Дифракция волн Естественный и поляризованный свет Строение атомного ядра Закон радиоактивного распада Дифракционная решетка Электромагнитная природа света

Физика Курс лекций и примеры решения задач

Излучение и поглощение электромагнитной волны.

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического \mathit E(t)\,и магнитного \mathit H(t)\,полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

Спонтанное и вынужденное излучение.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

Спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

Резонансное поглощение

поглощение фотонов частоты v = (Еn - E0)/h, где Еп и Е0 - энергии возбуждённого и основного состояний поглощающей системы (напр., атома), h - Планка постоянная. Р. п. наблюдается и в ядерной физике (см. Мёссбауэра эффект).

Ширина спектральной линии

Ширина спектральных линий, интервал частот v (или длин волн l = c/n, с — скорость света), характеризующий спектральные линии в спектрах оптических атомов, молекул и др. квантовых систем. Каждому излучательному квантовому переходу между дискретными уровнями энергии Ek и Ei соответствует некоторый интервал Dnki частот, близких к частоте перехода  ( — Планка постоянная). Значение Dnki определяет Ш. с. л. ¾ степень немонохроматичности данной спектральной линии. Контур спектральной линии j(n) [зависимость интенсивности испускания (поглощения) от частоты] обычно имеет максимум при частоте перехода nki или вблизи неё (см. рис.); за Ш. с. л. принимают разность частот, которым соответствует уменьшение интенсивности вдвое (её называют иногда полушириной спектральной линии). Если не учитывать Доплера эффект, Ш. с. л. Dnki определяется суммой ширин уровней энергии Ek и Ei , т. е. Dnki тем больше, чем меньше времена жизни tk и ti. Радиационная (естественная) Ш. с. л. соответственно равна: (Dnki) рад = (Ak + Ai)/2p (где Ak и Ai— полные вероятности спонтанных переходов с уровней Ek и Ei на все нижележащие уровни); она очень мала и обычно Ш. с. л. для атомов и молекул определяется в основном уширением их уровней энергии при взаимодействии с окружающими частицами (в газе и плазме — при столкновениях), а также уширением спектральных линий вследствие эффекта Доплера. В зависимости от типа уширения получается симметричный или асимметричный контур спектральных линий (на рис. показан симметричный, т. н. дисперсионный, контур, характерный для радиационного уширения).

Коэффициенты Эйнштейна

Эйнштейна коэффициенты характеризуют вероятности излучательных квантовых переходов. Были введены Альбертом Эйнштейном в 1916 при построении теории испускания и поглощения излучения атомами и молекулами на основе представления о фотонах; при этом им впервые была высказана идея существования вынужденного излучения. Вероятности спонтанного испускания, поглощения и вынужденного испускания характеризуются соответственно коэффициентами Aki, Bik и Bki (индексы указывают на направление перехода между верхним Ek и нижним Ei уровнями энергии). Соотношения между Эйнштейна коэффициенты были впервые получены Эйнштейном при выводе Планка закона излучения путём рассмотрения термодинамического равновесия вещества и излучения (см. Тепловое излучение).

Квантовое усиление и генерация света

Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света.

Инверсная населённость уровней (методы осуществления инверсии населённостей).

В обычном веществе справедливо - чем выше энергия состояния, тем реже встречаются частицы в таком состоянии. Поэтому процесс поглощения фотонов с переводом атомов в возбужденное состояние преобладает над вынужденным излучением, сопровождающим переход в низшее состояние. Как результат, излучение резонансной частоты в среде затухает. Для того, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, надо за счет внешнего источника энергии создать населенность одного из возбужденных состояний более высокую, чем населенность хотя бы одного из состояний с меньшей энергией. Говорят, что надо создать инверсную (обратную) населенность в системе атомов (молекул). Тогда среда становится активной и способна усиливать волны резонансной частоты.

Как указано выше, для работы лазера необходима инверсия населённостей, однако получить её для группы атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно. Фактически, прямой переход атомов в возбуждённое состояние будет всегда компенсироваться процессами спонтанного и вынужденного излучений. Лучшее, что может быть достигнуто в такой ситуации — оптическая прозрачность в случае N1 = N2 = N/2, но не усиление.

Чтобы достигнуть неравновесного состояния, необходимо использовать косвенные способы перевода атомов в возбуждённое состояние. Чтобы понять, как это работает, мы будем использовать более реалистичную модель, известную как трёхуровневый лазер. Возьмем ещё раз группу из N атомов, но теперь каждый из них может находиться в трёх различных энергетических состояниях, на уровнях 1, 2 и 3 с энергиями E1,E2 и E3, в количестве N1, N2 и N3, соответственно

№ 1.2.9.

В кинескопе кардиомонитора ускоряющая разность потенциалов между катодом и анодом равна U = 20 кВ. Определить время пролета электрона от электронной пушки до анода, если расстояние между электродами составляет d = 40 см.

Решение

Работа ускоряющего электрического поля идет на создание кинетической энергии, т.е.

.  (1)

Из этого выражения найдем скорость электрона в момент его удара об анод:

 . (2)

Для расчета времени движения воспользуемся формулой

. (3)

Двойка в приведенном выражении появляется вследствие того, что движение электрона является равноускоренным, поэтому при расчетах следует брать среднюю скорость движения, которая в два раза меньше конечной. Подставляя в (3) выражение для скорости из (2), получим окончательное выражение для расчета времени движения:

.  (4)

Подставляя в (4) численные значения входящих в него величин, получим

.


Дифракция ренгеновских лучей на пространственной решетке