10. Квантовая оптика

При изучении теплового излучения прежде всего необходимо усвоить принципиальную разницу между тепловым излучением и другими видами из­лучений. Тепловое излучение имеет равновесный характер и осуществля­ется за счет уменьшения, внутренней энергии тел. Необходимо разобрать­ся в понятиях, характеризующих тепловое излучение, в экспериментальных законах теплового излучения (законах Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина) и невозможности их классического обоснования. Принципиально важно усвоить, что законы теплового излучения могут быть поняты и объяснены только на основе квантовых представлений. Студент должен знать гипоте­зу Планка о квантовании энергии излучения осциллятора. На основе этой идеи Планком были получены формула распределения энергии в спектре из­лучения абсолютно черного тела, формула Планка, с помощью которой мож­но теоретически получить все известные законы теплового излучения.

Принципиально важно понять, что изучение вопроса о распределе­нии энергии в спектре абсолютно черного тела привело, в конечном счете, к переходу от классической физики к квантовой. Развитие гипотезы Планка привело к созданию квантовой теории света, в рамках которой получи­ли объяснение такие явления, как фотоэлектрический эффект, эффект Комптона, давление света.

При изучении внешнего фотоэффекта необходимо понять сущность явления, знать и уметь формулировать законы Столетова, объяснять эти законы на основании формулы Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, знать практическое применение данного явления.

Рассматривая эффект Комптона, следует чётко представлять сущ­ность явления и обратить внимание на то обстоятельство, что законы сох­ранения энергии и импульса имеют универсальный характер и оказываются справедливыми в каждом отдельном акте взаимодействия фотона с веще­ством.

Изучая давление света, студент должен понять, что это явление может быть объяснено как на основе волновой, так и на основе кванто­вой теории света.

Принципиально важно, чтобы в процессе изучения волновой и кван­товой оптики у студента сформировалось представление о корпускулярно-волновом дуализме света, как проявление взаимосвязи двух основных форм материи - вещества и поля. Понимание корпускулярно-волнового ду­ализма света должно подготовить студента к восприятию корпускулярно-волнового дуализма вещества.

11. Элементы квантовой механики и атомной физики

Изучение этого раздела начинается с рассмотрения волн де Бройля. Опыты по дифракции электронов следует рассматривать как экс­периментальное доказательство их волновой природы, а в более широком смысле как доказательство корпускулярно–волнового дуализма материи. В связи с этим фундаментальным свойством материи следует рассматри­вать соотношение неопределенностей Гейзенберга, физический смысл которых следует трактовать как квантовое ограничение применимости поня­тий классической механики к объектам микромира. Необходимо ясно осознать, что необходимость описания состояния микрообъекта с помощью вол­новой функции отражает волновые свойства микрообъекта. При этом принципиально важно уяснить физический смысл квадрата волновой фун­кции микрообъекта.

Студент должен знать уравнение Шрёдингера для стационарных сос­тояний и примеры его использования для решения задач: частица в одно­мерной прямоугольной "потенциальной яме" (бесконечной глубины), ту­ннельный эффект, квантовый гармонический осциллятор, атом водорода. При рассмотрении указанных задач следует обратить внимание на кванто­вание важнейших физических параметров, характеризующих микрообъект - энергию, момент импульса, ориентацию момента импульса в пространстве, а также на вероятностный характер закономерностей, которым подчиня­ются объекты и процессы в микромире. При рассмотрении задачи об ато­ме водорода студент знакомится с тремя квантовыми числами - главным, орбитальным и магнитным, при анализе опытов Штерна и Герлаха вводится четвертое - спиновое квантовое число.

Следует обратить особое внимание на последнее квантовое число, характеризующее одно из важнейших, фундаментальных (подобно массе покоя, электрическому заряду) свойств микрообъектов.

Следует усвоить деление элементарных частиц и построенных из них систем (атомов, молекул) на два принципиально различных класса - фермионы и бозоны. Необходимо понять принцип неразличимости тождественных частиц, усвоить принцип Паули для системы фермионов, на основе кото­рого (с учетом принципа минимума энергии) следует рассмотреть рас­пределение электронов в атоме по состояниям, т. е. физические основы периодической системы элементов.

Дальнейшее развитие квантовых представлений у студентов должно происходить в процессе рассмотрения энергетических уровней молекул, а также спектров атомов и молекул. Здесь необходимо усвоить новые квантовые числа - вращательное квантовое число, колебательное кванто­вое число. Следует понять сущность и механизм комбинационного рассеяния света и явления электронного парамагнитного резонанса, отме­тить вклад советских ученых в открытие и объяснение этих явлений. Особое внимание необходимо уделить таким вопросам, как поглощение и излучение света и, в частности, двум принципиально различным механиз­мам излучения - спонтанному и вынужденному. С последним механизмом из­лучения, предсказанным Эйнштейном, связаны физические основы работы лазера. Необходимо понять принцип работы лазера и знать основные его части, а также специфические особенности лазерного излучения и его применение. Следует отметить вклад советских ученых в теорию и прак­тику создания лазеров.