Излучение и атомные системы

ПОЛУКЛАССИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ИЗЛУЧЕНИЕМ И АТОМНЫМИ СИСТЕМАМИ [c.211]

Экспериментальные данные об энергии могут быть получены по испусканию или поглощению веществом излучения. Такие сведения о тепловом излучении и атомных спектрах накапливались в течение многих лет. Ранние попытки объяснить наблюдаемое тепловое излучение, применяя классические законы Ньютона к атомным системам, были только отчасти удовлетворительны. Например, в излучении абсолютно черного тела количество излученной энергии для коротких волн мало оно возрастает с увели- [c.70]

Создание лазеров — источников когерентного света, основанных на использовании вынужденного излучения в атомных системах,— оказало большое влияние на развитие различных областей науки и техники. Замечательные свойства лазерного излучения, к которым относятся высокие плотности энергии и мощности излучения, исключительно высокая направленность, возможность фокусировки излучения в пятно малого размера, широкий диапазон регулирования временных и энергетических параметров, превратили лазерный луч в уникальный по своим возможностям и надежный инструмент для выполнения различных технологических операций и научных исследований. [c.3]

Получение и применение ультракоротких световых импульсов основано на поглощении и излучении фотонов атомными системами (например, атомами или молекулами). Протекание этих процессов во времени определяется как свойствами непосредственно участвующих частиц, так и их взаимодействием между собой и с другими атомными системами. Последние обычно описываются суммарно как термостат. [c.15]

Для введения в круг проблем мы начнем с представления об элементарных процессах излучения. Затем последует обзор быстропротекающих процессов (в частности, процессов релаксации) в газах, жидкостях и твердых телах. Мы приведем также основные уравнения, описывающие взаимодействие между световыми импульсами и атомными системами и учитывающие процессы релаксации. [c.15]

На различные процессы взаимодействия излучения с атомными системами существенно влияет релаксация атомов или молекул. Причины релаксации станут понятными, если при реальной оценке атомных систем, которые первоначально рассматривались как изолированные, учесть влияние окружающей систему среды. Такой учет является неизбежным. Рассмотрим, например, определенную молекулу в газе. Ее поведение в первом приближении определяется электронной и ядерной структурой изолированной молекулы. Однако вследствие, например, стохастического, поступательного движения окружающие молекулы будут влиять на данную молекулу. Другими примерами релаксационных механизмов могут служить воздействие тепловых колебаний решетки в твердых телах и спонтанное испускание. Здесь речь идет о необратимых процессах, которые характеризуются связью между интересующей нас динамической системой (с относительно малым числом степеней свободы) и диссипативной системой с очень большим числом степеней свободы. Такая система образуется окружением и называется термостатом. Гамильтониан такой системы в целом состоит из трех частей [c.43]

ДОМ в электромагнитное поле от фотонов спонтанного излучения), а атомная система рассматривается в рамках квантовой механики, т. е. ее состояние IY> представляется в виде суперпозиции собственных энергетических состояний и ) и lw ,>, соответствующих собственным значениям и таким образом, [c.22]

В настоящем томе для описания нелинейных оптических явлений применяется квантовая теория в формулировке Дирака. Основные определения и законы этой системы понятий сопоставлены в В2.1. Мы будем на них ссылаться позднее, не прерывая изложения конкретных проблем НЛО включением общих квантовомеханических закономерностей. Мы будем также опускать доказательства и далеко идущие интерпретации, ограничиваясь указанием учебной литературы [В2.-1, В2.-2]. В В2.2 будет рассмотрено применение основополагающих квантовомеханических закономерностей к определенным общим проблемам, соответствующие результаты понадобятся для квантовомеханического описания поля излучения и взаимодействия излучения с атомными системами. [c.71]

Рождение и уничтожение фотонов описывается с помощью представленного в гл. 1 формализма, в котором для фотонов применяются операторы числа частиц, рождения и уничтожения. Во многих случаях описание взаимодействия излучения с веществом значительно упрощается, если описывать также и атомные системы с помощью того же формализма, что и для электромагнитного поля, а именно вводить в рассмотрение операторы рождения и уничтожения возбужденных состояний. Как известно, такое описание атомной системы может быть выполнено при помощи формализма вторичного квантования общее представление читатель найдет в [В2.-2]. [c.93]

