48. Элементы квантовой оптики. Энергия, масса и импульс фотона. Вывод формулы давления света на основе квантовых представлений о природе света.

Таким образом, распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой про-

цесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных частиц, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Впоследствии (в 1926 г.) эти частицы получили название фотонов. Фотоны обладают всеми свойствами частицы (корпускулы).

Развитие гипотезы Планка привело к созданию представлений о квантовых свойствах света. Кванты света получили название фотонов. Согласно закону пропорциональности массы и энергии и гипотезе Планка, энергия фотона определяется по формулам

.

Приравнивая правые части этих уравнений, получим выражение для массы фотона

,

или с учетом, что ,

.

Импульс фотона определяется по формулам:

Масса покоя фотона равна нулю. Квант электромагнитного излучения существует только распространяясь со скоростью света, обладая при этом конечными значениями энергии и импульса. В монохроматическом свете с частотой ν все фотоны имеют одинаковую энергию, импульс и массу.

Давление света

Световое излучение может передавать свою энергию телу в виде механического давления.

Он доказал, что свет, полностью поглощенный зачерненной пластинкой, оказывает на нее силовое воздействие. Световое давление проявляется в том, что на освещаемую поверхность тела в направлении распространения света действует распределенная сила, пропорциональная плотности световой энергии и зависящая от оптических свойств поверхности.

В итоге применения к оптическим измерениям Лебедева законов механики получено чрезвычайно важное соотношение, показавшее, что энергия всегда эквивалентна массе. Впервые Эйнштейн указал, что уравнение mc2 = E универсально и должно быть справедливым для любых видов энергии.

Объяснить это явление можно с позиций как волновых, так и корпускулярных представлений о природе света. В первом случае это результат взаимодействия электрического тока, наведенного в теле электрическим полем световой волны, с ее магнитным полем по закону Ампера. Периодически меняющиеся в пространстве и во времени электрическое и магнитное поля световой волны при взаимодействии с поверхностью вещества оказывают силовое воздействие на электроны атомов вещества. Электрическое поле волны заставляет электроны совершать колебания. Сила Лоренца со стороны магнитного поля волны направлена вдоль направления распространения волны и представляет собой силу светового давления. Квантовая теория объясняет давление света тем, что фотоны обладают определенным импульсом и при взаимодействии с веществом они передают часть импульса частицам вещества, оказывая тем самым давление на его поверхность (можно провести аналогию с ударами молекул о стенку сосуда, при которых импульс, передаваемый стенке, определяет давление газа в сосуде).

При поглощении фотоны передают свой импульс телу, с которым взаимодействуют. Это и является причиной давления света.

Определим давление света на поверхность, используя квантовую теорию излучения.

Пусть перпендикулярно некоторой поверхности падает излучение с частотой ν (рис.5). Пусть это излучение, состоящие из N фотонов, падает на поверхность пло-

щади ∆S в течение времени ∆t. Поверхностью поглощается N1 фотонов, а отражает-

ся N2, т.е. N = N1 + N2.

	Продолжение 48
Каждый поглощенный фотон (неупругий удар) передает поверхности импульс				, а каждый от-
раженный фотон (упругий удар) передает ей импульс			. Тогда все падающие фотоны переда-
дут импульс, равный
При этом свет будет действовать на поверхность с силой
,
т.е. оказывать давление		.

Умножим и разделим правую часть этого равенства на N, получим

Окончательно

,

где – энергия всех N фотонов, падающих на единицу площади в единицу времени, размер-

ность ; – коэффициент отражения.

Для черной поверхности ρ = 0 и давление будет равно .

представляет собой объемную плотность энергии, размерность ее .

Тогда концентрация n фотонов в пучке, падающем на поверхность, будет

.

Подставляя в уравнение для давления света (2.2), получаем

Давление, производимое светом при падении на плоскую поверхность можно вычислить по формуле

где Ее- интенсивность облучения поверхности (или освещенность), с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, α, - доля падающей энергии, поглощаемая телом (коэффициент поглоще-

ния), ρ - доля падающей энергии, отражаемая телом (коэффициент отражения), θ - угол между направлением излучения и нормалью к облучаемой поверхности. Если тело не является прозрачным, то есть, все

падающее излучение отражается и поглощается, то α+ρ=1.

49 Элементы квантовой оптики. Эффект Комптона. Корпускулярно-волновой дуализм света (излучения).

3) Корпускулярноволновой дуализм электромагнитного излучения

Итак, изучение теплового излучения, фотоэффекта, эффекта Комптона показало, что электромагнитное излучение (в частности, свет), обладает всеми свойствами частицы (корпускулы). Однако большая группа оптических явлений - интерференция, дифракция, поляризация свидетельствует о волновых свойствах электромагнитного излучения, в частности, света.

Что же представляет собой свет - непрерывные электромагнитные волны, излучаемые источником или поток дискретных фотонов, беспорядочно для электромагнитной волны, не исключают свойств дискретности, характерных для фотонов.

Свет (электромагнитное излучение) одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. В этом заключается корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) электромагнитного излучения.

2)ЭффектКомптона Заключается в увеличении длины волны рентгеновского излучения при его рассеянии веществом. Изменение длины волны

= к(1-cos )=2 кsin2( /2), (9) '

где к=h/(mc) - комптоновская длина волны, m - масса покоя элек-

трона. к=2.43*10 -12 м=0.0243 A (1 A=10-10 м).

Все особенности эффекта Комптона удалось объяснить, рассматривая рассеяние как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами, при котором соблюдается закон сохранения энергии и закон сохранения импульса.

Согласно (9) изменение длины волны зависит только от угла рассеяния и не зависит ни от длины волны рентгеновского излучения, ни от вида вещества.

