Квантовая оптика

1. Квантовая оптика

1.
2.
3.
4.
5.
Тепловое излучение
Фотоэффект
Эффект Комптона
Фотоны
Корпускулярно-волновой дуализм света

2. Тепловое излучение

Все тела в той или иной степени излучают
электромагнитные волны. Тела, нагретые до
достаточно высоких температур, светятся, а при
обычных температурах являются источниками
инфракрасного (ИК) излучения.
Тепловое излучение – электромагнитное
излучение, испускаемое веществом и
возникающее за счёт его внутренней
энергии.

3. Тепловое излучение

Свойства:
•Тепловое излучение распространяется по всем
направлениям, неполяризовано и некогерентно
•Тепловое излучение имеет сплошной спектр
•Тепловое излучение приводит к
термодинамическому равновесию систему тел,
обменивающуюся излучением
• Тепловое излучение сильно зависит от
температуры источника излучения

4. Тепловое излучение

Спектр теплового излучения:
- 10
6´ 10
rω,T
- 10
4´ 10
- 10
2´ 10
0
0
14
5´ 10
ω, рад/с
15
1´ 10
1.5 ´ 10
15

5. Тепловое излучение

Характеристики теплового излучения:
1. Энергетическая светимость – энергия электромагнитных
волн, испускаемая единицей площади поверхности тела в
единицу времени во всём спектральном диапазоне частот.
dW
RT
dS dt
Âò
ì 2

6. Тепловое излучение

Характеристики теплового излучения:
2. Испускательная способность тела (спектральная
плотность излучения) – энергия излучения, испускаемая
единицей площади поверхности тела в единицу времени в
единичном интервале частот
d R ,T r ,T d
r ,T
d R ,T
d

7. Тепловое излучение

Характеристики теплового излучения:
2 c
2
d 2 d
d
2 c
2 c
d R ,T r ,T d
d R ,T r ,T d
d R ,T d R ,T
r ,T r ,T
RT r d
0
d
2
r ,T
d
2 c

8. Тепловое излучение

Характеристики теплового излучения:
3. Поглощательная способность тела – отношение поглощенного
телом потока электромагнитных волн к падающему потоку
a ,T
d ,T
d ,T
0 a ,T 1

9. Тепловое излучение

Абсолютно черное тело
Абсолютно черное тело – это тело, которое полностью поглощает
падающее на него излучение во всем спектральном диапазоне и
при любой температуре
a ,T 1

10. Тепловое излучение

Закон Кирхгофа
r ,T
a ,T
r ,T
1 a ,T
*
... r ,T f ( , T )
2

11. Тепловое излучение

Законы теплового излучения:
Закон Стефана - Больцмана
R r d T
*
T
*
,T
4
0
5, 6686 10
RT AT R
*
T
8
Âò
ì 2 Ê4
0,1 AT 0,9

12. Тепловое излучение

Законы теплового излучения:
Закон смещения Вина
10
4´ 10
- 6
2.43×.10
rλ,T
10
3´ 10
T m b
10
2´ 10
3
b 2,9 10 ì Ê
10
1´ 10
0
0
- 6
5´ 10
- 5
1´ 10
λ, м
- 5
1.5´ 10
- 5
2´ 10

13. Тепловое излучение

Теоретическое описание теплового излучения
Формула Рэлея – Джинса
Ультрафиолетовая катастрофа
- 10
2´ 10
- 10
1.5´ 10
1´ 10
rω,T
kT
2 2
2 2
4 ñ
4 ñ
2
- 10
*
,T
r
- 11
5´ 10
0
0
14
5´ 10
ω, рад/с
15
1´ 10
15
1.5´ 10
2

14. Тепловое излучение

Теоретическое описание теплового излучения
Гипотеза квантов
Формула Планка
h
e
1,055 10 34 Äæ ñ
h 2 6,62618 10
34
Äæ ñ
*
,T
r
*
,T
r
4 2 c 2
5
kT
1
2
4 2 ñ2
1
e
2 c
kT
1
e
kT
1
3
4 2 ñ2
1
e
kT
1

15. Тепловое излучение

Теоретическое описание теплового излучения
Формула Планка
k T
ekT 1
r
kT
1
1
kT
kT
2 2
4 ñ
2
*
, T
k T
e
r *,T
kT
e
1
e
2 2
4 ñ
3
kT
kT

16. Тепловое излучение

Теоретическое описание теплового излучения
Вывод законов Стефана – Больцмана и
Смещения Вина из формулы Планка
kT
*
*
RT r ,T d
2
4
c
0
4
x 3d x
2 k 4 4
4
T
T
0 e x 1 60 c2 3
2 c
0, T m
b
d
4,965 k
*
,T
dr

17. Фотоэффект

m v 2max
eU ç
2

18. Фотоэффект

Законы внешнего фотоэффекта
•Фототок насыщения прямо пропорционален падающему на
катод световому потоку (число выбитых из катода электронов
пропорционально интенсивности света)
•Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит
от частоты падающего света и не зависит от его
интенсивности
•Существует красная граница фотоэффекта – частота
излучения, при которой фотоэффект либо начинается, либо
прекращается
2 c
êð
êð

19. Фотоэффект

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
2
max
mv
ô h Aâû õ
2
ñ
ch
h êð Aâû õ , êð
êð Aâû õ

20. Эффект Комптона

2
(1 cos )
mc
o
2
c
0,0243 A
mc

21. Фотоны

hc
ô h
h h
mô c ô , mô 2
,
c
c
2
k
, pô k
2
h h 2
pô mô c
c

22. Корпускулярно-волновой дуализм света

Г. Брэгг: «Свет ведет себя подобно волнам по
понедельникам, средам и пятницам, подобно частицам
по вторникам, четвергам и субботам и ни с чем не
сравним по воскресеньям»