Классическая теория излучения И поглощения

Классическая теория излучения и поглощения [c.214]

Глава 13. Классическая теория излучения и поглощения [c.216]

Наглядное представление о происхождении колебательных спектров можно получить на основе классической модели колебания двухатомной молекулы. Согласно электромагнитной теории света, излучение и поглощение электромагнитной энергии связано с движущимися зарядами. Величина излучаемой и поглощаемой энергии зависит от изменения дипольного момента молекулы при ее колебании. Если дипольный момент при колебании не меняется, то излучения или поглощения энергии не происходит. [c.97]

Спустя пять лет А. Эйнштейн (1905 г.) ввел понятие кванта света, или фотона ( атома света), величина которого представляла собой произведение кванта действия h на частоту колебаний v (т. е. hv). В итоге этогО обнаружилась глубоко противоречивая природа света с одной стороны, волновая (непрерывная), как это установила классическая оптика, с другой стороны — дискретная (прерывистая), как это открыла квантовая физика. Однако обе эти противоположные стороны не были приведены еще-к внутреннему единству, а как бы сосуществовали одна рядом с другой, разделив между собой всю область оптики та ее часть, которая изучала распространение света, опиралась на прежнюю волновую теорию, поскольку свет распространялся волнообразно как непрерывное образование та же часть оптики, которая изучала излучение и поглощение света, опиралась на новую квантовую теорию, поскольку эти процессы происходили как прерывистые (свет излучался и поглощался определенными порциями). Такое положение в физике сохранялось почти до конца первой четверти XX в. [c.447]

Квантовые свойства С., обнаружившиеся при изучении спектров и действий С., не объяснимы теорией Максвелла. Для создания единой теории С., обнимающей как законы распространения, так и процессы излучения и поглощения С., необходима новая квантовая электродинамика. Отсутствие таковой заставило наряду с волновым представлением о С. пользоваться во многих случаях видоизмененной корпускулярной теорией С. Помимо объяснения спектральных закономерностей и действий С. теория фотонов совместима с рядом явлений, которые ранее рассматривались ка1 очевидное доказательство волновой природы С. При этом необходимо помимо квантовых соотношений пользоваться выводами теории относительности. Примером может служить классический опыт Фуко, доказавший, что вопреки корпускулярной механич. теории Ньютона скорость С. в веществе меньше, чем в пустоте. Если корпускула Ньютона с массой т и скоростью с падает под углом г на границу раздела пустоты и среды и, преломляясь под углом г, движется со скоростью и, то тангенциальная слагающая количества движения корпускулы должна остаться неизменной при переходе границы, откуда следует, что [c.148]

КВАНТЫ, элементарные неделимые количества энергии (или действия), характеризующие прерывность атомных процессов и свойств света, совершенно чуждую представлениям классической физики. Понятие о К. введено в 1900 г. Планком для объяснения закона распределения энергии в спектре накаленного абсолютно черного тела. Для вывода этого закона необходимо предположить, что излучение и поглощение света в атомах происходит отдельными порциями— квантами величины hv (здесь h— универсальная постоянная, равная 6,55 10- эрг/ск., а V—частота световых колебаний). Открытие Планка получило широкое обобщение в теории Н. Бора, основанной главн. образ, на анализе линейчатых спектров атомов. Центром теории Бора являются два квантовых постулата. [c.37]

В классической теории каждый электрон, участвующий в излучении и поглощении света, заменяется осциллятором. Сумма чисел осцилляторов, следовательно, равна просто числу электронов в атоме. Квантовым аналогом этого положения является теорема о сумме сил осцилляторов, согласно которой сумма З/пп по всем возможным переходам в атоме [c.256]

