Подтвердили квантовую природу излучения

Волновая оптика. Физика атома. Ядерная физика, элементарные частицы.

Волновая оптика это раздел оптики, изучающий явления, в которых проявляются волновые свойства света: интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света и другие, связанные с ними явления. Классическая волновая оптика рассматривает свет как поток электромагнитных волн и основывается на теории электромагнитных волн, разработанной Максвеллом в семидесятых годах девятнадцатого столетия. C ветовые волны по всем своим признакам идентичны с электромагнитными волнами и видимый свет занимает интервал длин волн от 400 нм до 760 нм или частот от 4·10 14 до 7,6·10 14 с -1 в шкале электромагнитных волн . Другим наиболее весомым доводом для установления электромагнитной природы световых волн послужило установление равенства скорости распространения световых и электромагнитных волн в пустоте, которая выражается через магнитную и электростатическую постоянные

Световая волна, как и любая другая электромагнитная волна, состоит из двух взаимосвязанных полей – электрического и магнитного, – векторы напряженности которых и колеблются в одинаковых фазах и во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.1 ).

Они выражаются уравнениями

Опыт показывает, что электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне не равноценны. Физиологическое, биологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются, в основном, электрическим полем световой волны. В соответствии с этим вектор электрического поля световой волны принято называть световым вектором. Это значит, что при рассмотрении различных явлений в световой волне учитываются колебания только вектора .

Фазовая скорость световых волн в веществе связана со скоростью распространения в вакууме соотношением

Откуда следует, что показатель преломления среды выражается через магнитную и диэлектрическую проницаемости . Для всех прозрачных веществ , поэтому . Эта формула связывает оптические и электрические свойства вещества.

Монохроматичность и когерентность световых волн . Понятие монохроматической волны подразумевает неограниченную в пространстве волну, характеризуемую единственной и строго постоянной частотой. Близкую к такому определению монохроматичности световую волну могут давать лазеры, работающие в непрерывном режиме. Однако другие реальные источники света не могут излучать такую волну. Излучение таких источников имеет прерывистый характер. Прерывание волн уже приводит к их немонохроматичности. Поэтому понятие монохроматичности световых волн имеет ограниченный смысл. С понятием монохроматичности тесно связано также понятие когерентности волн, означающее согласованность колебаний светового вектора во времени и пространстве в двух или нескольких световых волнах. Когерентными волнами являются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени и в пространстве разность фаз.

Причина отсутствия монохроматичности и когерентности света обычных источников света заключается в самом механизме испускания света атомами или молекулами источника. Продолжительность возбужденного состояния атомов, т.е. продолжительность процесса излучения света, равна τ ≈10 -8 с. За этот промежуток времени возбужденный атом, излучив световую волну, вернется в нормальное состояние и, спустя некоторое время, возбудившись вновь, может излучать световую волну с новой начальной фазой, т.е. фазы этих волн изменяются при каждом новом акте излучения. Поскольку возбуждение атомов является случайным явлением, то и разность фаз двух последовательных волн, испущенных атомом, будет случайным, они не будут когерентными. Сказанное можно отнести и к излучению двух разных атомов вещества, так как их можно рассматривать как два независимых источника света. Отсюда следует, что волны, испускаемые атомами вещества, будут когерентными только в течение интервала времени ≈10 -8 с. Совокупность волн, испущенных атомами за такой промежуток времени называется цугом волн. Значит, когерентны только волны, принадлежащие одному цугу волн. Средняя продолжительность одного цуга волн называется временем когерентности . За время когерентности волна проходит путь , эта величина является длиной когерентности (длиной цуга волн).

Источник

5.6. Квантовая природа излучения

Тепловое излучение равновесно. Если нагретые (излучающие) тела по- местить в полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой, то через некоторое время (в результате непрерывного обмена энергией между телами и излучением, заполняющим полость) наступит равновесие, т. е. каждое тело в единицу времени будет поглощать столько же энер- гии, сколько и излучать.

Основные характеристики теплового излучения

______________________________________________________________________

Спектральная плотность энергетической светимости

Энергия, излучаемая с единицы площади поверхности

тела в единицу времени в интервале частот единичной

ширины.

Спектральная поглощательная способность

Показывает, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела па­дающими на нее электромагнитными волнами с частотами отV до V + dV, поглощается телом.

Связь между R _{V, T} и R _{λ , T}

_______________________________________________________________________________

(знак минус указывает, что λ уменьшается с возрастанием v).

Энергетическая светимость тела

_______________________________________________________________________________

С уммирование производится по всем частотам (длинам волн).

