Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
48
Добавлен:
24.07.2017
Размер:
2.61 Mб
Скачать

39

Квантовая оптика 24.07.17 16:58

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  6,610-34 Джс - 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.

Тепловое излучение

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 путемизлучения 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.

Излучательная способность 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/(dSdtd) = dР/dSd. [Дж/(м2см) = Вт/м3]

Мощность Р излучения в оптике часто называют световым потоком Ф или, иногда – интенсивностью  света.. [Дж/(м2см) = Вт/м3]

Т. к.  = с/, то d = -сd/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.

Основной задачей в оптике теплового излучения 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.

Равновесный характер теплового излучения. Закон Кирхгофа.

Р. Кирхгоф установил важный закон в теории теплового излучения, отталкиваясь от такой его особенности, отличающей тепловое излучение от других видов излучения (например, от различных видов люминесценции), как способность находиться в равновесии со своим источником. В изолированной (замкнутой) системе, например в идеально отражающей полости, окружающей излучающее тело, его излучение со временем становится макроскопически определенным. Это значит, что распределение энергии по спектру со временем не меняется, и количество излученной энергии в среднем должно быть равно количеству поглощенной энергии (для каждой частоты, направления распространения и поляризации). Поскольку излучение находится в равновесии (термодинамическом) с излучающем телом, можно говорить о температуре не только тела, но и самого излучения, считая их равными. Равновесный характер позволяет применить термодинамическое описание к тепловому излучению.

Исходя из термодинамических соображений, Р. Кирхгоф в 1859 г. показал, что в состоянии термодинамического равновесия отношение излучательной и поглощательной способностей тел должно быть одинаковым для всех тел, независимо от их природы и конкретных особенностей, являясь функцией только температуры и частоты (длины волны):

E,Т /,Т = (, Т), где (, Т) - универсальная (т. е. независящая от рода тела) функция длины волны и температуры, называемая функцией Кирхгофа и ,Т = dФ, погл/dФ, пад - поглощательная способность (коэффициент поглощения) тела, численно равная отношению поглощенного телом элементарного (в интервале длин волн от  до  + d) потока dФ погл к падающему на него элементарному потоку dФ пад излучения: dФ, погл = dEпогл/(dtd).

С

огласнозакону Кирхгофа, тело, которое больше поглощает, должно и излучать больше. Поглощательная способность реальных тел в состоянии равновесия всегда меньше единицы и в отличие от испускательной способности, она – безразмерна.

Особую роль в теории теплового излучения играет такая идеализированная модель тела, как абсолютно черное тело (а.ч.т.), которое полностью поглощает все падающее на него излучение любых длин волн: для него ,Т  1. Близкой к единице поглощательной способностью обладает сажа (  0,98), черный бархат (  0,995). Технической моделью а.ч.т. является малое отверстие в полости с поглощающими стенками. Луч, вошедший в это отверстие, многократно отражаясь от стенок и поглощаясь ими, практически уже не выйдет из него, то есть полностью поглотится.

В соответствии с законом Кирхгофа, для а.ч.т. E,Т = (, Т), т. е. излучательная способность абсолютно черного тела и есть универсальная функция Кирхгофа.

Соседние файлы в папке Лекции