- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
Согласно законам квантовой физики энергия электрона в атоме может иметь лишь определенный дискретный ряд значений:Е1, Е2,…,Еn.Эти значения называютсяуровнями энергии. Уровень с наименьшей энергией называется основным, другие уровни, с более высокой энергией – возбужденными (рис.2.19).
При переходе атомного электрона с одного энергетического уровня на другой атом может излучать или поглощать энергию. Эта энергия равна
hνik = Ei - Ek (2.100)
Между двумя энергетическими уровнями с энергией EiиEk возможны три типа оптических процессов (рис.2.20):
спонтанное излучение;
вынужденное излучение;
поглощение.
Дадим их краткое описание.
1. Спонтанное излучение.Пусть атом находится в одном из возбужденных состояний с энергиейEi . Возбужденное состояние является неустойчивым, и спустя некоторое времяτ ≈10-8 сатом спонтанно перейдет в одно из состояний с меньшей энергиейEк с излучением фотона.
Спонтанные переходы являются случайными процессами, поэтому момент испускания фотона, его направление, поляризация также случайны. Излучение обычных источников света возникает за счет актов спонтанного испускания, поэтому оно некогерентно, немонохроматично, ненаправленно, неполяризованно.
2. Вынужденное излучение.Этот вид излучения был теоретически предсказан А.Эйнштейном.
Атом может перейти из возбужденного состояния Ei в состояние с меньшей энергиейEк не спонтанно, а под действием электромагнитного излучения. Частота излучения должна удовлетворять соотношению (2.100).
Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного излучения, называются вынужденными (индуцированными). Отметим особенности вынужденного испускания.
Фотон, излучаемый при вынужденном переходе, абсолютно неразличим с первичным фотоном, индуцировавшим этот переход. Оба фотона имеют одну и ту же частоту, фазу, поляризацию и направление движения.
Эффект вынужденного испускания используется в оптических квантовых генераторах (лазерах). Лазерное излучение является вынужденным излучением. Оно монохроматично, когерентно, направленно и поляризованно.
3.Переходы под действием излучения из состояния меньшей энергиейEk в состояние с большей энергиейEi при условииhνik = Ei - Ekсоответствуют процессурезонансного поглощения фотонов. Этот процесс является обратным вынужденному излучению.
2.15. Лазеры
Квантовыми генераторами называются источники когерентного излучения, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения. Квантовые генераторы ультракоротких радиоволн называются мазерами. Квантовые генераторы, излучающие в оптическом диапазоне, называются лазерами или оптическими квантовыми генераторами. Термин «лазер» является аббревиатурой (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Рассмотрим принципы работы лазера.
1. Инверсия населенностей
Пусть на вещество воздействует свет частоты ν = (Ei - Ek )/h. Он будет вызывать два конкурирующих процесса (рис.2.21):
1 - вынужденный переход Ei Ek (излучение);
2 - вынужденный переход Ek Ei (поглощение).
Вероятности этих переходов одинаковы.
Обозначим ΔZki - число переходовEk Ei ,ΔZik - число переходовEi Ek .
Для того, чтобы получить усиление света необходимо выполнение условия
ΔZik > ΔZki. (2.102)
Число атомов в состоянии с энергией Eiназываютнаселенностью уровня Ei и обозначаютNi , тогдаNк – населенность уровня Ek .
Число переходов с энергетического уровня будет пропорционально его населенности
ΔZki ~ Nk , (2.97)
ΔZik ~ Ni.(2.98)
Рассмотрим систему, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия. Распределение атомов по энергетическим состояниям определится законом Больцмана:
. (2.103)
Чем больше энергия уровня, тем меньше его населенность, то есть Ni < Nк , следовательно, число переходов с излучением будет меньше числа переходов с поглощением света.Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, не может усиливать электромагнитное излучение.
Для получения усиления света необходимо создать также неравновесноесостояние в системе, при котором населенность верхнего энергетического уровня была бы больше населенности нижнего уровня
Ni > Nк.(2.104)
Такое состояние называется состоянием с инверсией населенности.
Естественно, что не любое возбуждение и не в каждом веществе может вызвать инверсию населенностей. Среду, в которой при определенных условиях может быть создана инверсия населенностей, называют лазерной(мазерной)активной средой, а соответствующий рабочий элемент –активным элементом. Уровни энергии, между которыми может быть создана инверсия населенностей, называютрабочими лазерными уровнямиэнергии.