5.5 Квантовая оптика

Альберт Эйнштейн

(1879 – 1955)

1905

Следствия из уравнения Эйнштейна

1.Безинерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно

2.Каждый квант поглощается только одним электроном, поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально числу поглощенных фотонов, т.е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта)

3.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от интенсивности

m v2	h A
e max
2	вых

4.Уравнение Эйнштейна показывает, что существует минимальная частота света

кр необходимая для возникновения фотоэффекта, при которой кинетическая энергия фотоэлектронов равна нулю

	m v2			кр	Aвых		кр		hc
	e max	0				;
					h				Aвых
	2

Эффект Комптона

	рассеиватель (парафин, бор)
рентгеновская
трубка
	диафрагмы	спектрограф

 Эффектом Комптона называется упругое рассеяние

коротковолнового электромагнитного излучения

(рентгеновского и излучения) на свободных или слабо связанных электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

•В составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн 0 0

Артур Холли Комптон

(1892-1962)

« … игра на биллиарде фотонами и электронами »

Эффект Комптона

h m0 v pф

			h
	pф

Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения - рассеивается на угол

	Закон сохранения энергии	hc		m c2			hc	E ;	E m c2		E
				0				e	e	0	кин
	Закон сохранения импульса pф pe pф

C (1 cos ) 2 C sin		2	формула Комптона
	2

c h m0c 2,426 пм – комптоновская длина волны электрона

Импульс фотона. Давление света

Фотоны распространяются со скоростью света, не имеют массы покоя.

Импульс фотона как и энергия зависит от частоты

	p	h	(7)	p	h	(8)
		c

Давление света подтверждает наличие импульса у электромагнитных волн

Пусть на поверхность с коэффициентом отражения в единицу времени на единицу площади падает N фотонов, тогда вызываемое ими давление

отражённые поглощённые

h

h

h

p 2

N

1

N

p

1 N (9)

c

c

c

удвоенный

импульс

Энергетическая освещенность поверхности -

Ee

1

энергия всех фотонов, падающих в единицу

Ee Nh

p

(10)

c

времени на единицу поверхности

Объемная плотность энергии излучения -

Ee

p w 1

(11)

количество энергии в единице объема

w c

Фотоны

•Порция светового излучения — квант света — обладает корпускулярными свойствами и может рассматриваться как элементарная частица, называемая фотоном.

•Фотоны являются носителями свойств электромагнитного поля.

•Чем выше частота излучения, тем сильнее проявляются корпускулярные (квантовые) свойства света.

•Фотоны возникают (излучаются) при переходах атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных энергетических состояний в состояния с меньшей энергией. Фотоны излучаются также при ускорении и торможении заряженных частиц, при распадах некоторых частиц и уничтожении (при аннигиляции) пары электрон — позитрон.

•Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны целиком передают свою энергию частицам вещества.

•Процесс поглощения света рассматривается в квантовой физике как дискретный и во времени, и в пространстве.