Квантовая физика
Лекция 7
8. Квантовая физика
КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ СВЕТА
8.1. Виды излучения
Электромагнитное излучение процесс образования свободного электромагнитного поля при неравномерном движении и взаимодействии электрических зарядов. Создаваемое электромагнитное поле является суммой как сосредоточенного вблизи заряда и движущегося вместе с ним поля излучения, так и распространяющегося на бесконечное расстояние от него поля излучения (электромагнитных волн). Электромагнитное поле обладает импульсом и энергией. Распространяющееся поле электромагнитных волн сопровождается потоком энергии. Плотность потока энергии определяется вектором Пойнтинга. Процесс излучения квантовой системы (атома, ядра, молекулы) подчиняется квантовым законам. В квантовой теории излучения электромагнитное поле рассматривается как совокупность квантов электромагнитного поля фотонов.
Фотон
имеет импульс
,
(1.1)
где
волновой вектор, h
постоянная
Планка.
Фотон имеет энергию = h, (1.2)
где частота излучения.
Излучение одного фотона квантовой системой сопровождается переходом ее из состояния с энергией Wm в состояние с энергией Wn (Wm > Wn), т. е.
= hmn= Wm Wn. (1.3)
Так как энергия квантовой системы дискретна, то такая система испускает излучение определенных частот спектр излучения, состоящий из отдельных спектральных линий с конечной шириной. Время жизни возбужденного атома 108 с. В современной физике используют излучения:
Тормозное, которое возникает при торможении и отклонении от начального направления движения заряженной частицы в результате ее рассеяния на атомах.
Магнитотормозное, возникающее при движении заряженной частицы в магнитном поле.
При энергиях частицы >> mc2 (ультрарелятивистское движение) наблюдается синхротронное излучение, обладающее широким спектром частот с максимумом в области частот
,
где
частота обращения частицы по окружности
в ускорителе. Синхротронное излучение обладает малой угловой расходимостью (
)
и высокой степенью поляризации в
плоскости орбиты.
Синхротронное излучение имеет квантовую природу.
Например, испускание жестких фотонов носит дискретный характер (1 фотон на 30 см траектории). При этом, наблюдается эффект квантовых флуктуаций радиуса орбиты электрона, т. е. траектория частицы вследствие дискретного характера синхротронного излучения испытывает квантовое уширение, и возникает своеобразное квантовое явление: электрон в магнитном поле совершает движение по макроскопической траектории (движение в ускорителе или накопительных кольцах) и при этом не только излучает видимый свет, но и движется электрон в радиальном направлении. Его положение на орбите подчиняется квантовым законам.
Обнаружена радиационная поляризация электронов и позитронов в накопительных кольцах (ориентация спина электрона и позитрона в противоположных направлениях). Эффект радиационной поляризации открывает новые возможности физического эксперимента по наблюдению явлений, связанных с внутренней степенью свободы частиц их спином. При малых скоростях движения заряженной частицы излучение циклотронное.
4. Ондуляторное излучение наблюдают при движении ультрарелятивистских заряженных частиц с малым поперечным периодом отклонения, возникает, например, при их пролете через конденсатор с переменным во времени электрическим полем, перпендикулярным к направлению средней скорости частиц.
5. Излучение ВавиловаЧеренкова возникает при равномерном движении заряженной частицы в среде со скоростью больше фазовой.
6. Переходное излучение возникает при пересечении равномерно движущимся зарядом пространства с неоднородными диэлектрическими свойствами. Переходное излучение и излучение ВавиловаЧеренкова родственные явления. Излучение ВавиловаЧеренкова есть результат когерентного высвечивания возбужденных частицей атомов, а переходное некогерентное. Существуют и другие излучения: вынужденное, дифракционное и др.