OPTIK KUANTUM
OPTIK KUANTUM
Cabang optik statistik yang mempelajari struktur mikro bidang cahaya dan bidang optik. fenomena di mana kuantum terlihat. sifat cahaya. Ide kuantum. struktur radiasi diperkenalkan dalam bahasa Jerman. fisikawan M. Planck pada tahun 1900.
Statistik struktur interferensi bidang pertama kali diamati oleh S.I. Vavilov (1934), dan dia juga mengusulkan istilah “struktur mikro cahaya”.
Cahaya adalah benda fisik yang kompleks. sebuah objek yang keadaannya ditentukan oleh jumlah parameter yang tak terbatas. Hal ini juga berlaku untuk radiasi monokromatik, yang bersifat klasik. deskripsi sepenuhnya dicirikan oleh amplitudo, frekuensi, fase dan polarisasi. Masalah penentuan medan cahaya secara lengkap tidak dapat diselesaikan karena kesulitan teknis yang tidak dapat diatasi. kesulitan yang terkait dengan pengukuran parameter lapangan dalam jumlah tak terbatas. Tambahan Quantum berkontribusi signifikan terhadap kompleksitas penyelesaian masalah ini. sifat pengukuran, karena terkait dengan registrasi foton oleh fotodetektor.
Kemajuan dalam fisika laser dan peningkatan teknologi pencatatan fluks cahaya lemah menentukan perkembangan dan tugas penglihatan laser. Sumber cahaya Dolaser menurut statistiknya. St. Anda memiliki tipe yang sama dengan generator kebisingan yang memiliki Gaussian. Keadaan medannya hampir seluruhnya ditentukan oleh bentuk spektrum radiasi dan intensitasnya. Dengan munculnya kuantum. generator dan kuantum. amplifier K.o. menerima berbagai sumber dengan data statistik yang sangat beragam, termasuk non-Gaussian. har-kami.
Karakteristik paling sederhana dari lapangan adalah lih. intensitas. Karakterisasi yang lebih lengkap dari distribusi intensitas medan spatiotemporal, ditentukan dari percobaan perekaman foton dari waktu ke waktu dengan satu detektor. Studi kuantum memberikan informasi yang lebih lengkap tentang keadaan lapangan. dekomposisinya kuantitas yang sebagian dapat ditentukan dari percobaan registrasi gabungan foton dalam beberapa bidang. penerima, atau dalam studi proses multifoton di pabrik.
Tengah. konsep dalam teori kuantum yang menentukan keadaan medan dan gambaran fluktuasinya, fenomena. yang disebut fungsi korelasi atau korelator lapangan. Mereka didefinisikan sebagai mekanika kuantum. rata-rata operator lapangan (lihat TEORI LAPANGAN KUANTUM). Tingkat kerumitan korelator menentukan peringkatnya, dan semakin tinggi peringkatnya, semakin halus data statistiknya. Ladang suci dicirikan olehnya. Secara khusus, fungsi-fungsi ini menentukan pola registrasi gabungan foton dari waktu ke waktu oleh sejumlah detektor yang berubah-ubah. Fungsi korelasi memainkan peran penting dalam optik nonlinier. Semakin tinggi derajat nonlinier optik. proses, semakin tinggi peringkat korelator yang diperlukan untuk menggambarkannya. Yang sangat penting di K. o. memiliki konsep koherensi kuantum. Ada bidang sebagian dan penuh. Gelombang yang sepenuhnya koheren pengaruhnya terhadap sistem semirip mungkin dengan gelombang klasik. monokromatik melambai. Ini berarti kuantum itu. fluktuasi bidang koheren minimal. Radiasi laser dengan pita spektral sempit memiliki karakteristik yang mendekati koheren sempurna.
Penelitian korelatif. fungsi tingkat yang lebih tinggi memungkinkan Anda mempelajari fisika. dalam sistem pemancar (misalnya, dalam laser). Metode K.o. memungkinkan untuk menentukan detail intermol. bertanggung jawab atas perubahan statistik jumlah foto ketika cahaya tersebar dalam suatu medium.