При квантовом описании взаимодействия излучения с веществом (имеется в виду взаимодействие электромагнитного излучения с атомными системами, т. е. с атомами, ионами, молекулами, кристаллами, жидкостями) изолированное поле излучения и.изолированная атомная система первоначально рассматриваются как независимые подсистемы. Возникающее между этими подсистемами взаимодействие влечет за собой модификацию свойств атомной системы под влиянием поля излучения, и наоборот, создается единая система с новыми свойствами. В соответствии с этими представлениями гамильтониан всей системы имеет вид сумм двух гамильтонианов для невозмущенных подсистем и гамильтониана взаимодействия, вычисление которого основывается на классическом описании. Поэтому мы рассмотрим [c.175]

В разд. 2.32 мы видели, что при полуклассическом рассмотрении взаимодействия излучения с атомными системами, которые не связаны ни между собой, ни с какой-либо другой системой, возникают специфические трудности. Например, приходилось исключать все случаи, в которых частота некоторой компоненты поля излучения или какая-нибудь суммарная или разностная частота попадает в (острый ) резонанс с одной из частот переходов. [При последовательном квантовом описании удается избежать возникновения таких проблем путем автоматического учета различных механизмов затухания, например радиационного затухания (ср. пп. 3.111 и 3.112).] Указанным способом при применении результатов разд. 2.32 можно трактовать процессы, свободные от потерь (ср. разд. 2.23), такие как генерация высших гармоник и параметрические эффекты вне областей резонанса, но не многофотонное поглощение или излучение или вынужденное комбинационное рассеяние. Поэтому важно расширить модели таким образом, чтобы они позволяли правильно учесть ограниченную память атомной системы и были применимы для исследования резонансных эффектов (ср. разд. 2.31). С точки зрения уменьшения расчетных трудностей весьма целесообразными оказались модели, в которых взаимодействие всех отдельных атомных систем между собой и с другими системами со многими степенями свободы не учитывается в явном виде. Вместо такого учета в уравнения для отдельной атомной системы вводится глобальный механизм потерь в виде связи с тепловым резервуаром . Такой подход мы уже описали в разд. В2.27 и 2.24, и теперь мы можем непосредственно воспользоваться полученными там результатами. При этом мы обсудим наиболее подробно вычисление восприимчивостей первого порядка, а затем обобщим результаты на высшие порядки. [c.238]

Мы ВИДИМ, ЧТО интенсивность излучения пропорциональна квадрату числа частиц, в отличие от некогерентного спонтанного излучения, интенсивность которого пропорциональна первой степени числа частиц. Этот коллективный эффект излучения является оптическим аналогом свободного индукционного распада в спектроскопии ядерного резонанса и поэтому называется также оптическим свободным индукционным распадом. Само собой разумеется, что эти процессы спонтанного излучения должны быть описаны на основе квантовой теории однако квантовые расчеты приводят в основном к тем же самым результатам—например, в том, что касается зависимости интенсивности от числа частиц [9, 3.21-1]. Коллективный эффект поляризации и излучения затухает со временем релаксации т, если справедливо сделанное нами предположение о том, что можно пренебречь влиянием процесса излучения на атомные системы по сравнению с влиянием на них безызлучательных релаксационных процессов. После этого затухания некогерентные спонтанные процессы могут, вообще говоря, продолжаться, пока инверсия не достигнет своего равновесного значения у/- Когерентный и некогерентный процессы отличаются друг от друга не только временной зависимостью, но также и характеристиками выходного излучения и поведением поляризации. [c.414]

Как следует из результатов гл. 3, типичные процессы взаимодействия излучения с атомными системами могут описываться с достаточной точностью при помощи методов теории возмущений, зависящих от времени. При этом последовательные приближения, приводящие к уравнениям (В2.21-11) и (В2.21-12), после некоторого конечного числа щагов обрываются. Такая возможность описания основана как на структуре важнейших характеристических соотношений между величинами, доступными измерению, так и на количественных результатах. Благодаря зависимости оператора взаимодействия от операторов рождения и уничтожения фотонов и от напряженности электрического поля применяемая методика позволяет также осуществить классификацию процессов по числу фотонов, участвующих в элементарном акте или по порядку величины определяющих компонент поляризации. Однако из разд. В2.21 следует, что результаты приближенного расчета такого рода могут быть поставлены под сомнение при сильных взаимодействиях, т. е. при высоких интенсивностях излучения, а также при больших длительностях взаимодействия. [c.480]

