Квантова оптика
Відповідно до основних положень квантової теорії Планка і Ейнштейна, випромінювання, і, зокрема, видиме світло володіє корпускулярними властивостями. Очевидно, що за певних умов ці властивості повинні проявлятися в оптичних експериментах.
Клас оптичних явищ, для пояснення яких слід залучати уявлення про кванти енергії випромінювання та їх носіях – фотонах, отримав назву явищ квантової оптики. Такі явища пов’язані, насамперед, із взаємодією випромінювання з речовиною, яка вдається описати як взаємодія частинок випромінювання (фотонів) з частками речовини. Розглянемо два таких явища квантової оптики.
Фотоефект. Визначимо зовнішній фотоефект як явище випускання електронів речовини під дією випромінювання. Вперше фотоефект був відкритий в 1887 р Г. Герцем, який виявив, що іскровий розряд між двома металевими кульками відбувається значно інтенсивніше, якщо один з кульок висвітлювати ультрафіолетовими променями. Вимірювання питомого заряду вилітають з металу під дією випромінювання частинок дозволило встановити, що частки є електронами.
Хоча емісія електронів під дією випромінювання спостерігається практично для всіх речовин, найбільш часто фотоефект пов’язують з металами, в яких існують відірвані від атомів “вільні” електрони, утримувані всередині металу деяким енергетичним бар’єром поблизу його поверхні. Долаючи цей бар’єр при вильоті з металу, електрон робить роботу виходу, витрачаючи на це частину своєї кінетичної енергії. Робота виходу електронів з металів складає порядку декількох електрон-вольт.
Детальний експериментальне дослідження закономірностей зовнішнього фотоефекту для металів було виконано в 1888 р А. Г. Столетова на установці з фотоелементом, схема якої наведена на рис. 1.12. Фотоелемент у вигляді вакуумної двоелектродної лампи має металевий катод К, який при висвітленні його через кварцове віконце видимим світлом або ультрафіолетовим випромінюванням випускає електрони. Вилетіли з катода фотоелектрони, досягаючи анода А, забезпечують протікання в ланцюзі електричного струму, який фіксується гальванометром або миллиамперметром. Спеціальна схема підключення джерела дозволяє змінювати полярність напруги, що подається на фотоелемент.
Позитивне напруга відповідає прискорює електричному полю, в яке потрапляють вилітають з катода електрони. Тому, в області позитивних напруг все випускаються катодом електрони досягають анода, обумовлюючи фототок насичення.
Невеликий спад фотоструму при малих позитивних напругах, який спостерігається в дослідах, пов’язаний з контактною різницею потенціалів між катодом і анодом. Нижче, при обговоренні закономірностей фотоефекту ми будемо нехтувати впливом контактної різниці потенціалів.
При негативному напрузі іспущенний катодом електрон потрапляє в гальмівне електричне поле, подолати яке він може лише маючи певний запас кінетичної енергії. Електрон з малою кінетичною енергією, вилетівши з катода, не може подолати гальмуюче поле і потрапити на анод. Такий електрон повертається на катод, не даючи вкладу в фототок. Тому, плавний спад фотоструму в області негативних напруг вказує на те, що вилітають з катода фотоелектрони мають різні значення кінетичної енергії.
При деякому негативному напрузі, величину якого називають задерживающим напругою (потенціалом), фототок стає рівним нулю. Відповідне гальмуючий електричне поле при цьому затримує всі вилітають з катода електрони, включаючи електрони з максимальною кінетичної енергією.
Спроби пояснити закономірності фотоефекту з використанням класичної хвильової теорії, в якій випромінювання розглядалося як електромагнітні хвилі, приводили до висновків, протилежним спостережуваним в експерименті. Дійсно, пояснюючи виривання електронів з металу силовим впливом на них з боку електричного поля хвилі, така теорія неминуче приходила до висновку про те, що максимальна кінетична енергія фотоелектронів повинна визначатися світловим потоком, падаючим на катод. Наявність червоної кордону у фотоефекту також суперечило висновкам хвильової теорії.
Саме для пояснення експериментів по фотоефекту в 1905 р Ейнштейн запропонував концепцію фотонів як частинок випромінювання, несучих квант енергії. Розглянувши в такій теорії процес взаємодії випромінювання з металом як процес непружного зіткнення фотона з вільним електроном металу, Ейнштейн легко пояснив закономірності фотоефекту. Дійсно, у такому процесі електрон набуває всю енергію від фотона, яка пропорційна частоті випромінювання. Число ж вирваних з металу електронів і, тим самим, фототок насичення, пропорційно числу падаючих на метал фотонів, яке визначається величиною потоку енергії випромінювання.
Таким чином квантова теорія випромінювання, на відміну від хвильової теорії, досягає успіху в поясненні фотоефекту. Єдиним запереченням до квантовому поясненню фотоефекту міг би виступити відомий (див. Задачу 1.7) висновок теорії про те, що вільний електрон не може поглинути фотон, оскільки такий процес заборонений законами збереження енергії та імпульсу. Це заперечення, однак, знімається, якщо врахувати, що в металі електрон взаємодіє з атомами кристалічної решітки. Тому при поглинанні електроном фотона частина імпульсу фотона може бути передана кристалічній решітці металу.