Kamus ensiklopedis fisik. - M.: Ensiklopedia Soviet. . 1983 .
OPTIK KUANTUM
Cabang ilmu optik yang mempelajari statistika. sifat-sifat medan cahaya dan manifestasi kuantum dari sifat-sifat ini dalam proses interaksi cahaya dengan materi. Gagasan tentang struktur kuantum radiasi diperkenalkan oleh M. Planck pada tahun 1900. Medan cahaya, seperti medan fisik lainnya. lapangan, karena sifat kuantumnya, adalah objek statistik, yaitu keadaannya ditentukan dalam pengertian probabilistik. Sejak tahun 60an studi intensif statistik dimulai. distribusi.) Lebih lanjut, proses kuantum produksi foton secara spontan merupakan sumber fluktuasi signifikan yang tidak dapat direduksi pada bidang yang dipelajari oleh kosmos; akhirnya, registrasi cahaya oleh fotodetektor itu sendiri - photocounts - adalah registrasi kuantum diskrit. kebisingan generator radiasi, di lingkungan, dll., optik nonlinier; di satu sisi, dalam optik nonlinier. proses, perubahan statistik terjadi. sifat medan cahaya, sebaliknya, statistik lapangan mempengaruhi jalannya proses nonlinier. fungsi korelasi, atau korelator lapangan. Mereka didefinisikan sebagai mekanika kuantum. rata-rata dari operator lapangan (lihat juga Teori medan kuantum). Karakteristik paling sederhana dari suatu bidang adalah bidangnya dan lih. intensitas. Karakteristik ini ditemukan dari eksperimen, misalnya intensitas cahaya - dengan mengukur laju fotoemisi elektron dalam fotomultiplier. Secara teoritis, besaran-besaran ini dijelaskan (tanpa memperhitungkan polarisasi medan) oleh korelator medan di mana 
- Komponen konjugasi Hermitian dari operator listrik. bidang 
pada titik ruang-waktu x=(r,t). Operator
diungkapkan melalui
- operator penghancuran (lihat Kuantisasi sekunder)foton " k"bidang mode Inggris (kanan):
Oleh karena itu, hal itu diungkapkan melalui operator kelahiran Tanda< . . . >menunjukkan rata-rata kuantum pada keadaan medan, dan jika dianggap dengan materi, maka juga pada keadaan materi. informasi tentang keadaan lapangan terkandung dalam korelator G 1,1 (X 1 , X 2). Secara umum, penentuan keadaan lapangan secara rinci memerlukan pengetahuan tentang korelasinya. fungsi tingkatan (pangkat) yang lebih tinggi. Bentuk standar korelator, karena hubungannya dengan pencatatan serapan foton, diterima sesuai urutan biasa: 
itu saja P operator pembuatan berada di sebelah kiri semua operator pemusnahan.Urutan korelator sama dengan jumlah n+m Secara praktis dimungkinkan untuk mempelajari korelator tingkat rendah. Paling sering ini adalah korelator G 2,2 (X 1 ,X 2 ;X 2 ,X 1),
yang mencirikan fluktuasi intensitas radiasi, ditemukan dari percobaan penghitungan gabungan foton oleh dua detektor. Korelator didefinisikan dengan cara yang sama Gn,n(X 1 ,. . .x hal;xp,. ..X 1) dari registrasi jumlah foton P penerima atau dari data N-penyerapan foton. G n, m s P№T hanya mungkin dalam optik nonlinier. eksperimen. Dalam pengukuran stasioner, kondisi invarian korelator Gan,m pada waktunya memerlukan terpenuhinya hukum kekekalan energi: 