В 1913 г. Бор применил квантовую гипотезу к атомным системам и вывел теоретически наблюдаемый спектр атома водорода. Ранее спектр был описан уравнением, содержащим эмпирическую постоянную Ридберга, которую по теории Бора можно вычислить с помощью известных физических постоянных, включая постоянную Планка h. Успех квантовой гипотезы в объяснении излучения черного тела и спектра атомарного водорода обеспечил твердую основу для развития новой механики, которая может дать все результаты классической механики и правильные ответы на вопросы, которые классическая механика не могла разрешить. [c.71]

Оптические переходы. В основе квантовомеханических представлений лежит подтвержденная экспериментальными фактами идея о том, что атомные системы могут пребывать лишь в состояниях с дискретными значениями энергии Ei, L 2, 3,. .. Согласно Бору, излучение и поглощение атомами электромагнитных волн связано с переходами атомов с одних энергетических уровней на другие, причем энергия излучения (или поглощения) при каждом таком переходе определяется как [c.338]

Опытное исследование строения атома показало, однако, что указанная модель не верна и атом состоит из положительного заряда (ядра) очень малого диаметра (меньше 10" см), вне которого движется соответствующее число электронов. Сила, удерживающая каждый электрон, конечно, не будет иметь вид —Ьг и окажется гораздо сложнее. Вопрос о том, каким образом при таком расположении зарядов возможно почти монохроматическое излучение, мы оставляем пока в стороне. Причина лежит очень глубоко и заключается в том, что ни излучение атомов, ни поведение зарядов внутри атомной системы не подчиняются законам классической механики и электродинамики, установленным при изучении макроскопических объектов. Для правильного описания таких внутриатомных, микроскопических процессов надо обратиться к законам, установленным квантовой теорией, по отношению к которым макроскопические законы являются лишь первым приближением, достаточным [c.550]

Действительно, движение электронов по окружностям или вообще по криволинейным орбитам, есть движение ускоренное и согласно законам электродинамики должно сопровождаться излучением света соответствующей частоты. В частности, при равномерном обращении по окружности частота излучения равна частоте обращения при более сложных периодических движениях излучение можно представить как ряд монохроматических компонент, в соответствии с теоремой Фурье. Однако при таком движении, например круговом, в результате излучения будет уменьшаться энергия атомной системы и вместе с ней будет уменьшаться рас- [c.720]

Бор обобщил идеи Планка, предположив, что и в случае атома Резерфорда непрерывное излучение, требуемое классической электродинамикой, не имеет места. Для истолкования линейчатых спектров подобного атома нужно предположить, что лучеиспускание атомной системой происходит не так, как по обычным макроскопическим представлениям, вследствие чего при помощи этих представлений нельзя определить частоту излучения. Бор предположил, что излучение обладает частотой V, определяемой следующим условием для частоты [c.721]

В соответствии с законом сохранения энергии переходы атомной системы из одного стационарного состояния в другое связаны с получением системой энергии или ее отдачей. Ими могут быть либо переходы с излучением или поглощением (оптические переходы), когда атомная система поглощает или испускает электромагнитное излучение, либо переходы без излучения (безызлучательные, или неоптические, переходы), когда происходит непосредственный обмен энергией между рассматриваемой атомной системой и окружающими системами, с которыми она взаимодействует. [c.225]

По второму постулату электромагнитное излучение, связанное с переходом атомной системы из стационарного состояния с энергией Еп в стационарное состояние с энергией Е,,,, является монохроматическим и его частота V определяется соотношением [c.225]

Монохроматичность лазерного излучения исключительно высока. Поглощение и испускание атомной системы характеризуются некоторым интервалом частот, который называется шириной спектральной линии (или полосы). У лазерного излучения этот интервал чрезвычайно узок, что и определяет его высокую монохроматичность. [c.280]

В атомах щелочных металлов внещний (валентный) электрон связан с ядром значительно слабее, чем остальные (внутренние) электроны, которые образуют с ядром компактный комплекс, называемый атомным остатком. Излучение и поглощение света атомами щелочных металлов связаны с переходами только внешнего ( оптического ) электрона электроны же атомного остатка в переходах не участвуют. Таким образом, атомы щелочных металлов по строению электронной оболочки приближаются к одноэлектронным системам, причем роль ядра у них играет атомный остаток. Поле, создаваемое атомным остатком, является сферически симметричным. На больших расстояниях г от атомного остатка потенциальная энергия оптического электрона равна [c.53]

Квантовая теория Бора позволяет определить лишь частоты, испускаемые атомной системой, ничего не говоря об интенсивности света и его поляризации. Однако, исходя из того, что классическая теория дает в случае далеких орбит правильные частоты, можно предположить, что она дает и правильные амплитуды и поляризацию излучения. [c.42]

