Виды оптических излучений. Квантовый характер излучения

Квантовая оптика – раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. Колебания электрических зарядов, входящих в состав вещества, обусловливают электромагнитное излучение, которое сопровождается потерей энергии веществом. При рассеянии и отражении света формирование вторичных световых волн и продолжительность излучения веществом происходит за время, сравнимое с периодом световых колебаний. Если излучение продолжается в течение времени, значительно превышающем период световых колебаний, то возможны два типа излучения: тепловое излучение и люминесценция.

Равновесным состоянием системы тело-излучение является состояние, при котором распределение энергии между телом и излучением остается неизменным для каждой длины волны. Единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающим телом, является тепловое излучение – свечение тел, обусловленное нагреванием.

Люминесценцией называется неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность, большую периода световых колебаний. Тепловое излучение совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (внутренней энергии) и свойственно всем телам при температурах выше 0 K. Тепловое излучение равновесно – тело в единицу времени поглощает столько же энергии, сколько и излучает.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (испускательная способность) тела R_ν,Т - мощность R излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины. Х ( – энергия электромагнитного излу­чения, испускаемого за 1с (мощность излучения) с площади 1м ² поверхности тела в интервале частот от ν до ν + dν). Её единица - джоуль на метр в квадрате. Испускательную способность можно представить в виде функции длины волны: т.к.

Интегральная по ν энергетическая светимость: Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью A_{ν,T -} показывающей, какая доля энергии приносимой за единицу времени на единицу площади тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от ν до ν + dν, поглощается телом.

Электромагнитная волна несёт с собой энергию, плотность потока которой, даётся вектором Умова-Пойтинга: , где – показывает мгновенную плотность потока энергии.

Исходя из гипотезы о квантах, М.Планк предложил формулу для спектральной излучательной способности абсолютно чёрного тела в виде: ,которая очень хорошо согласуется с опытом.

Австрийский физик Йозеф Стефан, в 1879г., анализируя экспериментальные данные, пришёл к выводу, что энергетическая светимость R_Э абсолютно чёрного тела пропорционально четвёртой степени его температуры.

R_Э ~ Т

Австрийский физик Людвиг Больцман в 1884г., исходя из термодинамических соображений, получил теоретически для R_Э абсолютно чёрного тела значение:

Закон Стефана-Больцмана следует из формулы Планка: , где

σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Суммарная энергия излучения по всем длинам волн, испускаемая площадкой S абсолютно чёрного тела за время t равна:

или

Распределение энергии в спектре теплового излучения. Квантовые постулаты Бора

Тепловое излучение тел, находящихся в термодинамическом равновесии, имеет сплошной спектр, т.е. излучаются волны всех длин волн. Представим график излучательной способности.

Немецкий физик Вильгельм Вин, в 1893г. и 1896г., исследуя распределение энергии в спектре теплового излучения абсолютно чёрного тела, установил законы:

С` = 2,89 10^-3мК; С˝ = 1,3 10^-14 Вт/мК⁵ – постоянные законов Вина.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E_n. В стационарных состояниях атом не излучает.

Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией E_n в другое стационарное состояние с энергией E_m излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний: