Квантовая оптика

Квант

Кванты  света.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк выразил идею относительно квантованного (дискретной, полностью определенными порциями, или квантами) изменения энергии элементарного излучателя света. На мысль Планка, квантованость присущая излучающему веществу, а не свету. Но в 1905 г. Альберт Эйнштейн при объяснении законов фотоэффекта пришел к заключению, что квантовые свойства имеет светло, а не вещество. Светло можно рассматривать как совокупность световых частиц(квантов света), энергия каждой из которых, за формулой Планка, прямо пропорциональная частоте колебаний в световой волне h. Коэффициент пропорциональности называется постоянным Планка. Позже квант света (как и квант любого электромагнитного излучения) начали называть фотоном.

Фотоэлектрический эффект и его законы. Уравнение фотоэффекта

Фотоэлектрический эффект - это вылет электронов из вещества под действием света (преимущественно ультрафиолетового), иначе говоря, это - фотоэлектронная эмиссия. Открыл фотоэлектрический эффект в 1887 г. Генрих Герц, заметив, что для искрового разряда между ярко освещенными цинковыми шариками нужна меньшая разница потенциалов, чем когда шарики не освещены. Естествоиспытатели фотоэффекта Ф. Ленард, О. Г. Столетов, В. Гальвакс обнаружили такие закономерности (законы фотоэффекта):

1) Увеличение энергии света неизменной не увеличивает скорость вылетающих из вещества электронов. Скорость увеличивается при увеличении частоты (а следовательно, уменьшении длины волне) света.

2) Для каждого вещества существует "красный предел" фотоэффекта, то есть такая длина волны света, превышение которой приводит к исчезновению фотоэффекта.

3) Увеличения энергии света неизменной увеличивает силу фототока насыщения на вольт-амперной характеристике фотоэффекта (открыл О. Г. Столетов).

Пользуясь представлениями волновой теории света, физики пытались связать вылет электрона из металла с вынужденными колебаниями электрона в переменном электрическом поле световой волны. Но опытные факты не находили объяснения в рамках этой теории. В частности, непонятным было отсутствие зависимости v от W света (ведь увеличение W должно было бы увеличивать амплитуду колебаний электрона и способствовать его вылету из вещества с большей v).

Квант энергии

Пучок света рассматривался Эйнштейном как совокупность N фотонов. При таком подходе можно объяснить все закономерности фотоэффекта.

1) Энергия пучка монохроматического () света, где N - число фотонов в пучке. На современном этапе в лазерных щепотках света может реализоваться многофотонный фотоэффект. Если электрон взаимодействует лишь с одним фотоном из пучка, то увеличение N при неизменной величине не влияет на . С увеличением растет, а следовательно и .

2) Если, то энергия фотона оказывается меньше.

3) Относительно закона Столєтова : увеличение энергии пучка светлая данной происходит за счет увеличения числа фотонов в пучке, который приводит к увеличению числа фотоэлектронов (движение которых и создает фототок). Вследствие этого наблюдается сдвиг участка насыщения на вольт-амперной характеристике в сторону больших значений силы тока И.

Области применения фотоэффекта: в разных фотореле (для включения и выключения освещения улиц, света маяков и бакенов, двигателей станков); в технике записи и воссоздания звука в кино; в авиационной и космической технике (в частности - в солнечных батареях), на транспорте (применение фотоэффекта в пропускных механизмах метрополитена).

Корпускулярно-волновой дуализм света. Фотон

Светло всегда имеет двойственную природу, но в одних явлениях (интерференция фотона, дифракция фотона, поляризация фотона) четко оказываются волновые свойства света, а в других (в пределах школьной программы это фотоэффект) - корпускулярные.Надо помнить, что хотя фотон и принадлежит к числу элементарных частиц, но является частицей не вещества, а поля (то есть это составляющая, или структурная, частица электромагнитного поля). Длительное время в учебной литературе содержалось утверждение, что фотону свойственная масса движения, но он не имеет массы покоя. В современной трактовке теории относительности состоялись важные изменения, которые во многих учебных пособиях, к сожалению, еще не отражены. Теперь, во-первых, масса тела или частицы считается инвариантом, то есть не зависит от их скорости (следовательно, исчезла дифференциация массы на массу покоя и массу движения); во-вторых, фотон рассматривается как безмасовая частица. Фотон, как и все элементарные частицы, имеет импульс (количество движения), но импульс фотона выражается не через массу, а через энергию.

