КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ СВЕТА

Электромагнитное излучение - процесс образования свободного электромагнитного поля при неравномерном движении и взаимодействии электрических зарядов. Создаваемое электромагнитное поле является суммой как сосредоточенного вблизи заряда и движущегося вместе с ним поля излучения, так и распространяющегося на бесконечное расстояние от него поля излучения (электромагнитных волн). Электромагнитное поле обладает импульсом и энергией. Распространяющееся поле электромагнитных волн сопровождается потоком энергии. Плотность потока энергии определяется вектором Пойнтинга. Процесс излучения квантовой системы (атома, ядра, молекулы) подчиняется квантовым законам. В квантовой теории излучения электромагнитное поле рассматривается как совокупность квантов электромагнитного поля - фотонов.

Излучение одного фотона квантовой системой сопровождается переходом ее из состояния с энергией W_m в состояние с энергией W_n (W_m > W_n), т. е.

Так как энергия квантовой системы дискретна, то такая система испускает излучение определенных частот - спектр излучения, состоящий из отдельных спектральных линий с конечной шириной. Время жизни возбужденного атома t ~10^-⁸ с. В современной физике используют излучения:

1. Тормозное, которое возникает при торможении и отклонении от начального направления движения заряженной частицы в результате ее рассеяния на атомах.

2. Магнитотормозное, возникающее при движении заряженной частицы в магнитном поле.

3. При энергиях частицы e >> mc² (ультрарелятивистское движение) наблюдается синхротронное излучение, обладающее широким спектром частот с максимумом в области частот ~

, где W - частота обращения частицы по окружности в ускорителе.

4. Синхротронное излучение обладает малой угловой расходимостью (~

) и высокой степенью поляризации в плоскости орбиты.

Синхротронное излучение имеет квантовую природу.

Например, испускание жестких фотонов носит дискретный характер (1 фотон на 30 см траектории). При этом, наблюдается эффект квантовых флуктуаций радиуса орбиты электрона, т. е. траектория частицы вследствие дискретного характера синхротронного излучения испытывает квантовое уширение, и возникает своеобразное квантовое явление: электрон в магнитном поле совершает движение по макроскопической траектории (движение в ускорителе или накопительных кольцах) и при этом не только излучает видимый свет, но и движется электрон в радиальном направлении. Его положение на орбите подчиняется квантовым законам.

Обнаружена радиационная поляризация электронов и позитронов в накопительных кольцах (ориентация спина электрона и позитрона в противоположных направлениях). Эффект радиационной поляризации открывает новые возможности физического эксперимента по наблюдению явлений, связанных с внутренней степенью свободы частиц - их спином.При малых скоростях движения заряженной частицы излучение - циклотронное.

4. Ондуляторное излучение наблюдают при движении ультрарелятивистских заряженных частиц с малым поперечным периодом отклонения, возникает, например, при их пролете через конденсатор с переменным во времени электрическим полем, перпендикулярным к направлению средней скорости частиц.

5. Излучение Вавилова-Черенкова возникает при равномерном движении заряженной частицы в среде со скоростью больше фазовой.

6. Переходное излучение возникает при пересечении равномерно движущимся зарядом пространства с неоднородными диэлектрическими свойствами. Переходное излучение и излучение Вавилова - Черенкова - родственные явления. Излучение Вавилова - Черенкова есть результат когерентного высвечивания возбужденных частицей атомов, а переходное - некогерентное. Существуют и другие излучения: вынужденное, дифракционное и др.

Движущийся заряд излучает, когда скорость его движения превышает скорость света в веществе, т. е. при условии v > c/n или с/(nv) < 1.

Следовательно, для возникновения излучения абсолютные значения скорости заряда и скорости света в веществе не играют, в отдельности, ни какой роли. Важно только отношение этих скоростей.

Отношение скоростей меняется как при изменении скорости движения заряда, так и при изменении скорости света в веществе.

Известно, что при торможении (ускорении) движущегося заряда возникает тормозное излучение.

Если же скорость движения заряда постоянна, а скорость распространения света в веществе изменять заставляя заряд переходить из одной среды в другую с разными абсолютными показателями преломления.