На користь квантової природи фотоефекту вказують також і висновки дослідів Е. Майера і В. Герлаха, які в 1914 р досліджували фотоелектричний ефект на найдрібніших частинках металевого пилу. У цих дослідах вдалося оцінити час, за який частинка набуває енергію від випромінювання, достатню для емісії електрона. Цей час виявився значно менше часу порядку декількох секунд, яке мало пройти для накопичення енергії порошиною, якщо вважати, що енергія накопичується за рахунок поглинання електромагнітної хвилі.
Важливою кількісною характеристикою фотоефекту є квантовий вихід, що визначає число вилетіли електронів, що припадають на один падаючий на метал фотон. Поблизу червоною кордону для більшості металів квантовий вихід складає близько 10-4 електрон / фотон. Трохи квантового виходу обумовлена??тим, що енергію, достатню для виходу з металу зберігають тільки ті електрони, які отримали енергію від фотонів на глибині від поверхні, що не перевищує 0,1 мкм. Крім того, поверхня металів сильно відбиває випромінювання. Зі збільшенням енергії фотонів, тобто із зменшенням довжини хвилі випромінювання квантовий вихід збільшується, складаючи електрон / фотон для енергії фотонів порядку одного електрон-вольта. Для рентгенівського випромінювання з енергією фотонів еВ вже практично на кожні десять падаючих на поверхню фотонів припадає один вилетів з металу електрон.
Прилади, в основі пристрою яких лежить фотоефект, називають фотоелементами. Звичайний вакуумний фотоелемент являє собою вакуумовану колбу, внутрішню поверхню якої, за винятком невеликого віконця для доступу світла, покриває тонка плівка з металу з малою роботою виходу (цезій, калій, натрій). Анод являє собою дротове кільце в центрі колби. Між катодом і анодом прикладається прискорює напруга порядку В. Фотоелементи знаходять широке застосування в техніці (фотореле, люксметри, системи звукозапису на плівку і ін.). Останнім часом конкурентом вакуумних фотоелементів стали фоторезистори, в основі роботи яких лежить внутрішній фотоефект в напівпровідниках.
Зовнішній фотоефект використовується також в фотоелектронних помножувачах (ФЕУ) – сучасних електронних приладах для реєстрації та перетворення слабких світлових сигналів. Такі прилади широко застосовуються в астрономії, прикладної оптики, ядерної фізики. У ФЕУ фотоелектронна емісія поєднується з системою множення кількості електронів, дія якої базується на явищі вторинної електронної емісії.
Ефект Комптона. При великій енергії фотонів, зокрема, для рентгенівського випромінювання (МеВ) процес поглинання фотонів електронами речовини стає малоймовірним. У цьому випадку при взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною спостерігається його розсіювання зі зміною напрямку розповсюдження.
У 1923 р А. Комптон, вивчаючи розсіювання рентгенівського випромінювання на парафіні, виявив, що довжина хвилі розсіяного випромінювання більше, ніж довжина хвилі падаючого випромінювання. Такий ефект збільшення довжини хвилі випромінювання внаслідок розсіювання його речовиною отримав назву ефекту Комптона. Відкриття і пояснення цього ефекту квантової оптики в 1927 р було удостоєно Нобелівської премії з фізики.
Схематично експериментальна установка Комптона зображена на рис. 1.14. Рентгенівська трубка РТ була змонтована на обертається платформі, що дозволяло при її повороті змінювати кут розсіювання рентгенівського випромінювання, що потрапляє після мішені-розсіювача М у вимірювальний блок установки.
Слід зауважити, що значна частина електронів речовини не є вільними, а пов’язані з атомами. Якщо енергія кванта випромінювання велика в порівнянні з енергією зв’язку електрона, то розсіювання на такому електроні відбувається як на вільному електроні. Інакше розсіюючись на зв’язаному електронної, фотон обмінюється енергією і імпульсом фактично зі всім атомом в цілому. При такому розсіянні для розрахунку зміни довжини хвилі випромінювання також можна застосувати формулу (1.66), де, однак, під слід розуміти вже масу всього атома. Ця зміна виявляється настільки малим, що його не можна практично виявити експериментально.
У реальних дослідах з розсіювання випромінювання речовиною частина електронів поводиться як вільні, а частина – як пов’язані. Тому в розсіяному випромінюванні спостерігається як зміщена (комптонівська) лінія, так і несмещенная (томсоновская) лінія. Зі збільшенням атомного номера розсіювача відносна частка зв’язаних електронів збільшується, що призводить до падіння інтенсивності комптонівської компоненти в спектрі розсіяного випромінювання і до зростання інтенсивності томсоновской компоненти.
У діапазоні енергій квантів МеВ Комптон-ефект є основним фізичним механізмом енергетичних втрат – випромінювання при його поширенні в речовині. Тому комптонівське розсіювання широко використовується в дослідженнях – випромінювання атомних ядер. Воно лежить в основі принципу дії деяких гамма-спектрометрів.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)