Краткие сведения о КВАНТОВой ОПТИКе
Гипотеза М. Планка. Энергия элементарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные волны, должна быть кратна некоторому элементарному количеству энергии. Отсюда следует, что атомы испускают и поглощают электромагнитную энергию отдельными порциями - квантами.
Энергия кванта Е прямо пропорциональна частоте излучения 
:
. (3.1)
Коэффициент пропорциональности h называется постоянной Планка. Эмпирически было определено значение постоянной Планка:
h = 6,63·10-34 Дж·с.
Согласно Эйнштейну, свет не только излучается и поглощается, но также и распространяется в пространстве в виде отдельных квантов - фотонов.
Энергия фотона
(3.2)
где m - масса фотона. Из сопоставления с (3.1) следует, что 
. Фотон не обладает массой покоя.
Модуль импульса фотона:
, (3.3)
где 
- длина волны света.
Фотоэффек т - вырывание электронов из вещества под действием света. Явление фотоэффекта было открыто немецким физиком-теоретиком Г. Герцем и экспериментально исследовано русским физиком А.Г. Столетовым.
Опыты Столетова. Установка, с помощью которой Столетов производил экспериментальное исследование фотоэффекта, показана на рис. 3.1. Сплошная пластинка К (алюминиевая, медная, цинковая, серебряная, никелевая) и тонкая металлическая сетка А закреплялись на некотором расстоянии друг против друга и соединялись с полюсами источника тока. 
Пластинка освещалась со стороны сетки светом, свободно проникающим через неё. Когда сплошная пластинка присоединялась к отрицательному полюсу источника тока, т. е. когда она являлась катодом, появлялся ток. Естественно сделать вывод, что электрическая цепь в этом опыте замыкается отрицательно заряженными частицами, вырываемыми из освещённой пластинки под действием электрического поля.
|
|
На рис. 3.2 показан график зависимости силы фототока I от напряжения между катодом и анодом U. Здесь I н - сила тока насыщения, U з - задерживающее напряжение, при котором фототок уменьшается до нуля. Задерживающее напряжение находится из условия:
, (3.4)
где е - заряд электрона, m - масса электрона, v max - максимальная скорость фотоэлектрона.
Экспериментальные исследования позволили установить следующие законы фотоэффекта.
1.Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за секунду (фототок насыщения), прямо пропорционально интенсивности световой волны.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света.
3. Если частота света меньше некоторой определённой для данного вещества минимальной частоты 
, то фотоэффект не происходит (красная граница фотоэффекта).
наблюдаемой величиной является поток энергии, который прямо пропорционален квадрату амплитуды электрического поля волны. Физическую величину, равную квадрату амплитуды электрического поля волны, принято называть интенсивностью: I = A 2.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
. (3.5)
Энергия поглощённого фотона 
идёт на совершение электроном работы выхода из металла А и приобретение им максимальной кинетической энергии.
Фотоэффект возможен, если 
. Исходя из этого условия, находят красную границу фотоэффекта - минимальную частоту падающего света , при которой ещё происходит фотоэффект:
|
|
. (3.6)
Действия света
1. Тепловое действие - нагревание тела, в той или иной мере имеющее место всегда при поглощении света, - превращение лучистой энергии света во внутреннюю энергию тела.
2. Фотоэлектрическое действие, или фотоэффект - превращение лучистой энергии в энергию электрического тока.
3. Химическое действие - это так называемые фотохимические реакции при превращении лучистой энергии в химическую (выцветание красок, расщепление растениями углекислого газа под действием солнечного света и т. д.).
4. Люминесценция - («холодный свет») - превращение одного вида лучистой энергии в другой, а также других видов энергии в лучистую. Различают два вида люминесценции под действием света: свечение тел во время освещения, исчезающее по прекращении освещения, - флюоресценция; свечение, продолжающееся и после прекращения освещения, - фосфоресценция.
5. Механическое действие - давление света.
Световое давление. Из теории электромагнитных волн Максвелла следует, что свет оказывает давление. Силой светового давления является сила Лоренца, с которой магнитное поле электромагнитной волны действует на движущиеся электроны внутри атомов вещества. Впервые световое давление было измерено П.Н. Лебедевым в 1901 г. Было установлено, что давление света на зачернённую поверхность в два раза меньше, чем на отражающую. Опыты П.Н. Лебедева показали также, что сила давления света прямо пропорциональна энергии падающего луча и не зависит от цвета.
Индуцированное (вынужденное) излучение - излучение возбуждённых атомов под действием падающего на них света. Индуцированное излучение обладает частотой, фазой и направлением падающего излучения, поэтому оно используется для усиления электромагнитных волн в оптических квантовых генераторах (лазерах).
|
|
Принцип действия лазеров. В качестве рабочего вещества для лазеров подбирают такие вещества, атомы которых переходят из возбуждённого состояния в основное через некоторое промежуточное состояние – метастабильное. Под воздействием внешних фотонов определенной частоты атомы могут перейти из метастабильного состояния в основное, излучая фотоны той же частоты, что и у падающего фотона. Полученные фотоны в свою очередь вызывают новые вынужденные переходы. Этот процесс лавинообразно нарастает – возникает индуцированное излучение.