Однако классическая физика и, в частности, электронная теория оказались недостаточными для истолкования явлений атомного масштаба. Потребовалось введение квантовых представлений. Необходимость и плодотворность последних обнаружилась ранее всего при изучении проблемы распределения энергии в спектре черного излучения, т, е. температурного излучения абсолютно черного тела. Применение к это й проблеме принципов классической физики приводило к глубоким противоречиям с опытом. Планк (1858—1947) В конце 1900 г. получил согласующуюся с опытом формулу для распределения энергии в спектре черного излучения. При этом он ввел чуждое классической физике представление, что излучение й поглощение света осуществляется не непрерывно, а конечными порциями, или квантами энергии, причем величина кванта определяется выражением (1,1). Для решения проблемы черного излучения Планку достаточно было принять, что этот квантовый характер излучения и поглощения света относится к статистическим Процессам. Через пять лет Эйнштейн показал, что его необходимо распространить и на элементарные процессы. Согласно Эйнштейну, не только излучение и поглощение, но и распространение света Б пространстве происходят конечными порциями — квантами света, обладающими определенной энергией и определенным импульсом. Так возродилось представление о частицах света, названных позднее фотонами. [c.30]

Гипотеза фотонов позволила прежде всего объяснить загадочные закономерности в явлениях фотоэффекта, совершенно непонятные с точки зрения классической волновой теории света. Существование импульса у фотонов было доказано открытием в 1923 г. аффекта Комптона — изменения длины волны при рассеянии рентгеновского излучения. Гипотеза световых квантов позволила понять химические действия света и их закономерности. Квантовый характер излучения и поглощения света был использован Бором (1885—1962) для объяснения спектральных закономерностей. [c.30]

Классическая теория не дает объяснения эффекта Штарка, как и всякого явления, связанного с излучением и поглощением спектральных линий. Его теория — существенно квантовая и не может быть изложена в этом томе. [c.572]

Классическая теория комбинационного рассеяния, как и всякого явления, связанного с излучением и поглощением света, конечно, недостаточна. Успехи этой теории связаны с относительно большими массами атомных ядер, благодаря чему многие особенности их колебаний правильно передаются уравнениями классической механики. Однако классическая теория объясняет не все закономерности комбинационного рассеяния света. В частности, она не может объяснить соотношения между интенсивностями соответственных красных и фиолетовых сателлитов. По классической теории [c.617]

Квантовомеханический расчет мощности индуцированных процессов приводит к вычислению разностей вероятностей излучения и поглощения. Вычисления в этой схеме обладают достаточно большой наглядностью, а характер поведения величины мощности можно просто объяснить, используя квантовомеханические соображения. Ниже мы рассмотрим эффект индуцированного излучения электронов, движущихся в. магнитном поле, методами квантовой теории и затем установим соответствие полученных результатов результатам классической теории. [c.164]

Классическая теория излучения, поглощения и дисперсии [c.40]

Поглощение света с точки зрения классической теории. Под действием электрического поля световой волны с круговой частотой со отрицательно заряженные электроны атомов и молекул смещаются относительно положительно заряженных ядер, совершая гармоническое колебательное движение с частотой, равной частоте действующего поля. Колеблющийся электрон, превращаясь в источник, сам излучает вторичные волны. В результате интерференции /j падающей волны со вторичной в среде возникает волна с амплитудой, отличной от амплитуды вынуждающего поля. Поскольку интенсивность есть величина. Рис. 11.10 прямо пропорциональная квадрату амплитуды, то соответственно изменится и интенсивность излучения, распространяющегося в среде другими словами, не вся поглощенная атомами и молекулами среды энергия возвращается в виде излучения — произойдет поглощение. Поглощенная энергия может превратиться в другие виды энергии. В частности, в результате столкновения атомов и молекул поглощенная энергия может превратиться в энергию хаотического движения — тепловую. [c.279]

Связь коэффициентов Эйнштейна с молекулярными постоянными может быть установлена как классическими, так и квантовомеханическими методами. Наибольшей интенсивностью характеризуются электрическое диполь-ное поглощение и испускание. Использовав выводы квантовой теории излучения, можно получить выражения [c.18]

