Оптика и квантовая физика. Лекция 7

Квантово-оптические явления
Часть 1
Тепловое излучение
Внешний фотоэффект
Лекция 7

Тепловое излучение

Тепловое излучение

- испускательная способность или спектральная светимость. Равна мощности, излучаемой с единицы поверхности тела и приходящейся на единицу интервала длин волн вблизи данной λ
- поглощательная способность тела, где
dФ'λ – поглощаемый поток;
dФλ – падающий на тело поток энергии.
Характеристики теплового излучения
- энергетическая светимость или интегральная испускательная способность, где Ф – поток энергии или мощность излучения

Характеристики теплового излучения
Модель абсолютно черного тела

Законы теплового излучения
Для абсолютно черного тела

Доказательство закона Кирхгофа
Абсолютно черное тело – замкнутая оболочка с температурой Т
Энергия, которую участок ΔS излучает за единицу времени и получает от остальной оболочки в спектральном интервале dλ:
ΔS - абсолютно черное тело
Т/д равновесие с температурой Т
ΔS - не абсолютно черное тело
Плотность энергии равновесного теплового излучения не зависит от физической природы тела и определяется только его Т.

Следствия из закона Кирхгофа
Видео

Законы теплового излучения

Законы теплового излучения
Модель 5.5. Излучение абсолютно черного тела
Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на 470 нм (зеленая область спектра), что соответствует температуре наружных слоев Солнца около 6200 К.

Законы теплового излучения
Формула Рэлея – Джинса:

Законы теплового излучения
или

Внешний фотоэффект
Экспериментальное изучение фотоэффекта

Законы внешнего фотоэффекта
Вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента.
Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока.

Квантовая теория фотоэффекта
hν = Авых+ mυ2/2
Эйнштейн объяснил экспериментальные законы фотоэффекта на основе квантовых представлений о природе света.
Ф ~ hν ·nф
nэ ~ nф
I ~ nэ
Iн ~ Ф
Первый закон фотоэффекта
Второй закон фотоэффекта
mυ2/2 = hν – Авых
Авых = const
mυ2/2 ~ hν
Третий закон фотоэффекта
hν0 = Авых
mυ2/2 = 0
ν0 = Авых/ h
– красная граница фотоэффекта

Применение фотоэффекта
фотоэлектронные приборы
фотоэлементы
фотоумножители
Преобразование светового сигнала в электрический
Измерение очень малых световых потоков
В метро, в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами, на заводских прессах и т. д.
В астрономии,
спектроскопии и т.д.

Внутренний и вентильный фотоэффект
Применение

Внутренний и вентильный фотоэффект

Квантово-оптические явления
Часть 2
Развитие гипотезы световых квантов
Эффект Комптона
Давление света
Фотолюминесценция

Развитие гипотезы световых квантов
Опытные обоснования гипотезы световых квантов
Опыты Боте (1926 г.)
изучение квантовых флуктуаций интенсивности рентгеновского излучения
Установка Боте (1926 г.)
А и В - индикаторы: счетчики Гейгера –
Мюллера в свинцовом футляре;
C – фольга Cu и Fe, которая при облучении R-лучами дает флуоресцентное излучение, т.е. является источником слабого рентгеновского излучения.

2. Опыты Вавилова С. И. (с видимым светом)
Порог чувствительности человеческого глаза
~ 200 фотонов, попадающих в глаз за 1 секунду
Схема опыта Вавилова С. И.:
D – диск вращающийся со счетчиком поворотов;
СФ – светофильтр (λ ~ 0,5 мкм);
К – клин из дымчатого стекла.
Длительность вспышки – τ ≈ 0,1с.
Опытные обоснования гипотезы световых квантов

3. Опыты по наблюдению фотоэффекта в камере Вильсона
Т.о., электрон должен поглощать всю энергию сразу. Классические представления о постепенной передаче энергии не верны.
Опытные обоснования гипотезы световых квантов

Свойства фотонов

Схема опыта
Эффект Комптона
Результаты опыта:

Спектры рассеянного излучения
Диаграмма импульсов при упругом рассеянии фотона на покоящемся электроне.
Эффект Комптона

– «комптоновская» длина волны, λк = 0,024 Å
Формула Комптона
– по закону сохранения импульса
– по закону сохранения энергии, где m0 и m –
масса электрона до и после столкновения
Теория эффекта Комптона

Давление света
Давление света направляет
хвост кометы от Солнца
Солнечный парус

R – коэффициент отражения света или доля фотонов, соударяющихся со стенкой упруго; (1-R) – неупруго;
n – плотность фотонов;
(с∙n) – количество фотонов, которое ударяется о единичную площадку в единицу времени;
W = hν∙n – плотность энергии поля.
а) для поглощенных фотонов:
б) для отраженных фотонов:
ΔK = F·Δt, где F – сила давления на единичную площадку.
Так как Δt = 1, а F = P, то
Изменение импульса фотонов,
падающих на единичную площадку в единицу времени:
Давление света
W∙c = Eэ – энергетическая освещенность поверхности
Давление солнечного света на земную поверхность Р = 10-6 – 10-5 Н/см2

Схема опыта
Системы крылышек в опыте Лебедева
Давление света - опыт П.Н. Лебедева
(1899-1900 г.)

Люминесценция
Виды люминесценции
по типу первичного энергетического воздействия
электролюминесценция – излучение света под действием электрического поля;
фотолюминесценция – поглощение фотонов света с одной частотой, а излучение с другой;
катодолюминесценция – процесс преобразования электрического луча в энергию видимого света;
рентгенолюминесценция – излучения света под действием электрических лучей;
триболюминесценция – излучения света под действием механических воздействий

Фотолюминесценция алмаза
Фотолюминесценция
Длительность свечения τ − время, в течение которого тело высвечивает энергию возбуждения.

Методы исследования фотолюминесценции
Двухдисковый фосфороскоп Беккереля
2. Однодисковый фосфороскоп
3. Фазовый флюориметр
Закон затухания фотолюминесценции:
Измерение длительности послесвечения до 10-4 с
Измерение длительности послесвечения до 10-5 - 10-6 с
Измерение длительности послесвечения до 10-8 - 10-9 с
τ – время запаздывания

Спектр фотолюминесценции
Диаграмма переходов
Стокс(Stokes) Джордж Габриель (1819 -1903)

Особенности спектра фотолюминесценции

Роль активаторов
Вещества, способные люминесцировать

Применение люминесценции

Лампа Вуда САПФИР для проведения люминесцентного анализа при диагностике грибковых поражений зерна
Люминометр для всех видов люминесцентного анализа
Люминесцентный светильник
Применение люминесценции