dimana w 6 masing-masing adalah frekuensi harmonik dari operator. Secara khusus, G 2,l ditemukan dari pola spasial interferensi interaksi tiga gelombang dalam proses penghancuran satu dan penciptaan dua kuanta (lihat. Interaksi gelombang cahaya). Dari korelator nonstasioner, salah satu yang menarik perhatian adalah G 0,1 (X),
menentukan kekuatan medan kuantum. Besaran | G 0,1 (X)| 2 memberikan nilai intensitas lapangan hanya dalam spesifikasi. kasus, khususnya untuk bidang koheren. p(n,T) - kemungkinan implementasi secara tepat P penghitungan foto dalam interval waktu T. Karakteristik ini berisi informasi tersembunyi tentang korelator tatanan tinggi yang sewenang-wenang. Mengungkap informasi yang tersembunyi, khususnya menentukan distribusi intensitas radiasi menurut suatu sumber, merupakan pokok bahasan yang disebut. masalah kebalikan dari penghitungan foton di kosmos. Penghitungan foton merupakan eksperimen yang pada dasarnya bersifat kuantum, yang termanifestasi dengan jelas pada intensitas SAYA bidang yang terdaftar tidak berfluktuasi. Bahkan dalam kasus ini, hal ini disebabkan oleh rangkaian penghitungan foto yang acak untuk sementara distribusi racun
dimana b adalah karakteristik sensitivitas fotodetektor, yang disebut. efektivitasnya. Arti G(X 1 ,X 2) cenderung 1 karena titik-titik ruang-waktu diberi jarak X 1 dan X 2, yang sesuai dengan statistik independensi jumlah foto di dalamnya. Saat menggabungkan poin X 1 =X 2 =X perbedaan G (X, X)dari satu ( G- 1) mencirikan tingkat fluktuasi intensitas radiasi dan memanifestasikan dirinya dalam perbedaan jumlah kebetulan penghitungan foto yang diperoleh selama pendaftaran simultan dan independen oleh dua detektor. Fluktuasi intensitas medan mode tunggal ditandai dengan besarnya 
dimana akan lebih mudah untuk melakukan rata-rata pada negara bagian | N> (lihat vektor negara)Dengan matriks kepadatan
dalam potongan Rp - probabilitas realisasi mode lapangan di negara bagian dengan P foton. Untuk radiasi termal kemungkinannya Rp diberikan Bose- Statistik Einstein:
dimana lih. jumlah foton dalam mode 
Ini adalah bidang yang sangat berfluktuasi g= 2.
Hal ini ditandai dengan positif. korelasi G- 1>0 dalam registrasi dua foton secara bersamaan. Kasus fluktuasi intensitas seperti itu, kapan g> 1,
ditelepon ke dalam. pengelompokan foton. g-1=0 mewakili bidang yang terletak di apa yang disebut. keadaan yang koheren, inggris-rykh 
Ini khusus dialokasikan di K. o. kelas medan dengan intensitas yang tidak berfluktuasi dihasilkan, misalnya, dengan memindahkan muatan listrik secara klasik. Bidang koheren maks. secara sederhana dijelaskan dalam apa yang disebut. R(a) Representasi-Glauber (lihat Koherensi kuantum). Dalam pandangan ini
Di mana
Ekspresi (**) dapat dianggap sesuai dengan ekspresi klasik. ekspresi untuk G, di Krom R(a) fungsi distribusi amplitudo kompleks dianggap klasik. bidang dan yang selalu P(a)>0. Yang terakhir mengarah pada kondisi tersebut G>1, yaitu kemungkinan dalam klasik Hanya mengelompokkan bidang. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa fluktuasi intensitas klasik bidang secara bersamaan menyebabkan perubahan jumlah foto yang sama di kedua fotodetektor.
