Квантовая физика

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.

В этом разделе мы рассмотрим явления, связанные с взаимодействием света[1] с веществом: тепловое излучение, фотоэффект и эффект Комптона.

Закономерности этих явлений хорошо объясняются только на основе квантовых представлений, т.е. в предположении, что свет – это частицы (кванты, фотоны).

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

При переходе электрона в возбужденном атоме на более низкий энергетический уровень атом излучает квант энергии - электромагнитное излучение с определенной длиной волны. Если вещество представляет собой разреженный газ, в котором атомы практический не взаимодействуют друг с другом, то излучение состоит из определенного набора волн. Разлагая излучение разреженного газа в спектр, мы будем наблюдать отдельные линии (линейчатый спектр). Если газ образуют молекулы, которые вращаются, а атомы в них совершают колебания, то изменения в этих движениях (переходы) также сопровождаются излучением электромагнитных волн определенных частот. Так как при таких переходах энергия меняется значительно меньше, чем при электронных, линии в спектре будут располагаться более тесно, образуя полосы (полосатые спектры). Жидкости, в которых имеется сильное взаимодействие молекул между собой, также дают полосатые спектры излучения.

Излучение твердого тела дает сплошной спектр. Твердое тело можно представить себе как множество осцилляторов (излучателей), колеблющихся с самыми разнообразными частотами. Молекулы-осцилляторы находятся в непрерывном тепловом движении. Взаимодействуя друг с другом, они изменяют свои скорости, вследствие чего происходит излучение электромагнитных волн всевозможных частот. При температурах свыше 700^оС излучение становится видимым («красное каление»), при более высоких температурах наблюдается «белое каление

Излучение электромагнитных волн, происходящее за счет энергии теплового движения молекул, называют тепловым излучением. Если излучение находится в равновесии с излучающим телом, то излучение называют равновесным тепловым излучением. [2]

Рассмотрим физические величины, характеризующие тепловое излучение. При этом мы не будем касаться углового распределения излучения, т.к. оно представляет чисто технический интерес при конструировании источников света.

Интегральные характеристики:

W (Дж)	энергия, излучаемая по всем длинам волн во всех направлениях
Дж/с = Вт	поток излучаемой энергии или мощность излучения - по смыслу это энергия, излучаемая в единицу времени
	Дж/(с.м2) = =Вт/м2	энергетическая (интегральная) светимость – это энергия, излучаемая в единицу времени с единичной площади по всем длинам волн [3]

В спектре излучения твердого тела на разные длины волн приходится различная энергия, поэтому вводятся спектральные характеристики, учитывающие распределение излучаемой энергии по различным длинам волн:

Дж/(с.м2.м) =Вт/м3	излучательная способность (лучеиспускательная способность, спектральная плотность потока излучения) - это энергия, излучаемая в единицу времени единицей площади в единичном интервале длин волн (l - длина волны излучения)
Дж/(м2)	--²-- в единичном интервале частот (n - частота излучения)
	поглощательная способность (коэффициент поглощения) -это отношение поглощенного к падающему потоков, взятых в узком интервале длин волн вблизи данной длины волны [4]
	отражательная способность (коэффициент отражения) - это отношение отраженного к падающему потоков, взятых в узком интервале длин волн вблизи данной длины волны
	соотношение между коэффициентами отражения и поглощения, следует из закона сохранения энергии

Энергетическая светимость R зависит только от температуры тела R=R(Т), спектральные характеристики излучения - r, а и r зависят как от температуры, так и от длины волны света l: r = r (l,Т), а = а (l,Т) и r = r (l,Т).

§		связь между излучательной способностью и энергетической светимостью в дифференциальной и интегральной формах для длин волн и частот	с – скорость света в вакууме
§§

Если в каких-либо формулах мы хотим перейти от l к n (и наоборот), следует приравнивать общее количество энергии, излученной в интервалах dl и dn:

dR=rl×dl = rn×dn

rl = rn (dn / dl)

При исследовании теплового излучения используется научная абстракция - абсолютно черное тело (АЧТ) – это тело, которое поглощает всё, падающее на него излучение, т.е. коэффициент поглощения АЧТ а_АЧТ = 1. Реальной моделью АЧТ может служить замкнутая полость с небольшим отверстием, цилиндр с перегородками, конус (см. рис.). На конусной установке можно получить коэффициент поглощения 0,99999. Если поддерживать температуру указанных тел постоянной, то из отверстия будет выходить электромагнитное излучение всевозможных длин волн, близкое к равновесному излучению АЧТ.

замкнутая полость с отверстием

цилиндр с перегородками

конусный излучатель

Еще одной моделью излучения реальных тел является серое тело – это тело, у которого коэффициент поглощения меньше единицы и при данной температуре является постоянным для всех длин волн. Кривая излучения серого тела повторяет ход кривой излучения АЧТ (см. дальше) при той же температуре, но идет ниже.

	Закон Кирхгофа: «Для всех тел отношение излучательной способности к его поглощательной способности при данной температуре Т и данной длине волны l является постоянным и равным излучательной способности АЧТ при тех же Т и l». Следствия из закона Кирхгофа:
	Все реальные тела при данной температуре излучают всегда меньше, чем АЧТ; r=ro×a < ro, т.к. для всех тел a < 1
	Если тело не поглощает каких-либо волн, оно и не будет их излучать, поэтому спектры излучения и спектры поглощения идентичны, но как бы перевернуты (максимум на одном соответствует минимуму на другом)
	Тело, которое сильно поглощает, должно и сильно излучать. Если на пластине на белом фоне нарисовать черный крест, то при нагревании крест будет светиться более интенсивно, чем фон.[5].

Вывод закона Кирхгофа. Пусть некоторое тело 1 обменивается излучением с АЧТ (2), Температуры тел одинаковы. На единицу площади тела 1 падает поток излучения от АЧТ – ro. Часть этого потока r r о отражается от тела 1. В свою очередь тело излучает поток r. При тепловом равновесии ro = r +r rо = r + (1- а) rо Þ r / а = rо (r - коэффициент отражения, а – коэффициент поглощения)