Элементы квантовой оптики: основные принципы и применение

Чтения по квантовой оптике
Contents
  1. Слайд 15Формула Рэлея – Джинса Джон Рэлей и Джеймс Джинс в 1900
  2. – 1909 г.г. (независимо), исходя из теоремы классической статистической физики
  3. Основы квантовой оптики
  4. Слайд 18 Гипотеза Планка о квантах нарушила незыблемое правило классической физики о
  5. том, что любая физическая величина, в том числе и энергия
  6. Основы квантовой оптики
  7. Теоретическая зависимость Вина:
  8. Момент импульса электрона в атоме и магнитный момент атома
  9. Слайд 5Интегральные и спектральные характеристики теплового излученияПрирода теплового излучения и его
  10. свойства Через некоторое время (оно зависит от свойств
  11. Слайд 3Интегральные и спектральные характеристики теплового излученияПрирода теплового излучения и его
  12. свойства Любой процесс электромагнитного (э/м) излучения связан с
  13. Слайд 7Испускательная способность Тепловое излучение слагается из волн различных
  14. частот ω или длин, в основном в оптическом диапазоне: λ

Слайд 15Формула Рэлея – Джинса Джон Рэлей и Джеймс Джинс в 1900

– 1909 г.г. (независимо), исходя из теоремы классической статистической физики

о равнораспределении энергии по степеням свободы и предписывая каждому колебанию, связанному с электромаг-нитной волной излучения, среднюю энергию = k.T, получили выражение для универсальной функции Кирхгофа (или испускательной способности АЧТ): (9) где k = 1,38.10–23 Дж/К – постоянная Больцмана. Интегрирование этой функции по λ в пределах дает бесконечное значение. Этот результат, получивший в свое время название «ультрафиолетовой катастрофы», находится в противоречии с опытом. Равновесие между излучением и излучающим телом устанавливается при конечных значениях плотности лучистой энергии.

Основы квантовой оптики

  • Модель атома Резерфорда
  • Модель атома Бора. Постулаты Бора
  • Водородоподобные системы
  • Опыт Штерна и Герлаха
  • Рентгеновское излучение (1895г.)
  • Тепловое излучение и его равновесный характер. Абсолютно черное тело
  • Закон Кирхгофа
  • Закон Стефана-Больцмана и закон Вина
  • Формула Планка
  • Законы теплового излучения
  • Фотоэффект и его виды
  • Эффект Комптона
  • Корпускулярные свойства излучения. Фотоны. Энергия, импульс, масса фотона
  • Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц вещества
  • Соотношение неопределенности Гейзенберга
  • Волновая функция (– функция)
  • Уравнение Шредингера
  • Движение свободной частицы
  • Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме»
  • Момент импульса электрона в атоме и магнитный момент атома

Квантовой оптикой

  • тепловое излучение,
  • фотоэффект,
  • эффект Комптона,
  • фотохимические процессы

Квантовая оптика

Слайд 18 Гипотеза Планка о квантах нарушила незыблемое правило классической физики о

том, что любая физическая величина, в том числе и энергия

(излучения), изменяется непрерывным образом, т.е. за бесконечно малый промежуток времени ее изменение всегда бесконечно мало. Именно гипотеза Планка положила начало квантовой теории (квантовой физике) – современной физической теории, в которой идея квантования (т.е. дискретности) распространяется на различные физические величины, характеризующие состояние системы. Если излучение испускается квантами (порциями) , то полная энергия Eп излучения должна быть кратной этой величине, т.е. в общем случае: (11) где n = 0, 1, 2, 3,…

Квантовая гипотеза и формула Планка

Основы квантовой оптики

В отличие от классической оптики, квантовая оптика представляет более общую теорию. Главная проблема, которую она затрагивает, – описать взаимодействие света с веществом, учитывая при этом квантовую природу объектов. Также квантовая оптика занимается описанием процесса распространения света в особых (специфических условиях).

Более точное решение таких задач требует описания как вещества (включая и среду распространения), так и света исключительно с позиции существования квантов. В то же время, зачастую ученые при описании упрощают задачу, когда один из компонентов системы (например, вещество) описывают в формате классического объекта.

Получи помощь с рефератом от ИИ-шки

ИИ ответит за 2 минуты

Часто при расчетах, например, квантуется только состояние активной среды, а резонатор при этом считается классическим. Однако, в случае, если его длина окажется на порядок выше длины волны, считаться классическим он уже не может. Поведение возбужденного атома, который поместили в такой резонатор, будет более сложным.

Задачи квантовой оптики направлены на исследование корпускулярных свойств света (то есть его фотонов и частиц-корпускул). Согласно предложенной в 1901 г. гипотезе М. Планка о свойствах света, поглощается и излучается он только отдельными порциями (фотонами, квантами). Квант представляет материальную частицу с некоторой массой $m_ф$, энергией $E$ и импульсом $p_ф$. Тогда записывается формула:

$E=hv$

Где $h$ представляет постоянную Планка.

$v=\frac{c}{\lambda}$

Где $\lambda$- это частота света

$с$ будет скоростью света в вакууме.

К главным оптическим явлениям, объясняемым за счет квантовой теории, относятся давление света и фотоэффект.