R(a) == d 2 (a - a 0) = d d -
fungsi d dua dimensi pada bidang kompleks a. Klasik termal bidang ditandai dengan positif f-tion (yang menggambarkan pengelompokan di dalamnya). Untuk bidang kuantum R(a) adalah fungsi nyata, tetapi dalam domain berhingga dari argumen a dapat bernilai negatif. artinya, maka itu mewakili apa yang disebut. probabilitas kuasi. Statistik jumlah foto untuk bidang dengan nomor yang ditentukan secara tepat N>1 foton dalam mode P n = D nn(D nn - Simbol Kronecker) pada dasarnya non-klasik. Untuk kondisi ini g = 1 - 1/N, yang sesuai dengan negatif. korelasi: G- 1 <0. Такие случаи наз. в К. о. антигруппировкой фотонов, к-рую можно объяснить тем, что фотона одним из детекторов уменьшает вероятность фотоотсчёта в другом. Эффект антигруппировки наблюдается и в свете, резонансно рассеянном одним атомом. В этом случае регистрируемые кванты спонтанно рождаются в среднем через определ. интервалы времени и вероятность одноврем. рождения двух квантов равна нулю, что и даёт нулевую вероятность их одноврем. регистрации. многофотонные процессы. К. о. находит всё более широкую область применения. Так, напр., в связи с проектированием оптич. системы для регистрации гравитац. волн и постановкой т. н. невозмущающих оптич. экспериментов, в к-рых уровень флуктуации, в т. ч. квантовых, сводится к минимуму, внимание исследователей привлекают такие состояния поля, наз. "сжатыми", в к-рых флуктуации интересующей величины (подобной интенсивности или фазе идеально стабилизированного лазера) могут быть в принципе сведены до нуля.menyala.: Glauber R., Koherensi optik dan statistik foton, dalam buku: Optik kuantum dan radiofisika kuantum, trans. dari bahasa Inggris dan Perancis, M., 1966; Klauder J., Sudarshan E., Dasar-dasar Optik Kuantum, trans. dari bahasa Inggris, M.. 1970; Perina Ya., Koherensi cahaya, trans. dari bahasa Inggris, M., 1974; Spektroskopi pencampuran optik dan foton, ed. G, Cummins, E. Pike, terjemahan. dari bahasa Inggris, M., 1978; Klyshko D.N., Fotony i, M., 1980; Crosignani B., Di Porto P., Bertolotti M., Sifat statistik cahaya tersebar, trans. dari bahasa Inggris, M., 1980. S.G. Przhibelsky.
Ensiklopedia fisik. Dalam 5 volume. - M.: Ensiklopedia Soviet. Pemimpin Redaksi A.M.Prokhorov. 1988 .
Lihat apa itu "OPTIK KUANTUM" di kamus lain:
Cabang optik yang mempelajari sifat statistik medan cahaya (fluks foton) dan manifestasi kuantum dari sifat-sifat ini dalam proses interaksi cahaya dengan materi... Kamus Ensiklopedis Besar
OPTIK KUANTUM- cabang fisika teoretis yang mempelajari struktur mikro bidang cahaya dan fenomena optik yang mengkonfirmasi sifat kuantum cahaya... Ensiklopedia Politeknik Besar
Optik kuantum adalah cabang optik yang mempelajari fenomena yang mewujudkan sifat kuantum cahaya. Fenomena tersebut antara lain: radiasi termal, efek fotolistrik, efek Compton, efek Raman, proses fotokimia, ... ... Wikipedia
Cabang ilmu optik yang mempelajari sifat statistik medan cahaya (fluks foton) dan manifestasi kuantum dari sifat-sifat tersebut dalam proses interaksi cahaya dengan materi. * * * QUANTUM OPTICS QUANTUM OPTICS, salah satu cabang ilmu optik yang mempelajari ilmu statistika... ... kamus ensiklopedis
optik kuantum- kvantinė optika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. optik kuantum vok. Quantenoptik, f rus. optik kuantum, f pranc. optique quantique, f … Terminal fisik
Cabang ilmu optik yang mempelajari statistika. sifat-sifat medan cahaya (aliran foton) dan manifestasi kuantum dari sifat-sifat ini dalam proses interaksi cahaya dengan materi... Ilmu pengetahuan Alam. kamus ensiklopedis
Ia memiliki subbagian berikut (daftarnya tidak lengkap): Mekanika kuantum Teori kuantum aljabar Teori medan kuantum Elektrodinamika kuantum Kromodinamika kuantum Termodinamika kuantum Gravitasi kuantum Teori superstring Lihat juga... ... Wikipedia
OPTIK KUANTUM, cabang ilmu optik yang menggunakan prinsip mekanika kuantum (dualitas gelombang-partikel, vektor keadaan, gagasan Heisenberg dan Schrödinger, dll.) untuk mempelajari sifat-sifat cahaya dan interaksinya dengan materi.
