- •1. Квантовые оптические явления
- •1.1. Фотоны. Энергия, масса и импульс фотонов
- •1.2. Тепловое излучение Понятие о равновесном тепловом излучении
- •Характеристики теплового излучения
- •Законы теплового излучения Закон Кирхгофа
- •Закон Стефана-Больцмана
- •Законы Вина
- •Закон смещения Вина.
- •Формула Рэлея-Джинса
- •Формула Планка
- •1.3. Фотоэффект
- •Основные законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна
- •Внутренний фотоэффект
- •Вентильный фотоэффект
- •1.4. Давление света
- •1.5. Эффект Комптона
- •2. Тормозное рентгеновское излучение
- •Опыт Ботэ
- •2. Физика атома
- •2.1. Спектры. Закономерности в атомных спектрах
- •Модели атома Томсона и Резерфорда
- •Постулаты Бора
- •Применение теории Бора к атому водорода
- •Опыты Франка и Герца
- •Достоинства и недостатки теории Бора
- •2.2. Люминесценция
- •Применение люминесценции
- •3. Физика атомного ядра и элементарных частиц
- •3.1. Состав и характеристики атомного ядра
- •3.2. Дефект массы и энергия связи ядра
- •3.3. Ядерные силы
- •3.4. Радиоактивность
- •3.5. Правила радиоактивного смещения
- •3.6. Закон радиоактивного распада. Активность
- •3.7. Методы регистрации радиоактивного излучения
- •3.8. Ядерные реакции
- •3.9. Термоядерные реакции
- •4. Элементы квантовой механики
- •4.1.Гипотеза Луи де Бройля
- •4.2. Уравнение Шредингера
- •4.3. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками»
- •4.4. Спин электрона. Принцип Паули
- •Рекомендуемая литература
- •Оглавление
- •Квантовая оптика. Атомная и ядерная физика
С.И. Егорова, И.Н. Егоров, Г.Ф. Лемешко
КВАНТОВАЯ ОПТИКА.
АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Ростов-на-Дону 2011
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
С.И. Егорова, И.Н. Егоров, Г.Ф. Лемешко
КВАНТОВАЯ ОПТИКА.
АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Учебное пособие
Ростов-на-Дону 2011
УДК 530.1
Е 28
Рецензент кандидат химических наук, доцент Д.Г. Барсегов
(ЮФУ, г.Ростов-на-Дону)
Егорова С.И.
Е 28 Квантовая оптика. Атомная и ядерная физика: учеб. пособие / С.И. Егорова, И.Н. Егоров, Г.Ф. Лемешко. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011. – 58 с.
Учебное пособие составлено в соответствии с программой по общему курсу физики. Главная цель пособия – познакомить студентов с разделами квантовой оптики, атомной и ядерной физики.
Предназначено для студентов инженерных специальностей всех форм обучения. Может быть использовано студентами при подготовке к практическим занятиям по решению задач, коллоквиуму, зачету, экзамену, а также при выполнении лабораторного практикума.
УДК 530.1
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
Научный редактор доктор технических наук, профессор В.С. Кунаков
© С.И. Егорова, И.Н. Егоров,
Г.Ф. Лемешко, 2011
© Издательский центр ДГТУ, 2011
1. Квантовые оптические явления
1.1. Фотоны. Энергия, масса и импульс фотонов
Немецкий физик М. Планк в 1900 году предположил, что излучение и поглощение света происходят не непрерывно, как следует из волновой теории, а порциями (квантами, фотонами). Энергия кванта света прямо пропорциональна частоте электромагнитной волны:
, (1)
где Джс – постоянная Планка, определяемая опытным путем,
Джс;
– частота света;
– циклическая частота.
Следовательно, энергия электромагнитной (световой) волны должна быть кратна энергии кванта:
.
Кванты света (фотоны) должны обладать массой и импульсом. Из теории относительности следует, что энергия
, (2)
где – масса частицы; м/с – скорость света в вакууме.
Из (1) и (2) получаем выражение для массы фотона:
.
Масса покоя фотона равна нулю.
Импульс материальной точки равен произведению массы на скорость, а поскольку скорость фотона равна скорости света, получаем выражение для импульса фотона:
.
1.2. Тепловое излучение Понятие о равновесном тепловом излучении
Тепловым излучением называется свечение тел за счет энергии теплового движения атомов и молекул, которое свойственно всем телам при температуре выше 0 .
При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких – преимущественно длинные (инфракрасные).
Тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн, которые имеют большой диапазон частот (длин волн). Поэтому говорят об излучении тел в том или ином интервале частот (длин волн). В частности, тела комнатной температуры излучают электромагнитные волны в инфракрасной области спектра.
В реальных условиях любое тело принимает температуру окружающей среды, или, как говорят, приходит в термодинамическое равновесие с окружающей средой. В то же время любое тело излучает электромагнитную энергию за счёт энергии теплового движения. Следовательно, температура тела должна все время понижаться. Но в действительности мы этого не наблюдаем. Следовательно, тело получает энергию из окружающей среды, в частности электромагнитную энергию, излучаемую другими телами.
Таким образом, любое тело, находясь в состоянии термодинамического равновесия, все время обменивается энергией с окружающей средой.
Характеристики теплового излучения
Пусть на тело падает поток электромагнитной энергии . Часть энергии поглотится телом , часть энергии отразится телом , часть энергии пройдет сквозь тело . По закону сохранения энергии
.
Разделив это уравнение на , получим:
,
где коэффициент отражения – ;
коэффициент поглощения – ;
коэффициент прозрачности – .
Для большинства реальных тел, которые мы будем рассматривать (металлы), прозрачность практически равна нулю. Поэтому можно записать:
.
Взаимодействие электромагнитных волн с веществом зависит от частоты (длины волны) колебаний. Следовательно, коэффициенты и также зависят от длины волны (частоты). Кроме того, способность тела отражать и поглощать электромагнитную энергию зависит от температуры тела. Чтобы отразить эту зависимость, коэффициенты поглощения и отражения можно записать в виде:
.
Именно зависимостью и от и объясняется различная окраска тел.
Если тело абсолютно не поглощает электромагнитную энергию, то оно называется абсолютно белым телом:
.
Если тело поглощает абсолютно всю падающую на него электромагнитную энергию, то оно называется абсолютно черным телом:
.
В природе не существует абсолютно белых и абсолютно чёрных тел. Для реальных тел , и они называются серыми.
Энергетическая светимость тела – это количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела ( м2) в единицу времени ( с) во всем диапазоне длин волн, т.е. от до . Энергетическая светимость является функцией температуры.
Спектральная плотность энергетической светимости (испускательная способность) , которая характеризует излучательную способность тела, – это энергия, излучаемая с единицы поверхности тела в единицу времени вблизи данной длины волны в единичном интервале длин волн.
Поскольку излучаемая энергия зависит от длины волны и температуры, значит, и спектральная плотность энергетической светимости также является функцией и :
.
По определению,
.
Излучение можно характеризовать вместо длины волны частотой (). Проведя математические преобразования, получаем . Обозначим
. (3)
Тогда
.
На рис.1 представлена экспериментальная зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны. Очевидно, что при и , так как тепловое движение отсутствует.