Давление света. Опыты Лебедева

Фотон, имея энергию hn, имеет и импульс (количество движения). Поглощаясь препятствием или отражаясь от нее, фотоны передают препятствию импульс, создавая давление на нее (как и молекулы газа). Впервые давление света измеряло в 1899 г. русский физик П. М. Лебедев с помощью подвешенной в вакууме на тонкой кварцевой нити легкой "крыльчатки", одно крыльцо которой отбило (зеркало), другое - поглощающим (зачерненным).

Давление света на отбивающее крыльцо было вдвое больше, чем на поглощающее (в первом случае во время падения-отражения препятствие получает импульс, во втором - только). Давление света в обычных условиях очень малое: около 4,5 мкПа (атмосферное давление равняется 100 кПа). Его измерение затруднялось еще и тем, что молекулы газов, которые еще остались в откачанной колбе, создавали на крыльца давление, намного больше давления света. Однако Лебедеву удалось достаточно точно (как показали позже другие исследователи) измерять давление света. Давление света не всегда малое: в недрах звезд, где в результате термоядерных реакций выделяется огромная энергия, давление излучения очень большое.

Открытие электрона. Классические представления о строении атома

В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, исследуя отклонение магнитным полем катодных лучей, доказал, что они являются потоком негативно заряженных частиц, масса которых приблизительно в 1840 раз меньше массы атома водорода. Так был открыт электрон. Ученый также определил заряд электрона (какой был уточнен американским физиком Робертом Мілікеном в 1909-1913 гг.)Дж. Дж. Томсон разработал модель строения атома, образно названную пудингом (кексом ли) с изюминами, в которой позитивный заряд атома считался равномерно распределенным по всему атому: Одновременно с моделью Томсона японский физик Хантаро Нагаока разработал другую модель, с условным названием "сатурніанський атом". В ней допускалось, что электроны по общей орбите (как по "кольцу Сатурна") двигаются вокруг положительно заряженного ядра. Осуществить выбор между этими двумя моделями атома позволили результаты опытов, проведенных в Англии, в лаборатории Эрнеста резерфорда его учениками Эрнестом Марсденом и Гансом Гейгером.
Ядерные реакции и их энергетический выход

Ядерные реакции - это изменения (перестройка) ядер во время их взаимодействия друг с другом или с другими частицами. Пример 1: какое-то ядро поглощает бомбардирующую частицу, в результате чего образуется новое ядро, массивнее исходного. Пример 2: результатом поглощения ядром бомбардирующей частицы является не только образование более массивного ядра, но и выпускание одной или нескольких частиц меньшей массы. В процессе ядерных (как и химических) реакций может происходить или выделение, или поглощение энергии. Энергетический выход реакции рассчитывается на основании закона сохранения энергии и закона взаимосвязи энергии и массы. Для этого надо определить массу ядер и частиц к реакции и после реакции, найти изменение массы и изменение энергии. С помощью графика можно загодя определить, какие реакции будут протекать с выделением энергии, а которые с поглощением.

Радиоактивность

Радиоактивность - это самовольное превращение ядер одних атомов на ядра других атомов. Радиоактивность открыл в 1896 p. Анри Беккерель. Ученый обнаружил, что соли урана действуют на завернутую в черную бумагу фотопластинку подобно тому, как действует светло непосредственно на фотоэмульсию. Беккерель доказал, что источником невидимого излучения является уран, а не химические элементы, которые входят в состав его солей. Супружеская чета Мария Склодовська-кюри и П'ер Кюри обнаружили подобное излучение и в торию, а потом - в открытых ими полонию и радию. Резерфорд открыл расщепление радиоактивного излучения в магнитном поле на три компоненты. Потом такое расщепление было получено и в электростатическом поле. Более инертную часть пучка (она слабее отклонялась к негативно заряженной пластине) назвали -лучами. Часть щепотка излучения, которая притягивалась к положительно заряженной пластине и значительно изменяла свое направление, назвали - лучами. Часть щепотка, которая не изменяла напрямую, назвали - лучами. Из всех трех компонентов действительно лучами являются только ?, но и ? - не лучи, а частицы (?-компонент - это поток ядер гелия, ?-компонент - электроны, скорости которых близки к скорости света).

Закон радиоактивного распада

Законом радиоактивного распада называется математическая зависимость числа атомов N, которые не распались в течение некоторое время t после начала отсчета, от начального числа атомов и от времени t , где число (основа натурального логарифма), - стала радиоактивного распада, которая является характеристикой данного радиоактивного вещества, обратно пропорциональной периоду полраспада. Эту зависимость раньше подавали в упрощенном виде: где T - период полраспада (время, за которое распадается ядер). Функция называется экспоненциальной функцией, следовательно, количество "уцелевших" ядер уменьшается со временем по экспоненциальному закону, графиком которого является нисходящая кривая.