5.96 Модель черного тела______________________________________________________

Идеальная модель черного тела — замкнутая по­лость с небольшим отверстиемО, внутренняя по­верхность которой зачернена. Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные от­ражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю. Черное тело — идеализированная модель. Таких тел в природе нет, но, например, сажа, платиновая чернь, чер­ный бархат в определенном интервале частот по своим свойствам близки к черным телам.

5.97 Закон Кирхгофа____________________________________________

Формулировка закона Кирхгофа

Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры.

— универсальная функция Кирхгофа (спектральная плотность энергетиче­ской светимости черного тела)]

Объяснение свечения накаленных тел по закону Кирхгофа

Темные места разрисованного фарфора (рисунока) при накаливании излучают сильнее (рисунок б). Согласно закону Кирхгофа, тело, сильнее поглоща­ющее, сильнее и излучает, если сравнение происхо­дит при одинаковой температуре (отдельные части фарфора нагреты до одинаковой температуры).

5.98 Энергетическая светимость тел__________________________________

Энергетическая светимость тела_________________________________________________

Использовали закон Кирхгофа 5.97.

Энергетическая светимость серого тела__________________________________________

Учли, что для серого тела 5.95.

Энергетическая светимость черного тела_________________________________________

R e зависит только от температуры.

Экспериментальные кривые зависимости г_{у т} от частоты V и г_{х т} от длины волны X

Экспериментальные кривые подтверждают выводы зако­на смещения Вина: проис­ходит смещение максимума по мере возрастания температуры в область ко­ротких длин волн (или сме­щение максимума в об­ласть больших частот).

[ = kT — средняя энергия осциллятора с собственной частотой ν, h — посто­янная Планка; Т — термодинамическая температура; с — скорость распростра­нения света в вакууме]

Кванты электромагнитного излучения. Фотоны движутся со скоростью света, они не существуют в состоянии покоя, их масса покоя равна нулю.

Основные характеристики фотонов______________________________________________

энергия Эти формулы связывают корпускулярные характеристики фотона—энергию, импульс — с волновой характеристикой излучения — частотой (длиной волны). Таким образом, свет представляет собой единство противоположных видов движения — корпускулярного (квантового и волнового (электромагнитного),т.е. необходимо говорить о двойственной корпускулярно-волновой природе света (о корпускулярно-волновом дуализме).

импульс пускулярного и волнового,

[h = 6,63 • 10 -34 Дж • с — постоянная Планка; с = 3 • 10 8 м/с — скорость распро­странения света в вакууме; ν — частота излучения; λ — длина волны излучения в вакууме]

Источник

Таким образом экспериментально было доказано существование частиц света — фотонов

При волновом рассмотрении света интенсивность света по всем направлениям от источника света должна быть одинаковой. Излучение наблюдается везде, куда могут проникать лучи света.

Масса и импульс фотона. Диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств света.

Порядок записи и выхода в эфир

Предварительно происходит запись в радиорубке, затем происходит «склеивание выпуска», монтаж звука и запись на диск. Запись утверждается руководителем редакции и председателем профкома. Далее диск проигрывается через оборудование БАЗа (Большой актовый зал)

С квантовой точки зрения одинаковое появление света по всем направлениям представляет собой случайное явление. Поскольку все направления вылета квантов равновероятны, то при большом их числе в любом телесном угле по любому направлению будет вылетать примерно одинаковое количество квантов. Для этого случая выводы волновой квантовой теории одинаковы. Волновая теория света не дает качественных изменений в представлениях при переходе от сильных источников света к слабым. При квантовом рассмотрении света для слабых источников при малом числе вылетающих квантов должна наблюдаться не одновременность вылета квантов по разным направлениям. Следовательно, должна наблюдаться флуктуация их числа в зависимости от пространственного распределения.

На некотором расстоянии от источника слабого рентгеновского излучения помещались пластинка F, в которой возбуждались рентгеновские лучи малой интенсивности и два счетчика Гейгера, способные регистрировать попадающее на них рентгеновское излучение. Если излучение исходит из F в виде электромагнитной волны, то счетчики должны регистрировать излучение одновременно. Если же излучение регистрируется не одновременно, т.е., то одним, то другим счетчиком, то такой характер показаний счетчиков говорит в пользу квантового характера излучения.

Опыты Боте показали, что одновременное показание обоих счетчиков не имеет места, т.е. подтвердили квантовую природу излучения (хаотический характер излучения, а не одновременный во все стороны)

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Источник