Asal usul teori kuantum cahaya dimulai pada tahun 1900, ketika M. Plath, untuk menjelaskan distribusi spektral energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh sumber panas, mendalilkan penyerapan dan emisinya dalam bagian-bagian yang terpisah. Ide kebijaksanaan menjadi dasar turunan rumus yang menyandang namanya dan menjadi pendorong terciptanya mekanika kuantum. Namun, masih belum jelas apakah sumber kebijaksanaan itu adalah materi atau cahaya itu sendiri. Pada tahun 1905, A. Einstein menerbitkan teori efek fotolistrik, yang menunjukkan bahwa dapat dijelaskan jika cahaya dianggap sebagai aliran partikel (kuanta cahaya), yang kemudian disebut foton. Foton mempunyai energi E = hv (h adalah konstanta Planck, v adalah frekuensi cahaya) dan merambat dengan kecepatan cahaya. Belakangan, N. Bohr menunjukkan bahwa atom dapat memancarkan cahaya dalam porsi yang terpisah. Dengan demikian, cahaya dianggap sebagai gelombang elektromagnetik dan aliran foton. Bidang cahaya terkuantisasi adalah objek statistik dan keadaannya ditentukan dalam pengertian probabilistik.
Penciptaan laser pada tahun 1960 - sumber radiasi yang pada dasarnya baru dibandingkan dengan sumber radiasi termal - mendorong penelitian tentang karakteristik statistik radiasinya. Studi-studi ini melibatkan pengukuran distribusi foton laser dan koherensi medan. Sumber cahaya non-laser pada dasarnya adalah sumber medan cahaya acak dengan statistik medan Gaussian. Saat mempelajari statistik radiasi laser, R. Glauber memperkenalkan konsep keadaan koheren, yang sesuai dengan radiasi laser yang beroperasi pada rezim di atas ambang batas penguat. Pada tahun 1977, fisikawan Amerika J. Kimble pertama kali mengamati apa yang disebut antibunching foton (lihat di bawah), yang dapat dijelaskan dengan menggunakan teori kuantum.
Sejak akhir abad ke-20, optik kuantum telah berkembang secara intensif. Hal ini berkaitan erat dengan optik nonlinier dan atom, teori informasi kuantum. Salah satu cara paling mudah untuk menentukan keadaan medan cahaya adalah dengan mengukur fungsi korelasi. Yang paling sederhana adalah fungsi korelasi medan, yang mencirikan hubungan medan pada titik spatiotemporal yang berbeda. Ini sepenuhnya mencirikan bidang sumber radiasi termal, tetapi tidak memungkinkan seseorang untuk membedakan sumber dengan sifat statistik lain dari sumber termal. Dalam hal ini, peranan penting dimainkan oleh fungsi korelasi jumlah foton (intensitas) orde kedua g (2) (τ), yang memuat informasi distribusi waktu tunda emisi foton. Ini digunakan untuk mengukur efek pengelompokan dan antibunching foton. Cahaya dari sumber memasuki pelat pemisah berkas (Gbr. 1), setelah itu diumpankan ke dua fotodetektor. Registrasi foton disertai dengan munculnya pulsa pada keluaran detektor. Pulsa dari detektor memasuki perangkat yang mengukur waktu tunda di antara keduanya. Percobaan ini diulang berkali-kali. Dengan cara ini, distribusi waktu tunda, yang berhubungan dengan fungsi g (2) (τ), diukur. Gambar 2 menunjukkan ketergantungan g (2) (τ) untuk tiga sumber cahaya khas - termal, laser, dan fluoresensi resonansi. Karena τ → ∞, nilai fungsi sumber termal dan fluoresensi resonansi mendekati kesatuan. Untuk radiasi laser g (2) (τ) = 1 dan statistik foton adalah Poisson. Untuk sumber termal g(2)(0) = 2 dan lebih mungkin untuk mendeteksi dua foton yang datang segera setelah satu sama lain (efek pengelompokan foton). Dalam kasus fluoresensi resonansi, kemungkinan sebuah atom memancarkan dua foton sekaligus adalah nol (antibunching foton). Nilai g (2) (0) = 0 disebabkan oleh adanya jeda waktu antara dua aksi emisi foton yang berurutan oleh satu atom. Efek ini dijelaskan oleh teori kuantum lengkap, yang menjelaskan medium dan medan elektromagnetik dari sudut pandang kuantum.