Теоретическая зависимость Вина:

Закон Стефана-Больцмана и закон ВинаФормула ПланкаЗакон Рэлея-Джинса для АЧТ: Законы теплового излученияФотоэффект и его видыВнешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием света.Величина фототока Схема СтолетоваТок насыщениякрасной границей фотоэффектаФотоэффект и его видыЗаконы внешнего фотоэффекта:1. 2. 3. Е=f()Фотоэффект и его видыВнутренний фотоэффект – называют фотоэффект, связанный с высвобождением под действием света электронов из кристаллической решетки01 U1U2 U3Фотоэффект и его видыВентильный фотоэффект – возникновение под действием света ЭДС в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла, или двух разных полупроводников Эффект КомптонаЭффект Комптона является результатом столкновения рентгеновского фотона со свободным или почти свободным электрономФотон передает ей часть своей энергии и часть своего импульсаКорпускулярные свойства излучения. Фотоны. Энергия, импульс, масса фотонаНе только вещество обладает энергией и массой, но и полеОсновные корпускулярные характеристики фотона:Корпускулярные свойства излучения. Фотоны. Энергия, импульс, масса фотонаПоток монохроматического света частоты , переносящий через единичную площадку в единицу времени энергию Е, содержит N – фотонов:N= E/hплощадка полностью поглощает все излучение

Момент импульса электрона в атоме и магнитный момент атома

орбитальное квантовое числоℓmax Пространственное квантованиевектор момента импульса электрона может иметь лишь такие ориентации в пространстве, при которых проекция Llz вектора Ll на направление Z внешнего магнитного поля принимает квантованные значения, кратные.Опыт Резерфорда:Модель атома РезерфордаМодель атома Резерфорда

  • атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома (dя ≈ 10-12 – 10-13 см)
  • в ядре сконцентрирована почти вся масса атома
  • отрицательный заряд всех электронов распределён по всему объему атома

Модель атома Бора. Постулаты Бора ( R =R1·c=3,29 ·1015 с-1)

  • Постулат стационарных состояний: в атоме водорода существуют некоторые стационарные состояния, не изменяющиеся во времени без внешних воздействий
  • Правило квантования орбит: в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию:3)

Правило частот:при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии:Ln = mυr = nh, n = 1,2,3 h=En- EmВодородоподобные системыСветящиеся газы дают линейчатые спектры испускания. Формула длины волны линии спектра:Формула Бальмера сыграла выдающуюся роль в развитии учения о строении атомаR=R1·сλгран=364,5981нм=Т(n2)-Т(n1)Т(n2), Т(n1)спектральные термыВодородоподобные системыКомбинационный принцип Ритцачастоты спектральных линий излучения любого атома могут быть представлены в виде разности двух термовСоставляя различные комбинации термов, можно найти все возможные частоты спектральных линий этого атомаn = 4,5,6,… n = 5,6,7,…n = 6,7,8,…n = 7,8,9,…n = 2,3,4,…n = m+1,m+2,…Опыт Штерна и ГерлахаИдея опыта заключалась в измерении силы, действующей на атом в сильно неоднородном магнитном полеРезультаты измерений показывали, что величина магнитного момента у электрона была равна магнетону Бора

Слайд 5Интегральные и спектральные характеристики теплового излученияПрирода теплового излучения и его

свойства Через некоторое время (оно зависит от свойств

излучателей и их исходного неравновесного состояния) неизбежно установится термодинамическое равновесие в этой системе, соответствующее определенной температуре Трав. За любой промежуток времени испускаемая телами энергия становится равной поглощаемой энергии, и плотность энергии излучения в пространстве между телами достигает определенной величины, соответствующей Трав. Такое состояние излучения в полости остается неизменным во времени (в отсутствии внешних воздействий). Способность теплового излучения находиться в равновесии с излучающими телами обусловлена тем, что его интенсивность возрастает при увеличении температуры. Всякое нарушение равновесия в системе «тело – излучение» вызывает возникновение процессов, восстанавливающих равновесие (см. принцип Ле Шателье – Брауна)

Слайд 3Интегральные и спектральные характеристики теплового излученияПрирода теплового излучения и его

свойства Любой процесс электромагнитного (э/м) излучения связан с

потерей энергии (того или иного вида) у источника (излучателя). В зависимости от вида энергии, которую теряет излучатель различают:тепловое излучение, т.е. испускание э/м волн нагретыми телами за счет их внутренней энергии (причиной излучения является возбуждение атомов, молекул вещества вследствие их теплового движения);люминесценцию, т.е. излучение (свечение) тел за счет всех других видов энергии (кроме внутренней энергии) или, иначе говоря, это излучение света телами, избыточное над тепловым излучением этих тел.Замечание. В люминесценции различают:хемилюминесценцию – свечение веществ за счет энергии, выделяемой при химических превращениях;электролюминесценцию – свечение в газовых разрядах, у поверхностей твердых тел под действием электрического поля;катодолюминесценцию – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронными пучками;фотолюминесценцию – свечение тел за счет поглощенного света

Слайд 7Испускательная способность Тепловое излучение слагается из волн различных

частот ω или длин, в основном в оптическом диапазоне: λ

≈ 0,01…1000 мкм, и имеет сплошной спектр. Распределение энергии в спектре излучения описывается спектральной плотностью энергетической светимости или испускательной способностью тела: rω, T = dRω, T /dω, [Дж/м2.рад] (2) где dRω, T – мощность излучения, испускаемая в узком спектральном интервале dω единицей поверхности при заданной Т. Испускательная способность зависит от температуры Т и частоты ω (или длины волны λ), т.е. является функцией: rω,T = f(ω, T) (или функцией: rλ, T = f’(λ, T)). Если известна функция rω,T, то энергетическая светимость может быть определена как: Rэ = или Rэ = , где dω и dλ – принадлежат одному и тому же спектральному интервалу и, соответственно, равны элементарные мощности:dRω,T = dRλ, T или rω,T.dω = rλ,T.dλ

Интегральные и спектральные характеристики теплового излучения

Rate article