Например при движении заряда в атмосфере Земли, то это будет равносильно мгновенному изменению скорости заряда, и, следовательно, такое сложное движение заряда должно сопровождаться излучением типа тормозного.

Это излучение было предсказано теоре-тически физиками В.Л. Гинзбургом и И.М. Франком в 1946 г., а затем открыто экспериментально и получило название - переходного излучения.

Пусть заряд движется с до световой скоростью в среде из двух протяженных диэлектриков, разделенных плоской границей (рис. 1.3). В этом случае излучение Вавилова - Черенкова в обеих средах отсутствует. Когда заряд неподвижен, то его эквипотенциальные поверхности (поверхности равного потенциала) представляют собой концентрические сферы, центр которых совпадает с зарядом, т. е.

Абсолютный показатель преломления не ферромагнитных, прозрачных диэлектриков связан с диэлектрической проницаемостью среды простым выражением:

. При движении заряда его эквипотенциальные поверхности оказываются деформированными (рис. 1.3), сжимаясь в направлении движения так, что отношение размеров поверхности вдоль и поперек скорости

Этот эффект есть прямое следствие сокращения размера движущегося тела в направление его скорости. При пересечении частицей границы раздела меняется показатель преломления, происходит перестройка поля заряда, что и вызывает переходное излучение. Расчеты и эксперимент показывают, что заряд начинает излучать при подходе к границе раздела, и продолжает излучать после ее пересечения. Это расстояние получило название зоны образования переходного излучения. Статическое поле заряда представляют в виде суммы волновых полей набора различных частот. Из - за ограничения этого поля в пространстве волны оказываются стоячими, которые в среднем не переносят электромагнитной энергии, но убывают по амплитуде. Поле частоты равномерно движущегося заряда с до световой скоростью v имеет продольный по скорости размер: s = v/n₀, где n₀ – собственная частота излучения движущегося заряда.

Следовательно, перестройка поля заряда, которое перемещается в пространстве вместе с зарядом, начнется в тот момент, когда граница пространства, где происходят электромагнитные колебания поля с частотой n₀, достигнет границы раздела двух диэлектриков. В результате под углом j к скорости заряда мы увидим доплеровскую частоту излучения n, которую можно найти по формуле: n₀ = n(1 –

cosj).

Спектр переходного излучения сплошной от радиочастот до гамма - лучей.

Интенсивность переходного излучения пропорциональна квадрату заряда частицы. При скоростях заряда, много меньших скорости света в вакууме, в спектре переходного излучения, главным образом представлены радио - и оптические частоты.

При движении заряда со скоростью близкой к скорости света резко возрастает интенсивность излучения в диапазоне жесткого рентгеновского излучения и гамма - лучей – она пропорциональна энергии частицы. Все излучение становится сильно направленным по скорости частицы и сосредотачивается в узком конусе вдоль ее траектории.

Примером переходного излучения является свечение в катодных трубках (люминесценция и тормозное излучения также дают некоторый вклад в это свечение).

Для переходного излучения, так же как и для излучения Вавилова - Черенкова, масса частицы не играет роли, необходимо учитывать только заряд и скорость частицы.

Переходное излучение применяют для определения оптических свойств металлов, для регистрации сверхбыстрых заряженных частиц.

Возмущение поля движущегося заряда приводит к возникновению излучения. Существуют различные способы вызвать возмущение поля движущегося заряда. Один из них разобран в разделе переходного излучения.

Возмущение поля движущегося заряда можно вызвать, если на пути движущейся частицы поместить препятствие.

Пролетая около препятствия, заряженная частица перестраивает свое электрическое поле, в результате чего возникает излучение. Понять это явление проще, если представить поле частицы в виде системы волновых полей. При своем движении частица переносит с собой стоячие, убывающие по амплитуде, волны. При определенном расстоянии от препятствия волновое поле налетает на него, например, на проводящий экран. При падении электромагнитной волны на экран возникает дифракция поля. Поэтому каждое частичное поле заряда испытывает на экране эту дифракцию, порождая независимо распространяющуюся от частицы вторичную волну. Такое излучение получило название дифракционного излучения.