В этом разделе мы изучим некоторые особенности процессов поглощения и вынужденного излучения, происходящих в двухуровневой атомной системе под действием монохроматической электромагнитной волны, В частности, в нашу задачу будут входить 1) вычисление вероятностей поглощения W12 а вынужденного излучения W2, когда W 2 п W2 определяются выражениями (1.5) и (1.3) соответственно 2) введение и расчет сечений поглощения и излучения [см. формулы (1.4) и (1.6)] 3) определение двух новых параметров — коэффициента поглощения и коэффициента усиления, которые во многих случаях могут быть непосредственно измерены с помощью простых экспериментов. [c.34]

Вернемся теперь к рассматриваемой нами задаче двухуровневой атомной системы. При спонтанном излучении атом испытывает переход 2-v 1, и для описания волновой функции атома можно снова применить выражение (2.29). Следовательно, приобретаемый атомом дипольный момент М описывается все тем же выражением (2.32). В действительности для состояний определенной четности первые два члена в выражении (2.32) равны нулю, поскольку как ы 2, так и ы2 — четные функции координаты г. В любом случае эти два члена не зависят от времени. Если для простоты рассмотреть состояния с определенной четностью, то выражение (2.32) упрощается, и мы приходим к выражению (2.33), т. е. [c.58]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, которое связано с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние. [c.90]

Величины 4а ( ь) и 012 (соь) называются коэффициентом поглощения и поперечным сечением атомной системы. [В случае часто вводят в рассмотрение коэффициенты усиления g y( o)=— а(со).] Эти соотношения получены в предположении, что вклады отдельных молекул аддитивны. В плотных газах, жидкостях и твердых телах справедливость этого предположения следует проверять в каждом отдельном случае. Ясно что при N >N2 (это неравенство всегда выполняется, например, в случае теплового равновесия) процессы поглощения преобладают, вследствие чего проходящее излучение ослабляется. Напротив, при N2>N происходит усиление вынужденного излучения. Зная вероятности переходов в единицу времени, можно также рассчитать изменения населенностей уровней системы, вызванные элементарными процессами излучения. Вследствие процессов поглощения число возбужденных систем [c.21]

В гл. 2 приводятся физические и методические основы взаимодействия между излучением и атомными системами в квантовофизическом и полуклассическом представлениях. Исходя из основополагающих соотношений, авторы рассматривают типичные приближенные методы, которые в соответствии с заданными геометрическими величинами, энергетической структурой и с учетом роли диссипативной системы позволяют дать в ясной форме описание процессов и характеризующих их параметров. [c.9]

В разд. 2.13 мы дали квантовое описание взаимодействия между электромагнитным излучением и атомными системами, причем было установлено, что только таким путем может быть достигнуто полное согласие со всеми экспериментальными фактами. В особенности это относится к явлениям спонтанного излучения и к устанавливающимся индуцированным процессам. Однако для многих важных классов явлений уже полуклассическое описание (ср. разд. 2.12), т. е. описание взаимодействия классических электромагнитных полей с квантованными атомными системами, приводит к результатам, достаточно хорошо согласующимся с экспериментальными данными. В связи с обсуждением свойств изолированного поля излучения в п. 1.322 было показано, что поля с высокой напряженностью и с малыми изменениями этой напр-яженности могут быть изучены на основе классической теории.В этом смысле электромагнитные поля в НЛО можно трактовать классически (если только не интересоваться возникновением волн из спонтанного процесса, из шумов и ограничиться взаимодействием сильных когерентных волн). Благодаря этому вычисления становятся проще и нагляднее, а отчасти вообще впервые становятся выполнимыми в явном виде. [c.211]

Если считать далее, что взаимодействие между полем излучения и атомной системой является слабым, в связи с чем населенность уровня b возрастает незпачитечьно и остается примерпо постоянной, то (3.61) мо/ыю переписать в виде [c.83]

