Фотоны и их свойства

Фотоны и их свойства
Согласно современным представлениям, свет представляет собой сложное
явление, сочетающее в себе свойства электромагнитной волны и потока частиц фотонов. Такое двойственное сочетание свойств называется корпускулярноволновым дуализмом.
Фотоном называется элементарная частица - квант электромагнитного поля.
Отличие фотона от других элементарных частиц состоит в том, что фотон
всегда движется со скоростью
нулю: m
. Масса фотона равна
= 0.
Энергия фотона вычисляется по формуле (5.1)
или
,
где λ - длина волны света.
Импульс фотона равен
Таким образом, формулы (5.1) и (5.6) отражают корпускулярно-волновой
дуализм фотонов. Подобно частице (корпускуле), фотон обладает энергией и
импульсом, которые выражены через волновые характеристики: частоту и
длину волны.
Дальнейшее развитие квантовые представления получили при объяснении
закономерностей в спектре атома водорода.
Постулаты Бора
Первая квантовая теория строения атома была предложена в 1913 г. датским
физиком Нильсом Бором. Она была основана на ядерной модели атома,
согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг
которого вращаются отрицательно заряженные электроны.
Теория Бора основана на двух постулатах.
I постулат Бора - постулат стационарных состояний. В атоме существуют
стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не
излучает энергию. Этим стационарным состояниям соответствуют
стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов
по стационарным орбитам не сопровождается излучением энергии.
II постулат Бора получил название "правило частот". При переходе электрона
с одной стационарной орбиты на другую излучается (или поглощается) квант
энергии, равный разности энергий стационарных состояний
где h - постоянная Планка;
v - частота излучения (или поглощения) энергии;
hv - энергия кванта излучения (или поглощения);
En и Em - энергии стационарных состояний атома до и после излучения
(поглощения), соотвественно. При Em < En происходит излучение кванта
энергии, а при Em > En - поглощение.
Корпускулярно-волновой дуализм
микрочастиц
Двойственная корпускулярно-волновая природа характерна не только для
фотонов, но и для любых движущихся частиц. К такому выводу пришел
французский физик Луи де Бройль в 1924 г. Он предположил, что соотношение
(5.6) имеет универсальный характер и справедливо для любых волновых
процессов, связанных с частицами, обладающими импульсом p.
Длина волны де Бройля - длина волны, которой обладает движущаяся частица,
вычисляется по формуле
где h - постоянная Планка, p - импульс частицы.
Если скорость движущейся частицы много меньше скорости света в вакууме (v
<< c), то импульс равен (см. (1.21))
,
где m - масса частицы.
Если скорость частицы соизмерима со скоростью света в вакууме
импульс вычисляется по формулам теории относительности
, то
,
где m0 - масса покоя частицы.
Волновые свойства электронов впервые были обнаружены в опытах по
наблюдению дифракционной картины при рассеянии их на кристаллах, которые
служили естественной дифракционной решеткой. Дифракционные явления
наблюдались также для нейтронов, протонов и других микрочастиц.
Вынужденное излучение. Лазеры
Излучать энергию атом может только в том случае, если он возбужден, т. е.
переведен из основного состояния на более высокий энергетический уровень.
Возбудиться атом может разными способами: при бомбардировке вещества
частицами, при облучении, при повышении температуры и т. д. Среднее время
жизни атома в возбужденном состоянии составляет
. Последующий
переход на более низкий энергетический уровень может происходить
спонтанно (самопроизвольно) или вынужденно. Спонтанные переходы в
разных атомах независимы друг от друга, а испускаемые фотоны имеют разные
направления и случайные фазы. Поэтому спонтанное излучение является
некогерентным. Все естественные источники света дают спонтанное
некогерентное излучение.
Однако в некоторых случаях возбужденные энергетические состояния могут
существовать достаточно долго
. Такие состояния называются
метастабильными. Переход из метастабильного состояния в основное может
достигаться под действием внешнего излучения. Это явление ускорения
атомных переходов возбужденных атомов под действием
электромагнитного излучения называется вынужденным излучением. Более
того, возникающий в результате вынужденного излучения фотон оказывается
точно в фазе с внешним фотоном, стимулировавшим это излучение атома, и
летит в том же направлении. На основе использования вынужденного излучения
Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США (1953 г.) были
разработаны генераторы когерентного излучения - лазеры. Слово "лазер"
составлено из первых букв английской фразы Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation - усиление света с помощью вынужденного излучения.
Другое название лазера - оптический квантовый генератор (ОКГ). Существуют
различные типы лазеров: твердотельные, газовые, полупроводниковые,
жидкостные.
Рассмотрим принцип действия твердотельного лазера на рубине, состоящем из
оксида
, в кристаллическую решетку которого внедрены ионы хрома
Схема энергетических уровней хрома показана на рис. 5.5, где E1 основной уровень; E2 и E3 - уровни возбуждения.
Рис.5.5
Причем, E2 - метастабильный уровень, так как спонтанный переход E2 → E1
запрещен правилами отбора (см. формулу (5.21)). Практически такие
спонтанные переходы все-таки существуют, но осуществляются с гораздо
меньшей вероятностью. Они и дают излучение с
, которое
определяет обычную окраску рубина (красную или розовую в зависимости от
концентрации хрома).
Рассмотрим процессы, которые происходят в лазере. При поглощении из-вне
квантов энергии частицы переводятся из основного уровня E1 на возбужденный
E3, откуда они спонтанно совершают безизлучательный переход на
метастабильный уровень E2. Время жизни частиц на метастабильных уровнях
несравненно дольше, чем на обычных возбужденных. Поэтому "заселенность"
метастабильного уровня E2 становится больше "заселенности" основного
уровня E1, т. е. образуется так называемая инверсная населенность.
Для создания инверсной населенности используется процесс, который
называется накачкой. В данном случае накачка осуществляется с помощью
мощной ксеноновой лампы-вспышки, которая переводит ионы хрома в
возбужденное состояние (на уровень E3). Далее происходит переход E3 → E2,
при котором энергия передается кристаллической решетке (идет на нагревание).
Возникает инверсная населенность.
При воздействии на такую среду случайного кванта, соотвествующего переходу
E2 → E1, происходит вынужденное излучение. При этом из одного кванта
получается два совершенно одинаковых кванта, затем четыре, восемь и т. д. В
результате образуется каскад совершенно одинаковых по своим
характеристикам фотонов.
На рис. 5.6. приведена принципиальная схема действия лазера. Как видно из
этого рисунка, если "первичные" кванты движутся под углом к оси, то они
вызывают каскад фотонов, уходящих через боковую поверхность ("первичные"
фотоны В и С на рис. 5.6 а). Коэффициент усиления таких каскадов обычно
мал. Эффект усиления в лазерах увеличивается за счет многократного
отражения фотонов, движущихся параллельно оси ("первичный" фотон А).
Устройство, обеспечивающее многократное отражение фотонов только одного
направления, называется резонатором.
Рис.5.6
Простейший резонатор представляет собой пару зеркал с общей оптической
осью, расположенных по разные стороны от активной среды. Одно из зеркал
является непрозрачным, другое - полупрозрачным. Они показаны на рис. 5.6.,
где приняты следующие обозначения: 1 - активная среда, 2 - непрозрачное
зеркало, 3 - полупрозрачное зеркало.
Лазерное излучение обладает рядом замечательных свойств. Оно является
остронаправленным, полностью поляризованным, обладает большой
мощностью, высокой монохроматичностью и когерентностью.
Необычные свойства лазерного излучения находят широкое применение.
Лазеры применяют для обработки, резания и микросварки твердых материалов,
например, для высверливания в алмазах отверстий. В медицине лазерный луч
успешно используют для "приваривания" отслоившейся сетчатки к тканям
глазного дна, для разрушения опухолей и хирургических операций на
внутренних органах, а в биологии, например - для стимулирования роста
растений. Острая направленность лазерного луча позволяет применять его для
космической связи, передачи энергии на большие расстояния. Лазеры
используют в программах противоракетной обороны. Лазерные дальномеры
применяют для сооружения крупногабаритных устройств (мосты, ускорители
заряженных частиц, радиотелескопы и т. д.). Таким образом, область
применения лазеров огромна и с каждым годом все расширяется.