Методы регистрации ионизующих излучений

Отдельные микрочастицы (электроны, протоны, - частицы) настолько малые, что наблюдать их не удается даже с помощью электронного микроскопа. Но физики научились получать информацию и относительно таких частиц: разработали специальные непрямые методы исследования и сконструировали специальные приборы, действие большинства по которым базируется на способности микрочастиц ионизировать атомы или молекулы вещества, через которую они проходят. Поэтому и идет речь об ионизирующих излучениях, хотя можно говорить и конкретнее: методы наблюдения и регистрации элементарных частиц. В зависимости от цели эксперимента (просто подсчитать число частиц, которые поступают к регистрирующему устройству, или определить, которые именно эти частицы), используют или счетчики ионизирующих частиц, или трековые камеры. Самый простой из устройств первого типа (что использовался в экспериментах в лаборатории резерфорда) - спинтарископ (а). Альфа-частицы, которые вылетают из нанесенной на острие 1 радиоактивного вещества, попадают на покрытый сернистым цинком экран 2 и вызывают отдельные вспышки свечения (сцинтилляции), которые можно наблюдать через линзу 3. Подсчет вспышек выполнял экспериментатор. Счетчик Гейгера (б) состоит из наполненной аргоном трубки 2. Дослі-джувана частица пролетает через нее, ионизирует газ, запирая круг между катодом 3 и анодом 1, и создает импульс напряжения на нагрузке (резисторе R).

Камера Вильсона (в) являет собой цилиндр с поршнем, заполненный смесью газа (аргон или азот) с насыщенной парой воды или спирта. Перед исследованием расширяют газ поршнем, переохолоджуючи пару. Исследуемая частица пролетает сквозь камеру, ионизирует атомы газа, на которых конденсируется пара, создавая капельный трек (следует). Дональд Глезер сконструировал пузырьковую камеру, в которой можно исследовать частицы значительно больше энергии, чем в камере Вильсона, потому что плотность рабочего вещества камеры Глезера (ожижены пропан или водород) значительно больше за плотность рабочего вещества камеры Вильсона. В перегретой перед исследованием (путем мгновенного уменьшения давлению) жидкости исследуемая частица создает пузырьковый трек. Л. В. Мисовський и А. П. Жданов разработали метод толстослойных фотоэмульсий. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристалик AgBr фотоэмульсии, отрывает электроны от атомов Br. Цепочка таких кристаликів образует скрытое изображение, которое под действием химического проявителя превращается в цепочку зерен серебра - трек частицы.

Энергетический квант

Получение и использование радиоактивных изотопов

В 1932 г. французские физики Ирен и Фредерик Жолио-кюри первыми искусственно получили радиоактивные вещества, бомбардируя -частинками нерадиоактивные вещества. Пример:, то есть образовался неустойчивый (радиоактивный) фосфор. Принципиальной разницы между естественной и искусственной радиоактивностью нет. Для искусственно полученных радиоактивных изотопов свойственны все процессы, которые ведут к образованию, - и -частинок и -лучей. Область применения радиоактивных изотопов очень широкая: биология, химия, медицина, металлургия, дефектоскопия и др.

Поглощенная доза излучения. Защита от облучения

Действие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения Dназивається отношения поглощенной энергии ионизирующего излучения к массе облучаемого вещества. Ионизирующее излучение вредно влияет на биологические объекты: нарушаются процессы клеточного разделения, дуплікації генетического материала, который приводит к серьезным заболеваниям. Природный фон радиации для человека складывает Гр на год. Доза свыше 3 Гр, полученная за короткий срок, смертельная. Самая простая защита людей от излучения - это отдаленность от его источника. Если этого достичь не удается, необходимо использовать экраны из свинца, окружать мощные источники стенами из бетона (толщиной несколько метров).

Подол ядер урана. Цепная реакция

Поглотив нейтрон, ядро Урана удлиняется, распадается на два фрагмента (осколки, дочерние ядра), из которых вылетают 2-3 нейтрона. Некоторые из них в свою очередь делят другие ядра Урана и т. д. (развивается цепная реакция разделения). Только в случае протекания такой реакции энерговыделения будут большими. Впервые такую реакцию осуществили в атомном реакторе.