Интерферометры
Звездный интерфероментр Майкельсона
Интерферометр Фабри-Перо
Дифракционная решетка
Дифракция на круглом отверстии
Обсуждение полученных результатов
Пятно Пуассона
Одноосные кристаллы
Двойное лучепреломление
Естественное вращение плоскости поляризации
Искусственное двойное лучепреломление
Тепловое излучение
Плотность лучистой энергии
Формула Планка
Оптическая пирометрия
Теплоемкость кристаллической решетки
Эффект Допплера
Фотоны
Примеры использования понятия фотона
Эффект Комптона
Примеры использования понятия фотона
Эффект Комптона
Физический смысл волновой функции
Как нам это понимать
Парадокс Больцмана
Нормирование волновой функции
Стоячие волны. Рефракция
Квантование момента импульса
Навигация
Фотоны
Лекции по физике
143609
знаков
73
таблицы
14
изображений
15. Фотоны
При подсчете плотности равновесного теплового излучения присвоение каждой степени свободы (стоячей волне) энергии kT приводит к абсурдному результату - бесконечной плотности лучистой энергии. При анализе равновесного теплового излучения потребовался совершенно новый подход - введение квантования энергии в виде “порций” величиной ћw, и количество таких порций определяется распределением Больцмана. Последующие исследования показали, что поглощение или излучение электромагнитной энергии происходит такими же “порциями”, квантами.
В конце концов кванты электромагнитной энергии стали восприниматься как особые частицы, фотоны. И для этого были достаточно серьезные основания.
|
DV
q DW
Ds R DR |
Пусть в некоторой полости находится равновесное тепловое излучение. Подсчитаем давление, которое оно оказывает на поглощающую поверхность (отражающую).
В объеме DV “запасена” энергия u×DV. Из этой энергии на площадку Ds попадет часть, пропорциональная телесному углу 
- под таким углом площадка Ds “видна” из элементарного объема DV:
.
С этой энергией, равной mc2, площадке будет передан импульс mc=
и подействует сила 
. Вклад в давление даст лишь нормальная составляющая этой силы и поэтому выражение для давления будет иметь вид:
.
Мы выбрали элементарный объем в виде небольшого кубика. Но под таким же углом площадка Ds видна из любой точки колечка радиуса 
, показанного на рисунке. Поэтому в качестве элементарного объема может быть выбрано это колечко, поперечное сечение которого 
:
;
.
Прежде всего нас будет интересовать давление на зеркальную поверхность, которая вдвое больше выписанной величины. Таким образом, после интегрирования по q в пределах от нуля до p/2 мы получаем
.
Но это же выражение мы можем получить и с помощью других рассуждений. Используя понятие фотона, мы скажем, что в объеме DV содержится nwdw фотонов с частотой в пределах от w до w+dw и с импульсом 
. На площадку Ds попадет
фотонов и они передадут (зеркальной) поверхности импульс
.
Время “падения” этих фотонов на площадку будет 
. Чтобы найти подействовавшую на площадку силу, нам надо разделить на это время переданный импульс. Нормальная к площадке составляющая силы определит давление на площадку:
;
.
Нам осталось, как мы это делали раньше, вместо кубика выбрать элементарный объем в виде колечка, и мы получим:
.
После интегрирования по q и w мы получаем то же самое выражение для давления:
; .
Таким образом, и волновое рассмотрение равновесного теплового излучения и рассмотрение его как фотонного газа дает один и тот же результат.
Мы рассмотрели в качестве примера задачу о давлении равновесного теплового излучения на поверхность с двух разных позиций вот для чего. Сейчас, когда мы еще не слишком далеко зашли в анализе проблемы квантования, полезно вспомнить, что для определения “концентрации фотонов” мы воспользовались выражением для 
. Иначе говоря, мы произвели некоторую формальную замену переменных - объемную плотность стоячих волн мы заменили на концентрацию фотонов.
Но это не такая “безобидная” замена, как может показаться. Чтобы атом поглотил энергию ћw, он должен какое-то время находиться в переменном электромагнитном поле соответствующей частоты. То же самое можно сказать и об излучении - оно должно “занять” некоторое время. А говоря об излучении или поглощении фотона, мы теряем ощущение временной протяженности актов поглощения и излучения. Получается так, будто поглощение или излучение фотона происходит “мгновенно”, поскольку из рассмотрения исключается процесс излучения или поглощения. Между тем время излучения или поглощения иногда бывает очень существенно, как мы увидим в дальнейшем.
Похожие работы
... свойства. А.у.т. - тело, для которого силы однозначно определяют деформации и наоборот. Правильность выбранной абстракции подтверждается совпадением, определенной точностью результатов теории и опыта. Физика - наука, устанавливающая закономерные связи посредством наблюдений явлений в природе и посредством лабораторных опытов. Согласие результатов научного анализа с результатами опыта - критерий ...
... так, как большинство материалов относится к устному творчеству, откуда и были получены, также есть выдержки из книг: «Физики шутят», «Физики продолжают шутить», «Сборник задач по физике» Г. Остера. Шутки, которые шутят физики. Один математик спросил коллегу, известного своими религиозными убеждениями: - Вы, что же, верите в единого ...
... фара́да). 1 фарад равен электрической ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между обкладками конденсатора напряжение 1 вольт. Ф = Кл/В = A·c/B Единица названа в честь английского физика Майкла Фарадея Фарад — очень большая ёмкость. Емкостью 1Ф обладал бы уединенный шар, радиус которого был бы равен 13 радиусам Солнца. Для сравнения, ёмкость Земли (шара размером с ...
... гальванометра отклонялась (то же происходило и при поднятии электромагнита из катушки). Эта схема напоминает рисунок из лабораторного журнала Фарадея. Удивительно, как схожи оказались эксперименты двух великих физиков, работавших независимо друг от друга на разных континентах! В своей статье, написанной уже после знакомства с опытом Фарадея, Генри, отдавая должное английскому физику, подчеркнул, ...
0 комментариев