Terkait erat dengan efek antibunching adalah statistik foton sub-Poisson, yang fungsi distribusinya lebih sempit daripada distribusi Poisson. Oleh karena itu, tingkat fluktuasi berkas foton dengan statistik sub-Poisson lebih kecil dibandingkan tingkat fluktuasi radiasi koheren. Dalam kasus yang membatasi, bidang nonklasik tersebut memiliki jumlah foton yang ditentukan secara ketat (yang disebut keadaan bidang Fock). Dalam teori kuantum, jumlah foton merupakan variabel diskrit.
Metode optik nonlinier dapat digunakan untuk membuat medan cahaya non-klasik di mana, dibandingkan dengan medan koheren, tingkat fluktuasi kuantum beberapa variabel kontinu, misalnya komponen kuadratur atau parameter Stokes yang mencirikan keadaan polarisasi medan, berkurang. Bidang seperti ini disebut terkompresi. Terbentuknya bidang-bidang terkompresi dapat diartikan dalam bahasa klasik. Mari kita nyatakan kuat medan listrik E melalui komponen kuadratur a dan b: E(t) = a(t)cosωt + b(t)sinωt, dimana a(t) dan b(t) adalah fungsi acak, ω = 2πν adalah frekuensi melingkar, t - waktu. Dengan menerapkan medan seperti itu ke penguat parametrik optik degenerasi (OPPA) dengan frekuensi pompa 2ω, satu komponen kuadratur (misalnya, a) dapat diperkuat karena sensitivitas fasenya, dan kuadratur lainnya (b) dapat ditekan. Akibatnya fluktuasi kuadratur meningkat, dan fluktuasi kuadratur b menurun. Transformasi tingkat kebisingan pada VOPU ditunjukkan pada Gambar 3. Pada Gambar 3b, area fluktuasi dikompresi dibandingkan dengan keadaan input (Gambar 3a). Fluktuasi kuantum dalam keadaan vakum dan koheren berperilaku serupa dengan amplifikasi parametrik. Tentu saja, dalam hal ini hubungan ketidakpastian mekanika kuantum tidak dilanggar (seolah-olah terjadi redistribusi fluktuasi antar kuadratur). Dalam proses parametrik, sebagai suatu peraturan, radiasi dibentuk dengan statistik foton super-Poisson, yang tingkat fluktuasinya melebihi tingkat fluktuasi cahaya koheren.
Untuk merekam bidang terkompresi, detektor homodyne seimbang digunakan, yang hanya dapat merekam satu kuadratur. Dengan demikian, tingkat fluktuasi selama fotodeteksi cahaya terkompresi mungkin berada di bawah tingkat batas kuantum standar (noise tembakan) yang sesuai dengan deteksi cahaya koheren. Dalam cahaya yang diperas, fluktuasi dapat ditekan hingga 90% dibandingkan keadaan koheren. Metode optik nonlinier juga menghasilkan cahaya terpolarisasi yang mana fluktuasi pada setidaknya satu parameter Stokes ditekan. Cahaya terkompresi menarik untuk eksperimen optik-fisik yang presisi, khususnya untuk merekam gelombang gravitasi.