Если заряженная частица движется над дифракционной решеткой, то частота спектра излучения источника

где m = 1, 2, 3, …, - порядок дифракционного спектра; d – период решетки.

Неподвижный наблюдатель через щели дифракционной решетки (рис. 1.4) увидит периодически появляющийся источник.Если наблюдатель не знает о существовании дифракционной решетки, то он скажет, что видит движущийся источник, который периодически вспыхивает с определенной частотой. Спектр излучения этого источника является доплеровским. Частота вспышек n₀ = v/d. Наблюдатель видит не только основную частоту излучения, но и кратные ей частоты, что объясняется не синусоидальностью колебаний движущегося источника.

Этот эффект впервые объяснил И.М. Франк в 1942 г. Э. Парселл и С. Смит в 1953 г. впервые выполнили эксперименты по дифракционному излучению на решетке. Сфокусированный пучок электронов двигался очень близко к плоскости дифракционной решетки, период которой d =1,67 мкм. При этом наблюдалось излучение в видимой части спектра под углом j = 20⁰ –30⁰. Основная частота в спектре соответствовала l ~10^-⁷ м. Кроме основной частоты, наблюдались обертоны до пятого порядка. Дифракционное излучение можно использовать для передачи информации, например, телевизионного сигнала, когда одновременно со звуком передается изображение, состоящее из множества элементов.

Был сконструирован генератор малой мощности «Варотрон», позволяющий получать излучение в диапазоне волн 10^-⁶– 0,5×10 ^-⁶ м, т. е. от инфракрасной области спектра до границ видимого спектра. Генератор дифракционного излучения «Оратрон» (рис.1.5) имел мощность 11,5 Вт для длины волны 5,45–3,4 мм.

С помощью сферического зеркала дифракционное излучение превращается в стоячую волну, энергия которой концентрируется внутри прибора. Отвод электромагнитной энергии волны осуществляется с помощью волновода, открытый конец которого проходит через отражающее зеркало.

Отношение спектральной плотности энергетической светимости тел к их поглощательной способности при постоянной температуре является одинаковой функцией длин волн (частот) и абсолютной температуры и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела при той же температуре

Для всех реальных тел а_n_,Т < 1 Например, сажа имеет а_n_,Т= 0,98 для видимых и ультрафиолетовых лучей; для инфракрасных волн а_n_,Т= 0,96.

Из закона Кирхгофа–Бунзена следует, что каждое тело поглощает лучи той же частоты или длины волны, которые оно излучает при данной температуре.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры, т. е.

где s = 5,67×10^-⁸ Вт/(м²×К⁴) – постоянная Стефана–Больцмана.

Излучение с точно фиксированной длиной волны (или частоты) не несет с собой лучистой энергии.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела на графике измеряется площадью, заключенной между кривой распределения спектральной плотности энергетической светимости и осью длин волн (рис. 1.9).

Если температура окружающей среды Т₀¹ 0 К, то формула (1.16) принимает вид

Зависимость

от длин волн при различных температурах приведена на рис. 1.9.

Длина световой волны l_мах, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, о братно пропорциональна абсолютной температуре

Максимум излучения по мере повышения температуры смещается в область более коротких длин волн.

При температуре Т = 5000 К максимум излучения абсолютно черного тела приходится на длины волн l» 5,47×10^-⁷ м.

Максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры

, (1.19)

Спектральная плотность энергетической светимости нагретых реальных тел меньше спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела. На рис. 1.10 приведены кривые излучения платины при Т=1335 К и абсолютно черного тела.Для каждого реального тела существует определенная, только ему свойственная область селективного (избирательного) излучения и поглощения.

В основу оптической пирометрии положены законы излучения абсолютно черного тела. Оптические пирометры позволяют измерять температуры нагретых тел выше 2000 К и без непосредственного контакта с ними (например, для измерения температуры поверхности Солнца, звезд и других нагретых космических объектов). Существует несколько методов измерения температуры. Например,метод радиационной температуры. Используя этот метод температуру тел можно найти на основании закона Стефана–Больцмана:

. (1.20)

Истинную температуру реального нагретого тела определяют по формуле

, (1.21)

где k < 1, например, для вольфрама k = 0,15, т. е. Т_ист= 1,6Т_рад.