Квантовая электроника достигла больших успехов в создании лазерных источников света с высокой напряженностью поля, хорошими когерентными свойствами, перестраиваемой частотой и регулируемым распределением излучения во времени. Созданы также регистрирующие устройства высокого временного и спектрального разрешения. С помощью этой новой совершенной аппаратуры в последние годы удалось провести многочисленные и качественно новые эксперименты по взаимодействию межДу электромагнитными полями н атомными системами. Одновременно продолжалось теоретическое изучение таких взаимодействий и была создана теория процессов, происходящих в сильных когерентных полях, причем в зависимости от характера конкретных процессов на передний план в большей или меньшей степени выдвигались квантовые свойства атомных систем нли поля излучения. В некоторых случаях учитывались сразу квантовые свойства как атомных систем, так и поля излучения. Эти экспериментальные и теоретические исследования в нелинейной оптике позволили получить принципиально новую информацию о процессах взаимодействия между светом и атомными системами в различных состояниях, а также о физических и химических свойствах веществ и о параметрах процессов, влияющих на ход нелинейных оптических явлений. Открылись новые горизонты в спектроскопии, фотофизике, фотохимии и квантовой электронике, а также в области их технических применений. [c.8]

Приближение сильного сигнала. Рассмотрение, проведенное нами в пп. 3.3 и 3.4, основывалось на приближении слабого сигиала постольку, поскольку предполагалось, что вероятность обнаружения атома па верхнем уровне остается постоянной в течение времени взаимодействия излучения с атомной системой. Б основе аппроксимации п. 3.3 лежало предположение, что временная зависимость коэффициента, описывающего верхний уро-лень, определяется только мнимой экспонентой (см. уравнение (3.78)). Далее вычислялась вероятность нахождения атома на нижнем уровне и для случая широкополосного излучения было найдено, что с переходом с верхнего на нижний уровень можно связать не зависящую от времени вероятность перехода. В п. 3.4 влияние атома на монохроматическое поле излучения было проанализировано в рамках представления о наведенной поляризации [c.89]

Таким образом, излучение, испускаемое атомной системой при наличии знеитиего излучения, состоит из двух частей спонтанного, иропорциоиального Л и вынужденного (индуцированного), цро-порционального [c.31]

Невозбужденные атомы, находящиеся на нижнем уровне с энергией ь будут под влиянием внешнего электромагнитного поля переходить в возбужденное состояние 2, поглощая энергию 2— 1 = /гт. Очевидно, что вероятность перехода с поглощением в интервале частот V, v-Ьiiv будет пропорциональна спектральной плотности излучения V и некоторому коэффициенту 12, характеризующему вероятность возбуждения данной атомной системы. Таким образом, вероятность поглощения в [c.142]

К представлениям о световых квантах привели два направления исследований. Первое связано с проблемой теплового излучения, второе — с атомными спектрами. Первоначально эти направления развивались независимо друг от друга. Так было до 1916 г., когда появились фундаментальные работы Эйнштейна Испускание и поглощение излучения по квантовой теории и К квантовой теории излучения . В первой работе, опираясь на теорию Бора, Эйнштейн рассмотрел задачу о взаимодействии равновесного излучения с равновесной системой испускаюш,их и поглош,ающих атомов. Он показал, что для получения формулы Планка надо наряду с поглош,ением и спонтанным испусканием рассмотреть дополнительный процесс испускания, который может быть назван индуцированным (вынужденным). Во второй работе обоснована необходимость учитывать изменение импульса атома при испускании или иоглощении им светового кванта здесь же сделан вывод, что импульс светового кванта равен /ioj/с. [c.68]

Квантовая теория излучения. Процесс И. квантовой системы (атома, атомного ядра, молекулы) подчиняется квантовым закоиам (си. Квантовая электродинамика). В квантовой теории И. эл.-магп. поле рассматривается как совокупность квантов эл.-магн. поля — фотонов. Энергия фотона е пропорц, его частоте 8=/гш, импульс р — его волновому вектору/с p = hk. И. одного фотона квантовой системой сопровождается переходом этой системы из состояния с энергией в состояние с энергией Т. к. энергия квантовой систе- [c.105]

В физике Э. с. в. принимается наиб, широкое толкование понятия вещества как субстанЕщи, играющей роль строительного материала физ. тела протяжённая (и потому не чувствительная к форме и размерам) система частиц и полей, составляющих основу внутр. структуры тела. Такое определение охватывает наряду с обычным, состоящим из электронов и атомных ядер веществом элек-тронно-дырочную жидкость s полупроводниках, адронные системы (нейтронное вещество, пионный конденсат, кварк-глюонная плазма), системы фотонов (излучение) и элек-трон-позитроиных пар и др. С нек-рыми оговорками сюда же относится материал микроскопич. систем типа тяжёлого ядра ядерная материя) или сгустка вторичных частиц, порождённых соударением частиц высоких энергий. Особым типом вещества нужно считать вакуум (вакуумное состояние)—сложную систему виртуальных частиц. [c.506]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...