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул гипотезу световых квантов. Он предположил, что дискретный характер присущ не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету. Гипотеза о корпускулярных свойствах света позволила объяснить результаты экспериментов по фотоэффекту, совершенно непонятные с позиций классической электромагнитной теории (см. 9.5). Однако представление о свете как потоке классических корпускул несовместимо с эмпирически совершенно явными волновыми свойствами света. Эйнштейн пришел к заключению, что природа излучения должна быть не такой, какой мы ее считаем в настоящее время . За этими словами скрывается то, что теперь принято называть двойственной природой света или корпускулярно-волновым дуализмом (см. 9.6). Корпускулярный аспект излучения проявляется наиболее отчетливо в коротковолновой части спектра, где для спектральной плотности и Т) справедлива формула Вина (9.24), волновой аспект — в длинноволновой, где применима формула Рэлея — Джинса (9.16). Ни один из этих аспектов не дает полного представления об излучении, ибо для полного объяснения наблюдаемых явлений необходимо их сочетание. Закон излучения Планка [c.434]

Но вывод закона излучения по методу Планка, приведенный в 9.2, в какой-то мере неудовлетворителен, поскольку он во многом основан на законах классической физики и лишь частично использует квантовые представления. В самом деле, формула (9.14), связывающая спектральную плотность энергии равновесного излучения ИЛ Г) со средней энергией <е) осциллятора, получена чисто классическим путем, так как поглощение и испускание света осциллятором рассчитывалось с помощью классической электродинамики, в то время как при нахождении <е> использована квантовая гипотеза о дискретных энергетических уровнях осциллятора. Успех такой эклектической теории связан со спецификой выбранной модели для осциллятора, как это уже отмечалось при обсуждении классической теории дисперсии (см. 2.3), классическое и квантовомеханическое рассмотрение процессов поглощения и испускания приводит к одинаковым результатам. [c.435]

Нетрудно заметить, что мы молчаливо обходили вопрос о вынужденном собственном излучении материала. В современной классической теории диэлектриков [72] вынужденное излучение соответствует особым фазовым соотношениям между осцилляторами и полем и проявляется в пониженном, в сравнении со случаем отсутствия соб-. ственного излучения, поглощении. [c.199]

Следующие параграфы посвящены развитию квантовой теории колебаний решетки, а также инфракрасного поглощения и комбинационного рассеяния света на фононах. Роль симметрии в подобных задачах хорошо известна. Если структура пространственной группы кристалла, ее представления и коэффициенты приведения известны, то остальное состоит в применении и конкретизации этих результатов в духе методов, используемых в аналогичных проблемах атомной, молекулярной и ядерной физики. Но чтобы представлять себе, как и где применять и конкретизировать методы теории групп, необходимо знать квантовую теорию соответствующих процессов. Здесь возможны различные уровни сложности, но мы использовали в основном гармоническое приближение квантовой теории колебаний решетки, чтобы показать, каким образом можно получить симметрию многофононных состояний в гармоническом приближении. Однако не представляет труда провести обобщение с учетом разрешенных по симметрии ангармонических процессов, если воспользоваться методами, известными из классической теории тензорного анализа. Теория инфракрасного поглощения и комбинационного рассеяния излагается в рамках полуклассической теории излучения, а также с разной степенью глубины и в более современных микроскопических подходах. Во всех случаях эффекты, связанные с симметрией, выделяются в явном виде. Это вновь иллюстрирует нашу стратегию изложения динамической теории в тесном един- [c.257]

Д.1.2. Расчет сечения поглощения (усиления) в классической модели Лоренца. Понятие вынужденного излучения строго вводится в квантовой теории излучения. Однако основные характеристики перехода, определяющие скорость и сечение вьшужденного излучения, могут быть легко рас- [c.294]