Чем выше температура тела, тем больше радиационная температура приближается к истинной. Другой метод яркостной температуры. В этом методе температуру абсолютно черного тела определяют по формуле Планка (1.4) или формуле (1.6) при измерении яркости в интервале длин волн (l, l + Dl). Температуру определяют, сравнивая яркость реального тела с яркостью эталонного тела для волны излучения l = 6,65×10^-⁷ м (красный цвет).

Опыты Резерфорда по рассеянию a - частиц при прохождении их через тонкую металлическую фольгу показали, что большинство a - частиц отклоняется незначительно от своего первоначального направления.

Однако имелись a - частицы, которые отклонялись на углы 130⁰ - 150⁰.

В связи с этим Резерфорд предположил, что весь положительный заряд атома сосредоточен в малом объеме - его ядре. Поэтому вероятность попадания a-частиц в ядро и их отклонение на большие углы мала.

Альфа-частицы образуются при естественной радиоактивности некоторых тяжелых элементов (урана, тория и др.) и представляют собой частицы с зарядом +2½е½ (½е½=1,6×10^-¹⁹ Кл), массой m_a= 6,64×10 ^-²⁷ кг. По современным представлениям a - частица – ядро изотопа атома гелия

, содержит два протона и два нейтрона.

Ядро атома можно записать в виде символа

, где Х - химический элемент в периодической системе Менделеева; Z - число электронов в атоме или число протонов в ядре или порядковый номер элемента; А - массовое число, которое определяется числом протонов и числом нейтронов в ядре атома. Например, изотоп ядра атома железа

, где Z = 26, число электронов - 26, число протонов - 26, число нейтронов - 25.

Идея Резерфорда о строении атома позволила установить физический смысл порядкового номера периодической системы элементов.

Поскольку атом в нормальном состоянии нейтрален, то число электронов (заряд отрицательный) в атоме равно числу протонов (положительный заряд) в ядре.

Опыты по рассеянию света на электронах атомов показали, что наблюдаются резонансные явления.

Рассеяние наблюдается интенсивно, когда частота падающего света совпадает с собственной частотой колебания электронов.

Следовательно, изучая интенсивность рассеянного света в широком диапазоне частот, можно найти полное число электронов в атоме.

Другим методом по определению числа электронов является измерение коэффициента рассеяния рентгеновского излучения данным атомом. Эксперименты показали, что число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Зная заряд ядра Z½е½ можно установить верхний предел размеров ядра d_я»10 ^-¹⁵ м. Размер атома (d_ат»10^-¹⁰ - 10^-¹¹ м). Опыты показали, что атом является устойчивой системой.

Он излучает энергию при определенных условиях. При излучении атома наблюдается линейчатый спектр, обусловленный строением и свойствами его электронной оболочки.

Для объяснения устойчивости атомов, их линейчатых спектров и других свойств атомов Бор предложил использовать постулаты:

1). Существует стационарные состояния атома, находясь в котором он не излучает энергии.

2). В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь квантованное значение момента импульса, т.е.

где m - масса электрона; v - его скорость; r - радиус орбиты; h - постоянная Планка.

Как показала квантовая теория, n = 1, 2, 3,..., - главное квантовое число, характеризует энергетические уровни атомов.

3). При переходе электрона в атоме с высшего возбужденного энергетического уровня W_m на низший W_n испускается квант энергии

При поглощении кванта энергии e = hn_mn атомом электрон переходит с энергетического уровня W_n на энергетический уровень W_m.

Уровень n = 1 - основной, невозбужденный уровень; уровни n = 2, 3, 4,..., - возбужденные уровни.

где m - масса электрона; e₀ - электрическая постоянная. При n ® ¥, W_n ® 0.

Абсолютное значение W_n в формуле (2.4) называют энергией связи электрона в атоме, находящегося в состоянии n.

Поэтому уровень

соответствует энергии ионизации атома водорода, т. е. отрыву электрона. Энергию ионизации атома связывают с потенциалом ионизации j, т. е. W_ион= |е|j|. (2.5)

Частоту n излученного (поглощенного) кванта находят по формуле (2.1).

