Квантовая оптика (лекция 10)

1.

Квантовая оптика
Парфентьева Наталия Андреевна

2.

Явления
1. Тепловое излучение
2. Фотоэффект
3. Эффект Комптона

3.

Тепловое излучение
Тепловое излучение –излучение, испускаемое нагретыми
телами за счет их внутренней энергии.
Виды излучения:
1) хемилюминисценция- энергия, выделяемая при
химических превращениях (свечение фосфора при
медленном окислении);
2) свечение в газах и
твердых телах под
воздействием
электрического поля –
электролюминисценция;

4.

3) свечение за счет бомбардировки электронами –
катодолюминисценция;
Свечение алмаза, облучаемого потоком электронов.
4) свечение, возбуждаемое электромагнитным
излучением- фотолюминисценция.

5.

Тепловое излучение – единственный вид
равновесного излучения.
Свойства теплового излучения
1)Спектр теплового излучения непрерывный и зависит
от температуры.
2) При высоких температурах ( 1000 К) происходит
излучение в области коротких волн (видимое и
ультрафиолетовое излучение), при низких
температурах – длинные (инфракрасное излучение).
Распределение энергии между
излучением и телом постоянно
для каждой длины волны.

6.

Закон Кирхгофа
Характеристики теплового излучения
1. Энергетическая светимость тела, R – поток энергии,
испускаемый единицей поверхности по всем направлениям в
единицу времени.
2. Спектральная плотность энергетической светимости
(спектральная испускательная способность), r ,T- энергия,
излучаемая единицей поверхности за единицу времени в
интервале длин волн d или в интервале частот d .
dR rλ,T dλ
R rλ,T dλ
0
rω,T dω rλ,T dλ
rω,T rλ,T
2πс
ω2
dR rω,T dω
R r ,T dω
0

7.

3. Поглощающательная способность тела, a ,T
aλ,T
d
d
отношение потока лучистой
энергиипоглощенной элементарной площадкой
к падающему на нее потоку в интервале dλ вблизи данной .
Для частоты - aω,T
d
d ω
4 Отражательная способность тела
d
bλ,T
d
отношение потока лучистой
энергииотраженнойэлементарной площадкой
к падающему на нее потоку в интервале dλ вблизи данной .
Для частоты - aω,T
d
d ω

8.

Испускательная способность r ,T,
поглощательная способность тела, a ,T,
Отражательная способность тела, b ,T
зависят от длины и температуры или от частоты.
Закон Кирхгофа
rω,T rω,T rω,T
.
...
aω,T 1 aω,T 2 aω,T 3
Отношение испускательной и поглощательной способностей
тел не зависит от их природы, является функцией температуры и
частоты (длины волны).
rω,T
rλ,T
= f ω, T ,
f ,T
aω,T
aλ,T

9.

Абсолютно черное тело
rλ,T f , T
a ,T = a ,T = 1
Модель абсолютно черного тела
Закон Стефана- Больцмана
0
0
R rλ,T dλ r ,T dω T 4
5,7 10 8 Вт / м 2 K 4

10.

Закон смещения Вина
Tλ max b
b 2,9 10 3 м К
Формула Рэлея - Джинса
Ультрафиолетовая катастрофа

11.

Пример расчета
При какой температуре длина волны, на которую приходится
максимум спектральной светимости равна 1 нм?
Согласно закону Вина:
Tλ max b
b 2,9 10 3 м К
2,9 10 3 м К
6
T
2,9
10
К
9
λ max
10
b
При этой температуре
энергетическая светимость равна
R = T 4 5,67 10 8 2,9 1024 Вт 4 1018 Вт
4

12.

ПЛАНК Макс (1858 г. –1947 г.)
В 1918 г – Нобелевская премия.
Гипотеза Планка (1900 г.) утверждает,
что энергия не непрерывна, а существует
только в виде порций – квантов с энергией
h , где h – постоянная Планка
E hν
h
c
h
2π
λ
h = (6,62172 0,000036) 10-34 Дж с,
в расчетах h = 6,626 10-34 Дж с.
.

13.

Формула Планка
2πhc 2
1
f (λ, T )
5
λ
exp hc / kλT 1
Законы Стефана – Больцмана и закон Вина
могут быть получены из формулы Планка

14.

Альберт Эйнштейн развил теорию
Планка, предположив, что свет
испускается квантами (фотонами).
Свет – это поток частиц, фотонов
Свойства фотонов
Альберт Эйнштейн(1879-1955)
1) Фотон движется со скоростью света.
2) Масса покоя фотона равна нулю.
3) Энергия фотона
E hν mc 2
hν h
c λ
5) Фотон не может быть поглощен свободной частицей.
4) Импульс фотона
p

15.

Пример расчета
Вычислим энергию фотона голубого света ( = 450 нм).
с/
E h
hc
(6,63 10 34 Дж с)(3 108 м / с)
E
7
4,5 10 м
4,4 10 19 Дж.
1эВ 1,6 10 19 Дж
4,4 10 19 Дж / 1,6 10 19 Дж / эВ 2,7 эВ.

16.

Фотоэффект
Фотоэлектрическим эффектом называется испускание
электронов с поверхности металла под действием света
(внешний фотоэффект или электронная эмиссия).

17.

Iн – ток насыщения.
Минимальная разность потенциалов, при которой электроны не
достигают анода, называется задерживающим напряжением Uз.
mv 2
qeU з
2
Внутренний фотоэффект - перераспределение электронов по
энергетическим уровням в диэлектриках и полупроводниках под действием
света.
Благодаря этому в полупроводнике происходит
1.изменение концентрации носителей в зоне проводимости (т.е.
изменению проводимости);
2.возникновение ЭДС

18.

Законы Столетова для фотоэффекта
1. Сила фототока насыщения тем
больше, чем больше падающий
на катод световой поток
(интенсивность света).
2. Максимальная начальная скорость
фотоэлектронов определяется
частотой света и не зависит
от его интенсивности.
Красной границей фотоэффекта,
называется максимальная длина
волны, при которой фотоэффект
еще наблюдается, т.е. < кр.
Столетов Александр Григорьевич
(29 июля 1839, Владимир — 16 мая 1896
Москва)

19.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
2
mvmax
h Авых
2
h Авых qU З
кр
Aвых
кр
h
с
ch
кр
кр Aвых

20.

Применение фотоэффекта
Простейший фотоэлемент состоит из стеклянной колбы, часть внутренней
поверхности которой покрыта слоем металла (катод). Фотоэлементы используются
в автоматах в метро, для предотвращения аварий и т.д.,
т.е. с помощью фотоэлемента можно создать видящие устройства.
Под действием света изменяется
проводимость полупроводников.
Это так называемый внутренний
фотоэффект.
Это явление используется
в фотосопротивлениях, т.е. приборах,
сопротивление которых зависит
от интенсивности падающего света.
Такие сопротивления используются,
например, для измерения освещенности.

21.

Солнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей
(фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, преобразующих
солнечную энергию в постоянный электрический ток.
17 марта 1958 года, в США был запущен спутник с использованием
солнечных батарей — «Авангард-1». 15 мая 1958 года в СССР также был
запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3»

22.

Эффект Комптона
Длина волны рассеянного излучения больше длины
волны падающего пучка света.
электрона относител
собственной оси
Изучение рентгеновское излучение,
предположение о вращении
электрона относительно
собственной оси (спин),
исследование космических лучей и т.д.
А́ртур Хо́лли Ко́мптон (1892-1962),
лауреат Нобелевской премии по физике 1927 года.
Законы сохранения импульса и энергии
- основа расчетов

23.

Рассеяние света
Частицы, размеры которых меньше длины волны, слабее рассеивают
длинные волны, сильнее – короткие. С увеличением длины волны
рассеяние ослабевает пропорционально 1/λ4. Следовательно, красный
свет рассеивается слабее, чем голубой, поэтому днем небо выглядит
голубым. На закате солнечные лучи проходят самый толстый слой
атмосферы. Большая часть голубого излучения рассеивается.
Поэтому небо на закате выглядит желто-красным.

24.

Дисперсия светаразложение белого света в спектр, объясняемое
зависимостью абсолютного показателя преломления от
длины волны: n 1/

25.

Давление света –
давление, оказываемое электромагнитным излучением
при падении на поверхность.
В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках
классической электродинамики. Экспериментально световое
давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г.
Квантово-волновой дуализм взглядов на природу света.
Принцип дополнительности Н.Бора.