω₀ ±ω_i, где ω_i – частоты колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул.

Линии в спектре комбинационного рассеяния с частотами ω = ω₀ -ω_i, меньшими частоты ω0 падающего света, называются стоксовыми (или красными) спутниками. Каждому стоксовому спутнику соответствует антистоксовый (или фиолетовый) спутник с частотой ω = ω₀+ω_i бόльшей, чем ω₀ .

Объяснение эффекта Рамана в рамках квантовой теории основывается на том, что комбинационное рассеяние света есть процесс неупругого «столкновения» фотонов с молекулами, в котором один фотон поглощается и один фотон испускается молекулой.

Если энергии фотонов одинаковы, то в рассеянном свете наблюдается несмещенная линия. Если молекула под действием света перейдет в возбужденное состояние, то испущенный фотон будет иметь меньшую частоту – возникает стоксов спутник. Если же молекула, до воздействия света находящаяся в возбужденном состоянии, перейдет в основное, то испущенный фотон будет иметь бόльшую частоту – возникает антистоксовый спутник.

Спектры комбинационного рассеянием света позволяют выполнять исследования состава и строения вещества. Например, изучать кристаллы, квазичастицы (фононы и др.), химические соединения, а также структуру молекул с неизвестным строением.

БИЛЕТ 10

1. Эффект Комптона

Эффект Комптона состоит в изменении длины волны рентгеновских лучей, происходящем при рассеянии их веществом.

Источником рентгеновского излучения с длиной волны λ служила рентгеновская трубка с молибденовым антикатодом. Диафрагмы D1 и D2 выделяли узкий пучок монохроматического рентгеновского излучения, который падал затем на исследуемый образец О. После прохождения ряда диафрагм рассеянное излучение попадало на кристалл K рентгеновского спектрографа, а затем в счетчик С (или на фотопластинку).

Комптон установил, что в рассеянном на «свободных» (или слабосвязанных) электронах вещества коротковолновом электромагнитном излучении(рентгеновское и γ -излучение) наряду с исходной длиной волны λ появляется смещенная линия с длиной волны λ^\ > λ . Увеличение длины волны λ = λ^\ - λ называется комптоновским смещением.

Комптоновское смещение λ = λ^\ - λ для всех веществ одинаково и не зависит от длины волны λ падающего излучения. На тяжелых атомах эффект труднее наблюдать из-за малой интенсивности смещенной компоненты.

Увеличение λ определяется только углом рассеяния θ между направлениями рассеянного и падающего излучений:

где λ_С – комптоновская длина волны частицы массой m. При рассеянии на электроне

С увеличением угла θ интенсивность несмещенной компоненты уменьшается, а смещенной – растет.

Объяснение эффекта Комптона. Классическая теория не в состоянии объяснить закономерности комптоновского рассеяния. Для его описания необходимо считать, что падающее излучение состоит из отдельных фотонов.

Комптон показал, что для объяснения сдвига длины волны рассеяние рентгеновского кванта надо рассматривать как результат одиночного акта упругого столкновения фотона со «свободным» покоящимся электроном вещества. Отметим, что в легких атомах энергией связи электрона внутри атома можно пренебречь при всех углах рассеяния θ, т. е. все электроны можно считать «свободными». Энергия, передаваемая фотоном при столкновении, будет тем больше, чем больше угол рассеяния.