Для атома водорода при n = 1 потенциал ионизации j = 13,53 В,

Радиусы боровских орбит электрона в водородоподобных атомах можно вычислить по формуле

где e₀ – электрическая постоянная; h – постоянная Планка; n – главное квантовое число; Z – порядковый номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева; m - масса электрона; е – элементарный заряд.

Первый боровский радиус электрона, который характеризует в среднем размер атома водорода r₁ @5,29×10^-¹¹ м. Размер атома определяется его электронной оболочкой. Скорость обращения электрона по боровской орбите вычисляют по формуле

Для атома водорода скорость электрона на 1- й боровской орбите v₁ = 2,2×10⁶ м/с (n = 1).

Гипотеза Бора о существовании стационарных состояний атомов (1-й постулат) и правило частот (3-й постулат) были подтверждены опытами Франка и Герца (рис. 2.2). Катод К, испускающий за счет термоэлектронной эмиссии электроны, сетчатый электрод S и анод А соединены с гальванометром, помещены в стеклянный сосуд, наполненный парами ртути при давлении Р = 0,1¸1 мм рт. ст. Между катодом и сеткой создавалась разность потенциалов, ускоряющая электроны, а между сеткой и анодом - слабое электрическое поле, замедляющее электроны. При столкновении электрона с атомами ртути возможно взаимодействие двух типов:

1) упругое взаимодействие, в результате которого энергия электронов не изменяется, изменяется только направление движения.

При достижении электронами анода в цепи появляется электрический ток, который возрастает по мере увеличения ускоряющей разности потенциалов;

2) неупругое взаимодействие электронов с атомами ртути.

При этом энергия электронов уменьшается за счет передачи ее атомам ртути.

В соответствии с постулатами Бора атом ртути может поглотить энергию в виде порции e = hn и перейти в возбужденное состояние, занимая вышерасположенный энергетический уровень.

Первому возбужденному состоянию атома ртути соответствует энергия 4,86 эВ. При энергии менее |е|j = 4,86 эВ электроны испытывают упругое взаимодействие с атомами ртути и анодный ток возрастает. При достижении электронами энергии W_k = 4,86 эВ происходят неупругие взаимодействия их с атомами ртути, которые получают порцию энергии e = hn = 4,86 эВ и переходят из нормального состояния в возбужденное.

Такой электрон, потерявший энергию, не может преодолеть задерживающий потенциал. Поэтому при |е|j = 4,86 эВ происходит уменьшение тока (рис. 2.3). Аналогичное явление наблюдается при |е|j = 2× 4,86 эВ; |е|j = 3× 4,86 эВ; |е|j = 4× 4,86 эВ и т. д., когда электроны могут испытывать два,

три и т. д. неупругих столкновений с атомами ртути, теряют энергию и не могут достичь анода.

При этом наблюдается скачкообразное изменение тока (рис. 2.3). Атомы паров ртути, получив порцию энергии от электронов, переходят в возбужденное состояние и занимают энергетический уровень с большей энергией.

После истечения времени t»10^-⁸ с атомы самопроизвольно переходят в исходное состояние, испуская квант света с длиной волны l» 254 нм (ультрафиолетовое излучение), которое было зафиксировано во время опыта.

Таким образом, теория Бора пыталась связать классические представления о наблюдаемых на опытах явлениях с положениями, противоречащими классической физике и сыграла заметную роль в становлении квантовой механики.

В 1922 г. Штерн и Герлах поставили опыт, в котором пучок атомов серебра источника И пропускался через диафрагму D, а затем в виде узкого пучка направлялся между полюсами магнита N и S сильно неоднородного магнитного поля (вдоль оси Z) и регистрировался на экране Э (рис. 2.4).

Опыт показал, что атомный пучок серебра на экране Э расщепился на две компоненты 1 и 1^*, вместо одной (0), как это следовало по классической теории.

2. Магнитотормозное, возникающее при движении заряженной частицы в магнитном поле.

, где W - частота обращения частицы по окружности в ускорителе.

4. Синхротронное излучение обладает малой угловой расходимостью (~

) и высокой степенью поляризации в плоскости орбиты.

Синхротронное излучение имеет квантовую природу.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: