Квантовая оптика

Учебное пособие

Рекомендовано научно-методическим советом

морского государственного университета

в качестве учебного пособия для курсантов и студентов

всех специальностей

Владивосток

УДК 53 (075.8)

Воробьёв, Ю. Д. Квантовая оптика. [Текст]: учеб. пособие / Ю. Д. Воробьёв. – Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2010. – 72 с.

Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших ученых заведений.

Пособие состоит двух частей и раздела включающего несколько приложении. В первой части дано краткое изложение основных эффектов объяснение которых возможно только исходя из корпускулярных представлений о природе света.

Во второй части приведены описания семи лабораторных работ охватывающих основные темы квантовой оптики - по тепловому излучению и фотоэффекту

В раздел приложений включены описания, инструкции по эксплуатации и техники безопасности лабораторных комплексов МУК-О и МУК-ОК, а также оптического пирометра ЭОП-66.

Рецензент

В. Э. Осуховский, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой физики и ОТД Филиала ВУНЦ ВМФ «ВМА»

© Воробьев Ю. Д., 2010

© Морской государственный университет

им. адм. Г. И. Невельского, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Квантовая оптика. 5

1. Тепловое излучение и его характеристики. 5

2. Абсолютно чёрное тело. 6

3. Закон Кирхгофа. 7

4. Закон Стефана-Больцмана. 8

5. Закон смещения Вина. 10

6. Формулы Рэлея-Джинса и Вина. 11

7. Квантовая гипотеза Планка. 15

8. Фотоэффект. 18

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.. 31

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.7. 31

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА - БОЛЬЦМАНА.. 31

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 38.2. 34

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И.. 34

ИНТЕГРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕЛА.. 34

МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ.. 34

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.8КМ... 41

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОТОЭФФЕКТА.. 41

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.9. 44

ПРОВЕРКА ЗАКОНА СТОЛЕТОВА.. 44

6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.15. 47

ОПРЕДЕЛНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА.. 47

7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.36. 57

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ.. 57

ЛИТЕРАТУРА.. 60

Приложение 1. Пирометр оптический ЭОП-66. 61

Приложение №2. Модульный учебный комплекс МУК-ОК «КВАНТОВАЯ ОПТИКА». 67

Приложение 3. Краткое описание модульного лабораторного учебного комплекса МУК-О (по оптике) 68

Квантовая оптика.

Квантовая оптика — раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света.

Виды оптических излучений.

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: 1) тепловое излучение и 2) люминесценция.

Определение. Люминесценцией называется неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность, большую периода световых колебаний.

1. Тепловое излучение и его характеристики.

Определение. Тепловым излучением называют излучение тел, которое совершается за счёт энергии теплового движения атомов и молекул вещества (внутренней энергии) и свойственно всем телам при температурах выше 0ºК.

Тепловое излучение равновесно — тело в единицу времени поглощает столько же энергии, сколько и излучает. Опыт показывает, что тепловое излучение является единственным видом излучения, которое может находиться в равновесном состоянии с излучающим телом.

Определение. Равновесным состоянием системы «тело-излучение» является состояние, при котором распределение энергии между телом и излучением остается неизменным для каждой длины волны. Способность теплового излучения находиться в равновесии с излучающими телами обусловлена тем, что его интенсивность возрастает с повышением температуры.

Количественной характеристикой теплового излучения служитспектральная плотность энергетической светимости (излучательная способность) тела:

где - энергия электромагнитного излучения, испускаемого за 1с площадью 1м² поверхности тела в интервале частот от до (мощность излучения). Таким образом, спектральная энергетическая светимость - это поверхностная плотность мощности излучаемой телом е единичном частотном интервале, размерность

Излучательную способность можно представить и в виде функции длины волны. Так как , то:

(1.1)

Интегральная по энергетическая светимость:

(1.2)

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью , показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от до , поглощается телом.

2. Абсолютно чёрное тело.

Определение. Абсолютно чёрным телом называют тело способное поглощать при любой температуре всё падающее на него излучениелюбой частоты.

Спектральная поглощательная способность чёрного тела для всех частот и температур тождественно равна единице:

≡1. (2.1).

Рис. 2.1. Модель абсолютно чёрного тела.

Абсолютно чёрных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа и чёрный бархат в определенном интервале частот близки к ним. Идеальной моделью чёрного тела является внутренняя поверхность замкнутой полости с небольшим отверстием, которая зачернена (рис. 1).

Луч, попавший внутрь такой полости, полностью поглощается. Излучение из малого отверстия в полости является идеальным излучением абсолютно чёрного излучателя. Наряду с понятием чёрного тела используют понятие серого тела.

Определение. Серыми телами называются тела, поглощательная способность которых меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела:

= = const <1