Dari sudut pandang kuantum, proses parametrik yang dipertimbangkan adalah proses peluruhan foton pompa dengan frekuensi 2ω menjadi dua foton dengan frekuensi ω. Dengan kata lain, foton dalam cahaya terkompresi dibuat berpasangan (bifoton), dan fungsi distribusinya sangat berbeda dari Poisson (hanya jumlah foton yang genap). Ini adalah properti lain yang tidak biasa dari cahaya terkompresi dalam bahasa variabel diskrit.
Jika foton pompa dalam proses parametrik meluruh menjadi dua foton yang berbeda frekuensi dan/atau polarisasinya, maka foton tersebut berkorelasi (terhubung) satu sama lain. Mari kita nyatakan frekuensi foton yang dihasilkan sebagai ω 1 dan ω 2, dan misalkan foton tersebut masing-masing memiliki polarisasi vertikal (V) dan horizontal (H). Keadaan medan dalam hal ini ditulis dalam bahasa kuantum sebagai |ψ) = |V) 1 |H) 2. Ternyata pada orientasi tertentu dari kristal optik nonlinier di mana proses parametrik diamati, foton dengan frekuensi yang sama yang merambat ke arah yang sama dapat dihasilkan dengan polarisasi ortogonal. Akibatnya, keadaan lapangan berbentuk:
(*)
(Munculnya koefisien di depan tanda kurung disebabkan oleh kondisi normalisasi.)
Keadaan foton yang dijelaskan oleh relasi (*) disebut terjerat; Artinya jika foton berfrekuensi ω 1 terpolarisasi vertikal, maka foton berfrekuensi ω 2 terpolarisasi horizontal, dan sebaliknya. Sifat penting keadaan terjerat (*) adalah pengukuran keadaan polarisasi satu foton memproyeksikan keadaan foton frekuensi lain ke keadaan ortogonal. Keadaan tipe (*) disebut juga pasangan Einstein-Podolsky-Rosen dan keadaan Bell terjerat. Keadaan kuantum sistem atom, serta keadaan atom dan foton, dapat berada dalam keadaan terjerat. Eksperimen telah dilakukan dengan menggunakan foton dalam keadaan terjerat untuk menguji ketidaksetaraan Bell, teleportasi kuantum, dan pengkodean padat kuantum.
Berdasarkan interaksi optik parametrik, serta efek interaksi silang, pengukuran non-destruktif kuantum masing-masing komponen kuadratur dan jumlah foton dilakukan. Penggunaan metode optik kuantum dalam pemrosesan gambar optik memungkinkan peningkatan perekaman, penyimpanan, dan pembacaannya (lihat Pemrosesan gambar kuantum).
Fluktuasi kuantum medan elektromagnetik dalam keadaan vakum dapat memanifestasikan dirinya dengan cara yang unik: fluktuasi tersebut menyebabkan munculnya gaya tarik menarik antara pelat penghantar yang tidak bermuatan (lihat efek Casimir).
Optik kuantum juga mencakup teori fluktuasi radiasi laser. Perkembangannya yang konsisten didasarkan pada teori kuantum, yang memberikan hasil yang benar untuk statistik foton dan lebar garis radiasi laser.
Optik kuantum juga mempelajari interaksi atom dengan medan cahaya, pengaruh cahaya pada atom tingkat dua dan tiga. Pada saat yang sama, sejumlah efek menarik dan tak terduga yang terkait dengan koherensi atom ditemukan: ketukan kuantum (lihat Interferensi keadaan), efek Hanle, gema foton, dll.
Optik kuantum juga mempelajari pendinginan atom ketika berinteraksi dengan cahaya dan produksi kondensat Bose-Einstein, serta efek mekanis cahaya pada atom untuk menangkap dan mengendalikannya.
