- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
1.Явления квантовой оптики
1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
Наиболее распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое (температурное) излучение (Т. И.). Отметим свойства теплового излучения:
Т. И. присуще всем телам при любой температуре T> 0Kи происходит за счет внутренней энергии вещества.
Т. И. имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры.
Т. И. - единственный вид излучения, которое может находиться в равновесии с веществом. При равновесии расход энергии тела на тепловое излучение компенсируется путем поглощения телом такого же количества энергии падающего излучения.
Рассмотрим количественные характеристики теплового излучения:
Энергетическая светимость- физическая величина, численно равная энергии электромагнитных волн всевозможных частот (0 < ν < ∞), излучаемой в единицу времени с единицы площади поверхности тела. Единицей измерения этой величины являетсяили. Индекс«Т» означает, что интегральная излучательная способность зависит от температуры.
Спектральная плотность энергетической светимости(спектральная излучательная способность) – физическая величина, характеризующая распределение энергии по спектру.
Для того, чтобы установить её физический смысл, рассмотрим узкий интервал частот излучения в пределах от ν до ν + dν. Ширина этого спектрального интервала равнаdν. Обозначиммощность, излучаемую единицей площади тела в данном спектральном интервале, и обозначимrν,Tотношение:
. ( 1.1)
Спектральная плотность энергетической светимости – физическая величина, численно равная потоку энергии, излучаемому с единицы поверхности тела в единичном интервале частот вблизи некоторого значения ν. Индексы «,Т» означают, что эта величина зависит от частоты и температуры. Единицей её измерения является.
Спектральную плотность энергетической светимости можно отнести к единичному интервалу длин волн. Тогда
, (1.2)
Здесь – длина волны. Единицей измерения этой величины является.
Установим связь между величинами rν,Tиrλ,T. Пусть интервалу частотdν соответствует интервал длин волнdλ. Тогда
,
. (1.3)
Энергетическая светимость и спектральная плотность энергетической светимости связаны соотношением:
, ( 1.4)
. (1.5)
1. Спектральная поглощательная способность aν,T(или просто поглощательная способность)
. (1.6)
Эта величина показывает, какая часть потока энергии электромагнитной волны с частотами от νдоν+dν, падающего на поверхность тела, поглощается телом.
Поглощательная способность – величина безразмерная, зависит от частоты излучения, температуры, природы тела и состояния его поверхности.
Абсолютно чёрным телом называется тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от температуры тела и от спектрального состава излучения.
Для абсолютно чёрного тела поглощательная способность ; для любого другого телаaν,T<1.
Идеальная модель абсолютно черного тела – замкнутая полость с небольшим отверстием. Свет, падающий в такую полость, испытывает многократные отражения от стенок и почти полностью поглощается стенками (рис.1.1.)
Для равновесного излучения в изолированной системе тел Кирхгоф (1859 г.) установил следующий закон:
. (1.7)
Закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости любого тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты и температуры.
Из закона Кирхгофа следует, что любое тело поглощает электромагнитные волны преимущественно в том спектральном интервале, в котором само их излучает.
Установим смысл функции Кирхгофа. Для абсолютно чёрного тела поглощательная способность , тогда. Следовательно,универсальная функция Кирхгофа есть не что иное как спектральная плотность энергетической светимости абсолютно чёрного тела.