Раздел VI. Квантовая оптика

ВВЕДЕНИЕ

Общие положения

На рубеже XIX и XX веков в физике накопился целый ряд экспериментальных фактов, которые не могли быть объяснены с помощью моделей классической физики, оперирующей с непрерывным распределением в фазовом пространстве массы, энергии, импульса и др. параметров. В частности, для объяснения наблюдаемой зависимости энергии излучения нагретых тел от температуры, М. Планку пришлось сделать предположение, что свет от них излучается не непрерывно, а малыми дискретными порциями – квантами, именуемыми фотонами. Эта минимальная порция энергии ε_γ кванта света – фотона пропорциональна частоте излучения ν и равна:

ε_γ=hν , (VI.1)

где h = 6,225·10^-23 Дж·с – постоянная Планка.

Вскоре была установлена причина испускания света веществом. Э. Резерфорд доказал, что атом имеет строение, подобное планетарной системе: вокруг тяжелого ядра вращаются по замкнутым орбитам легкие электроны, причем почти вся масса атома сосредоточена в ядре, хотя размер его в ~10⁴ раз меньше размеров электронной оболочки. Находясь на стационарной орбите, электрон не излучает энергии (это I постулат Бора), а при переходе с орбиты более высокого уровня энергии Е_m на более низкий E_n излучает квант энергии (II постулат Бора):

ε_γ=hν= Е_m - E_n . (VI.2)

Как видно из формул (VI.1,2), энергия фотона тем выше, чем больше частота и, следовательно, чем меньше длина волны света. Так, излучение в ИК диапазоне вызывает, в основном, тепловой эффект. Излучение в УФ диапазоне может оказать более значительное воздействие на организм животных и человека. Излучение в диапазоне 200÷320 нм является бактерицидным и вызывает необратимые процессы коагуляции белковых веществ у многих бактерий, ведущие к их гибели. Максимальная бактерицидность приходится на длину волны 254 нм.

Фотон – это микрочастица, которая движется со скоростью света, не имеет массы покоя, но обладает указанной выше энергией и импульсом р:

p=hν/c=h/λ , (VI.3)

где λ – длина световой волны.

Благодаря импульсу фотоны оказывают давление на освещаемую поверхность, имеющую коэффициент отражения ρ_отр:

, (VI.4)

где Е_γ =N·hν – энергия N фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени. Давление света также объясняется и с точки зрения волнового подхода, поскольку ЭМ волна переносит энергию в пространстве.

Однако, не только фотоны, но и другие микрочастицы: электроны, протоны, нейтроны и пр., обладают двойственными свойствами: волновыми и корпускулярными. Луи де Бройль приписал частицам микромира с импульсом р плоскую волну с длиной λ:

λ =h/p. (VI.5)

Реализация идеи о волновых свойствах частиц микромира привела к созданию электронного микроскопа, методов нейтронографии и др., которые позволяют наблюдать объекты размером в несколько атомов.

Рассмотрение света не как ЭМ волны, а как потока фотонов, позволило А. Эйнштейну объяснить явление внешнего фотоэффекта (возникновение фототока, т.е. выбивание электронов с поверхности металла под воздействием света). Согласно Эйнштейну энергия фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение электрону кинетической энергии Е_кин:

. (VI.6)

При участии фотонов, за счет их энергии, происходят многие фотохимические реакции, имеющие чрезвычайное значение для процессов жизнедеятельности, такие как фотополимеризация, фотооксидирование, фотогидратация, фотораспад, фотосинтез, фотоизомеризация и др. Например, при облучении большими дозами УФ происходит распад аминокислот, белков, нуклеиновых кислот. Под действием УФ излучения Солнца в стратосфере происходит диссоциация молекул кислорода:

О₂ + hν→2 О, а далее: О+О₂ →О₃. (VI.7)

Так при участии фотонов образуется озон в верхних слоях атмосферы. Слой озона почти полностью поглощает коротковолновую часть ЭМ излучения Солнца с λ<290 нм, гибельную для всех живых существ на поверхности Земли. Чрезвычайно важной для жизни на Земле является реакция фотосинтеза. Фотосинтез приводит к аккумулированию энергии света в виде свободной энергии химических связей; только при фотосинтезе сложные органические вещества получаются непосредственно из таких простых как вода и углекислый газ.

С позиции корпускулярного подхода к природе света хорошо объясняется также явление люминесценции. Люминесценция – это неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность периода световых колебаний τ >10^-10. Люминесценция обусловлена переходами электронов из возбужденного состояния на более низкие уровни. Люминесцировать способны многие вещества – люминофоры: разреженные газы, пары серы, йода, ароматические соединения, разные красители и многие др. По типу возбуждения атомов люминофора различают: фотолюминесценцию, хемилюминесценцию, рентгено-люминесценцию, катодолюминесценцию, триболюминесценцию.

Фотолюминесценция начинается с поглощения фотона с энергией hν атомом или молекулой и их перехода в возбужденное состояние. Согласно правилу Стокса длина волны излучаемого при люминесценции света больше, чем длина волны света, её возбуждающего.

Даже при очень малых концентрациях люминофора после воздействия потока УФ фотонов наблюдается свечение в видимом диапазоне. На этом основан люминесцентный анализ. Он нашел широкое применение в ветеринарно-санитарной экспертизе. Так, цвет продукта при освещении его УФ меняется постепенно, по мере порчи: цвет мяса – от красно-фиолетового до зеленовато-голубого; цвет рыбы – от серого до желто-зеленого; цвет молока от зеленовато-желтого до синего и т.д. При наблюдении препаратов продуктов в микроскоп с УФ подсветкой можно по виду свечения распознать возбудителей туберкулеза, сибирской язвы, сальмонеллеза и др.

Изобретенные в середине XX века новые источники света – лазеры привели к возникновению нового направления в оптике – нелинейной оптике, к созданию оптической электроники, получили много применений революционного характера. Лазер – это оптический квантовый генератор, в котором излучательные переходы нарастают лавинообразно в активной среде. Активная среда способна поддерживать инверсное (возбужденное) заселение энергетических электронных уровней. Испускаемые фотоны стимулируют дальнейшие переходы с излучением фотонов той же частоты, так что лазерное излучение является строго когерентным. По типу активной среды различают лазеры твердотельные, полупроводниковые, жидкостные и газовые. Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду; 2) систему накачки для создания инверсии заселенностей уровней (возбуждения атомов); 3) оптический резонатор для формирования направленного пучка фотонов.

Использование лазера сделало технически возможным решение ряда сложных задач цитологии, цитогенетики, эмбриологии и других областей биологической науки. Тончайший лазерный луч, обладающий большой интенсивностью дает возможность неосуществимого ранее вмешательства в клеточные и субклеточные процессы, что нашло применение в генной инженерии. В хирургии применяются лазерные скальпели. Тепловое и имуностимулирующее действие лазерного излучения применяется в физиотерапии.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13 (3-17)