Поглощение, обусловленное вязкостью и теплопроводностью (а при дальнейшем уточнении ещё и излучением тепла), было вычислено в прошлом столетии Кирхгофом и Стоксом это поглощение принято называть классическим. Опыт, однако, показывает, что во многих случаях измеренное поглощение может значительно превосходить классическое. Дополнительное поглощение, не предусматриваемое классической теорией, связано с перераспределением энергии между различными степенями свободы газовых молекул. Мы должны принять во внимание, что, помимо энергии трёх степеней [c.442]

В рамках теории Бора резонансное свечение имеет иное истолкование, чем по классическим представлениям. Поглощение света частоты V соответствует сообщению атому энергии в количестве благодаря чему атом переходит в возбужденное состояние с энергией 2 = - 1 + где 1 — энергия его первоначального состояния. Будучи предоставленным самому себе, он вернется в первоначальное состояние с меньшей энергией и потому более устойчивое, отдав избыток энергии в виде излучения, которое согласно второму постулату Бора и будет иметь частоту V, т. е. будет иметь характер резонансного. То обстоятельство, что резонансное излучение натрия состоит из двух линий, доказывает, что атом натрия может существовать в двух дискретных, близких по энергии возбужденных состояниях (рис. 38.5). [c.728]

Наоборот, мы можем установить, какими свойствами должно обладать однородное тело, чтобы оно было черным . Для того чтобы вообще можно было говорить о геометрически падающем излучении, поперечные размеры тела должны быть значительно больше Я, т. е. Далее, чтобы избежать отражения на поверхности, нам нужно иметь т->, включая как 1, так и п - О. Наконец, для того чтобы сделать тело непрозрачным, необходимо, чтобы его размер в направлении пучка был бы достаточным для поглощения всего излучения, т. е. Эти условия являются в точности теми условиями, которые рассматривались выше. Таким образом, они характеризуют классическое черное тело в теории Максвелла. Эта аргументация имеет настолько общий характер, что пригодна для тел различных форм. Важное следствие состоит в том, что экран в теории дифракции никогда не может быть в одно и то же время черным и очень тонким (ср. примечание на стр. 383). [c.214]

По классической электромагнитной теории простейшей системой, которая может излучать электромагнитные волны, является электрический диполь, диполь-ный момент которого р = не постоянен во времени. На практике изменение дипольного момента может быть вызвано как изменением заряда д, что характерно для антенн радиодиапазона, так и изменением эффективного размера диполя (1 в классической модели атома. Процесс может развиваться в две стороны исходно возбужденный диполь может генерировать электромагнитную волну (излучение света), или диполь в невозбужденном состоянии способен резонансно поглощать внешнюю энергию высокочастотных электромагнитных волн (поглощение света). [c.214]

Элеме1ггарная квантовая теория. Получить формулу Планка в рамках классических представлений невозможно. Однако ее удается обосновать с помощью элементарных рассуждений, основывающихся на квантовьгх представлениях об излучении и поглощении света. Хотя эти рассуждения не дают полного количественного решения задачи об излучении абсолютно черного тела, они дают достаточно ясное представление о механизме динамического равновесия между излучением и материальными телами. [c.307]

Как было показано в предыдущих разделах, в переходном излучении могут присутствовать кванты с частотами, большими, чем оптические. Поэтому можно ожидать, что квантовая теория переходного излучения изменит результаты классической теории для больших частот [60.7]. Кроме того, аппарат квантовой теории позволяет рассчитать также и другие эффекты, возникающие при переходе частиц или фотонов из одной среды в другую и не имеющие классических аналогов. В качестве такого примера в настоящем разделе рассчитана вероятность конверсии фотона в электронно-позитронную пару при падении фотона на границу среды или при выходе из нее. В работах [77.2,80.2,81.2] с помощью аналогичного аппарата исследовано переходное рождение пионных пар при столкновении быстрых нуклонов с ядерной материей и вынужденное переходное излучение и поглощение. [c.161]

