Квантовая физика I Введение Обоснование идей квантовой теории

Квантовая физика. I Введение. Обоснование идей квантовой теории. Доцент О. С. Кравцова

Квантовая оптика – раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света.

1. Тепловое излучение и его характеристики.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (испускательная способность) тела - мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины.

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью.

2. Абсолютно черное тело.

Тело, способное поглощать при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты называется абсолютно черным телом. Серое тело– тело, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела:

3. Закон Кирхгофа.

Закон Кирхгофа определяет соотношение между испускательной и поглощательной способностями тел. Отношение испускательной и поглощательной способностей тела не зависит от природы тела и является универсальной для всех тел функцией частоты и температуры

4. Закон Стефана – Больцмана.

Закон Стефана – Больцмана

5. Закон смещения Вина.

Положение максимума в спектре его излучения описывается экспериментальным законом смещения Вина: Длина волны , при которой излучательная способность черного тела максимальна, обратно пропорциональна его термодинамической температуре:

6. Формулы Рэлея – Джинса и Вина.

"ультрафиолетовая катастрофа": Закон излучения Вина

7. Квантовая гипотеза Планка.

Атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами. Энергия кванта:

Таким образом, формула Планка обобщает все законы теплового излучения и является полным решением основной задачи теории теплового излучения.

II Фотоны.

1. Модели атома Томсона и Резерфорда.

Эксперименты Резерфорда по рассеянию частиц на тонких металлических пленках

Резерфорд предложил планетарную модель атома. Второй закон Ньютона для электрона, движущегося по окружности под действием кулоновской силы:

2. Линейчатый спектр атома водорода.

Характерный линейчатый спектр каждого элемента представляет собой серии линий. Положение линий атома водорода в видимой области спектра описываются формулой Бальмера. постоянная Ридберга

Позднее в ультрафиолетовой области была обнаружена Серия Лаймана: а в инфракрасной области серия Пашена: серия Брэкета: серия Пфунда: серия Хэмфри:

Все эти серии могут быть описаны обобщенной формулой Бальмера где = 1, 2, 3, 4, 5, 6 определяет серию определяет отдельные линии этой серии. Значение определяет границу серии, к которой со стороны больших частот примыкает сплошной спектр.

3. Постулаты Бора.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния атома, находясь в которых он не излучает энергии. Правило квантования орбит Бора утверждает, что в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного состояния в другое испускается или поглощается один фотон с энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.

4. Опыты Франка и Герца.

В опытах Франка и Герца было экспериментально доказано существование в атомах стационарных состояний.

5. Спектр атома водорода по Бору.

радиус n-й стационарной орбиты электрона первый Боровский радиус полная энергия электрона

Целое число n , определяющее энергетические уровни атома, называется главным квантовым числом. Энергетический уровень с n=1 называется основным (нормальным) уровнем, а соответствующее ему состояние атома называется основным (нормальным) состоянием. Уровни с n>1 и соответствующие им состояния называются возбужденными. Придавая целочисленные значения, получаем для атома водорода энергетические уровни, представленные на рисунке.

6. Фотоэффект.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Схема для исследования внешнего фотоэффекта.

Зависимость фототока I образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между катодом и анодом называется вольт - амперной характеристикой фотоэффекта.

7. Законы Фотоэффекта.

I Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности катода). II Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой. III Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью распространения света в вакууме, называются фотонами. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

8. Масса и импульс фотона. Единство корпускулярных и волновых свойств света.

Эти соотношения связывают квантовые (корпускулярные) характеристики фотона — массу, импульс и энергию — с волновой характеристикой света — его частотой.

9 Давление света.

Энергетическая освещенность поверхности: Объемная плотность энергии излучения:

10. Эффект Комптона.

— длина волны рассеянного излучения — комптоновская длина волны

ЗАДАЧИ