1)Элементы квантовой оптики. Фотоны, энергия, масса и импульс фотона

Чтобы объяснить распределение энергии в спектре теплового излучения Планк допустил, что электромагнитные волны испускаются порциями (квантами). Эйнштейн в 1905 г. пришел к выводу, что излучение не только испускается, но и распространяется и поглощается в виде квантов. Этот вывод позволил объяснить все экспериментальные факты (фотоэффект, эффект Комптона, и др.), которые не могла объяснить классическая электродинамика, исходившая из волновых представлений о свойствах излучения. Таким образом, распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных частиц, движущихся со скоростью сраспространения света в вакууме. Впоследствии (в 1926 г.) эти частицы получили название фотонов. Фотоны обладают всеми свойствами частицы (корпускулы).

1. Энергия фотона

			=hv=	,(1)
где h=6.6*10		-34	Дж*с - постоянная Планка, =h/2	-34
				=Дж1.055*10с также постоянная План-
ка,	- круговая=2 v частота.
В механике есть имеющая размерность "энергия				о-время"

тому постоянную Планка иногда называют квантом действия. Размерность , совпадает, например, с размерностью момента импульса (L=r mv).

Как следует из (1) энергия фотона увеличивается с ростом частоты (или с уменьшением длины волны),

и, например, фотон фиолетового света (		имеет=0.38большуюмкм) энергию, чем фотон красного све-
та (	=0.77 мкм).

2. Масса фотона определяется исходя из закона о взаимосвязи массы и энергии (Е=mc2)

(2)

3.Импульс фотона. Для любой релятивиской частицы энергия ее Поскольку у фотона m0=0, то импульс фотона

т.е. длина волны обратно пропорциональна импульсу

50. Ядерная модель атома по Резерфорду. Спектр атома водорода. Обобщенная формула Бальмера. Спектральные серии атома водорода. Понятие терма.

1)Резерфорд предложил ядерную модель атома. Согласно этой модели атом состоит из положительного ядра, имеющего заряд Zе (Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева, е - элементарный заряд), размер 10-5 -10-4 А (1А= 10-10 м) и массу практически равную массе атома. Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то вокруг ядра должно вращаться Z электронов, суммарный заряд которых - Zе. Размеры атома определяются размерами внешних орбит электронов и составляют порядка единиц А.

Масса электронов составляет очень малую долю массы ядра (для водорода 0,054%, для остальных элементов менее 0,03%). Понятие " размер электрона" не удается сформулировать непротиворечиво, хотя ro 10-3 А называют классическим радиусом электрона. Итак, ядро атома занимает ничтожную часть объема атома и в нем сосредоточена практически вся ( 99,95%) масса атома. Если бы ядра атомов располагались вплотную друг к другу, то земной шар имел бы радиус 200 м а не 6400 км (плотность вещества

атомных ядер 1,8	17	3
	кг10/м )

2) Линейчатый спектр атома водорода

Спектр излучения атомарного водорода состоит из отдельных спектральных линий, которые располагаются в определенном порядке. В 1885 г. Бальмер установил, что длины волн (или частоты) этих линий могут быть представлены формулой.

, (9)

где R =1,0974 7 м-1 - называется также постоянной Ридберга.

10

На рис. 1 изображена схема энергeтических уровней атома водорода, расчитанных согласно (6) при z=1.

При переходе электрона с более высоких энергетических уровней на уровень n = 1 возникает ультрофиолетовое излучение или излучение серии Лаймана (СЛ).

Когда электроны переходя на уровень n = 2 возникает видимое излучение или излучение серии Бальмера (СБ).

При переходе электронов с более высоких уровней на уровень n =

3 возникает инфракрасное излучение, или излучение серии Пашена (СП) и т.д.

Частоты или длины волн, возникающего при этом излучения, определяются по формулам (8) или (9) при m=1 - для серии Лаймана, при m=2 - для серии Бальмера и при m = 3 - для серии Пашена. Энергия фотонов определяется по формуле (7), которую с учетом (6) можно привести для водородоподобных атомов к виду :

эВ(10)

50 продолжение

3)

4) Спектральные серии водорода — набор спектральных серий, составляющих спектр атома водорода. Поскольку водород — наиболее простой атом, его спектральные серии наиболее изучены. Они хорошо подчиняются формуле Ридберга:

,

где R = 109 677 см−1 — постоянная Ридберга для водорода, n′ — основной уровень серии. Спектральные линии, возникающие при переходах на основной энергетический уровень,

называютсярезонансными, все остальные — субординатными.

Серия Лаймана

Открыта Т. Лайманом[en] в 1906 году. Все линии серии находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 1 и n = 2, 3, 4,

Серия Бальмера

Открыта И. Я. Бальмером в 1885 году. Первые четыре линии серии находятся в видимом диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 2 и n = 3, 4, 5

5) Спектра́льный терм или электро́нный терм атома, молекулы или иона — конфигу-

рация (состояние) электронной подсистемы, определяющая энергетический уровень. Иногда под словом терм понимают собственно энергию данного уровня. Переходы между термами определяют спектры испускания и поглощения электромагнитного излучения.

Термы атома принято обозначать заглавными буквами S, P, D, F и т. д., соответствующими значению квантового числа орбитального углового момента L=0, 1, 2, 3 и т. д. Квантовое число полного углового момента J дается индексом справа внизу. Малой цифрой вверху слева обозначается кратность (мультиплетность) терма. Например, ²P3/2 — дублет Р. Иногда (как правило, для одноэлектронных атомов и ионов) впереди символа терма указывают главное квантовое число (например, 2²S1/2).