С. и. был выдвинут И. Бором в 19/3 г. (в т. н. старой квантовой теории до создания последовательной квантовой механики) в связи с проблемой интенсивности линий в спектрах излучения и поглощении атомов. В соответствующей этой проблеме частной формулировке С. п. гласит, что спектр излучения квантовой системы в своей длинноволновой части (т. е. при больших значениях квантовых чисел, характеризующих излучающий атом в начальном и конечном состояниях) должен совпадать со спектральным распределением, полученным из классич. электродинамики. Впоследствии, когда была создана вполне последовательная квантовая механика, особенности атомных спектров были объяснены па более глубокой основе, причем существенные черты математич. аппарата снова определялись С. п. Папр., из С. п. следует, что коммутационные соотношения между различными величипамп кваптовой теории даются классическими Пуассона скобка.ии, что еамильтониан фнзич. системы выражается через обобщенные координаты и импульсы так ке. как в классич. механике, и т. д. [c.580]

Кроме спонтанного испускания и поглощения Эйнштейн ввел представление о вынужденном (индуцированном или стимулированном) испускании. Под действием внешнего электромагнитного поля атомы, находящиеся в возбужденном состоянии (например, на уровне 2), могут согласно Эйнштейну либо поглощать энергию, переходя на более высокий уровень, либо, наоборот, отдавать энергию к = Ё2— ь возвращаясь на более низкий уровень энергии. Такие переходы являются вынужденными и обусловливают вынужденное испускание. Вероятность этих переходов в единицу времени есть 2lWv Величина Б21 называется коэффициентом Эйнштейна для вынужденного испускания. Если внешнее поле отсутствует (и = 0), то вынужденные переходы не происходят. Таким образом, внешнее электромагнитное поле вызывает переходы, сопровождающиеся как поглощением, так и испусканием энергии. Следует отметить, что существование вынужденного испускания не противоречит и классической теории. Согласно законам электродинамики электромагнитная волна, падающая на колеблющийся диполь, в зависимости от соотношения фаз их колебаний может усиливать или тормозить колебания диполя. Иными словами, излучение, падающее на атом, может заставлять последний не только поглощать, но и испускать соответствующие кванты энергии. [c.143]

Данная книга содержит описание как волновых, так и корпускулярных свойств света. Однако большее внимание уделено волновым свойствам. Обусловлено это тем, что большинство физических явлений, связанных с взаимодействием излучения и вещества, адекватно описывается так называемой полуклассической теорией. В этой теории поле оптического излучения рассматривается как классическое электромагнитное поле, подчиняющееся уравнениями Максвелла, тогда как поведение атомов вещества описывается квантовой механикой. Полуклассическая теория приводит к успеху при решении большинства задач оптики. Лишь в некоторых задачах, где необходим учет шумов (например, флуктуации лазерного излучения), нужно принимать во внимание не только дискретность процессов поглощения и испускания света атомными системами, но и сам факт квантования поля излучения (т. е. нужно использовать квантовую электродинамику). Интересно отметить, что даже фотоэффект, при объяснении которого в физику впервые было введено понятие фотона, может быть полностью описаи в рамках полуклассической теории. [c.10]

В масштабах макромира числовое значение постоянной Плаика чрезвычайно мало. Этим объя( няется широкая применимость классической физики с лежащей в ее основе концепцией непрерывности к описанию макроскопических явлений. Решение проблемы теплового излучения исторически было первым шагом на пути к разгадке тайиы потерянной константы . Впоследствии ограниченность представлений классической физики обнаружила себя при исследовании фотоэффекта (см. 9.5) и при попытках объяснения устойчивости атомов и закономерностей в спектрах из излучения. В начале века была создана так называемая старая квантовая теория , в основе которой лежат гипотеза Планка о дискретном характере испускания и поглощения света осциллятором, введенное Эйнштейном представление о квантах света (фотонах) и уравнение фотоэффекта, построенная Бором теория простейших атомов. Но старая квантовая теория не представляла собой стройной, логически замкнутой науки. Удачно описав некоторые экспериментальные факты, она не могла дать правильного объяснения и количественного описания всего многообразия явлений микромира. С наступлением второй четверти нашего столетия начинается период создания современной квантовой теории с ее надежными логически непротиворечивыми основными положениями и адекватным математическим аппаратом. [c.432]

Полупрозрачными называют материалы, обладающие конечным пропусканием и поглощением радиации. Перенос энергии в них осуществляется двул1я путями — теплопроводностью и излучением. Феноменологическое описание явления сводится к уравнению сложного лучисто-кондуктив-пого теплообмена (ЛКТ). Изучение свойств материалов указанного класса об.ладает существенными особенностями, причиной которых является невозможность использования классических методов исследования, базирующихся на уравнении Фурье. Развивающаяся теория ЛКТ одновременно с разработкой методов расчета температурных полей в полупрозрачных средах рассматривает способы исключения лучистой составляющей тенлопереноса и выделения истинных значений теплофизических свойств этих веществ. Некоторые аспекты этой большой проблемы рассмотрены в настоящей работе. [c.97]

Классическая теория взаимодействия атомов с электро-AiarHHTHbiM излучением. Классические осцилляторы были хорошо изучены еще до возникновения квантовой теории. Многие идеи и аспекты классической теории нашли отражение и в квантовой теории благодаря принципу соответствии. Здесь мы приведем одиа пз таких при.меров — классическую теорию поглощения и продемонстрируем связь классической теории с квантовой, введя понятие силы осциллятора которое широко используется в спектроскопии. [c.50]

При обратном переходе атома с низшего энергетического уровня п на более высокий уровень k происходит возбуждение атома с погло-ш,ением такого же кванта. Таким образом, в отличие от классического гармонического осциллятора, атом, даже если он одноэлектронный, излучает не одну частоту о, а целый спектр частот (м , которые в квантовой теории дисперсии и играют роль собственных частот атома. Если переход происходит с более низкого уровня k на более высокий уровень п (поглощение), то для сохраиепия без изменения соотношения (84.10) удобно ввести отрицапвльные частоты Если пет внешних возмущений (отсутствие силовых полей, невысокие температуры), то в результате процессов излучения все атомы перейдут па низший или основной энергетический уровень, т. е. в так называемое осно" нлн нормальное состояние. На основном уровне изолир ованный г.. . будет находиться неограниченно долго, пока в результате внеи и го воздействия он не перейдет на другой уровень. [c.530]

На этом научные достижения 1913 г. не исчерпались. В этом году Нильс Бор создал атомную модель. Отмеченную выше трудность объяснения непрерывного испускания энергии при движении электронов вокруг ядра согласно классической электродинамике Бор преодолел, отказавшись от ее законов в области внутриатомных явлений. Он привлек для объяснения теорию квантов Планка, допустив, что пока электрон движется по некоторым дозволенным орбитам, он никакой энергии не излучает и не поглощает, излучение же или поглощение ее происходит целыми порциями (квантованно) при перескоке электрона на более близкую к ядру орбиту (излучение) или на более отдаленную от нее (поглощение). Таким образом, теоретический синтез охватил теперь не только великие физические открытия конца Х1Хв. в их слиянии с периодическим законом Менделеева, но и теорию квантов Планка, новую электродинамику (в качестве учения о движении электронов внутри атома) и данные спектроскопии. [c.453]

С классической точки зрения колебание магнитного дипольного момента или электрического квадрупольного момента также приводит к слабому испусканию или поглощению излучения. На основании квантовой теории вероятность перехода для магнитного дипольного или электрического квадрупольного излучения может быть рассчитана, если в выражение (11,1) для момента перехода вместо электрического дипольного момента подставить магнитный дипольный или электрический квадруполышй момент. Вероятность таких переходов будет отличной от нуля в том случае, если произведение г ) фе относится к тому же типу симметрии, что и одна из компонент магнитного дипольного или электрического квадрупольного момента. [c.134]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...