Lit.: Klyshko D.N. Cahaya non-klasik // Kemajuan dalam ilmu fisika. 1996. T. 166. Edisi. 6; Bargatin I.V., Grishanin B.A., Zadkov V.N.Keadaan kuantum sistem atom yang terjerat // Ibid. 2001. T. 171. Edisi. 6; Fisika informasi kuantum / Diedit oleh D. Bouwmeister et al.M., 2002; Scully M.O., Zubairi M.S. Optik kuantum. M., 2003; Shleikh V. P. Optik kuantum dalam ruang fase. M., 2005.
Definisi 1
Optik kuantum adalah salah satu cabang ilmu optik yang tugas utamanya adalah mempelajari fenomena di mana sifat kuantum cahaya dapat terwujud.
Fenomena tersebut mungkin berupa:
- efek fotoelektrik;
- radiasi termal;
- efek Raman;
- efek Compton;
- emisi terstimulasi, dll.
Dasar-dasar Optik Kuantum
Berbeda dengan optik klasik, optik kuantum mewakili teori yang lebih umum. Masalah utama yang dibahasnya adalah mendeskripsikan interaksi cahaya dengan materi, dengan tetap mempertimbangkan sifat kuantum objek. Optik kuantum juga berkaitan dengan deskripsi proses perambatan cahaya dalam kondisi khusus (spesifik).
Solusi yang lebih akurat untuk masalah tersebut memerlukan deskripsi materi (termasuk media rambat) dan cahaya secara eksklusif dari sudut pandang keberadaan kuanta. Pada saat yang sama, para ilmuwan sering kali menyederhanakan tugas ketika mendeskripsikannya ketika salah satu komponen sistem (misalnya, suatu zat) dideskripsikan dalam format objek klasik.
Seringkali dalam perhitungan, misalnya, hanya keadaan media aktif yang dikuantisasi, sedangkan resonator dianggap klasik. Namun, jika panjangnya lebih tinggi dari panjang gelombangnya, maka ia tidak dapat lagi dianggap klasik. Perilaku atom tereksitasi yang ditempatkan dalam resonator seperti itu akan lebih kompleks.
Tugas optik kuantum ditujukan untuk mempelajari sifat sel cahaya (yaitu foton dan partikel selnya). Menurut hipotesis M. Planck tentang sifat-sifat cahaya, yang diajukan pada tahun 1901, ia diserap dan dipancarkan hanya dalam bagian yang terpisah (foton, kuanta). Kuantum mewakili partikel material dengan massa $m_ф$, energi $E$, dan momentum $p_ф$ tertentu. Maka rumusnya ditulis:
Dimana $h$ mewakili konstanta Planck.
$v=\frac(c)(\lambda)$
Dimana $\lambda$ adalah frekuensi cahaya
$c$ akan menjadi kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
Fenomena optik utama yang dijelaskan oleh teori kuantum meliputi tekanan cahaya dan efek fotolistrik.
Efek fotolistrik dan tekanan cahaya dalam optik kuantum
Definisi 2
Efek fotolistrik merupakan fenomena interaksi antara foton cahaya dan materi, dimana energi radiasi akan ditransfer ke elektron-elektron zat. Ada jenis efek fotolistrik seperti internal, eksternal dan katup.
Efek fotolistrik eksternal ditandai dengan pelepasan elektron dari logam pada saat disinari dengan cahaya (pada frekuensi tertentu). Teori kuantum efek fotolistrik menyatakan bahwa setiap tindakan penyerapan foton oleh elektron terjadi secara independen satu sama lain.
Peningkatan intensitas radiasi disertai dengan peningkatan jumlah foton yang datang dan diserap. Ketika energi diserap oleh suatu zat dengan frekuensi $ν$, masing-masing elektron ternyata hanya mampu menyerap satu foton, sekaligus mengambil energi darinya.
Einstein, dengan menerapkan hukum kekekalan energi, mengajukan persamaannya untuk efek fotolistrik eksternal (ekspresi hukum kekekalan energi):
$hv=A_(keluar)+\frac(mv^2)(2)$
$A_(out)$ adalah fungsi kerja elektron yang meninggalkan logam.
Energi kinetik elektron yang dipancarkan diperoleh dengan rumus:
$E_k=\frac(mv^2)(2)$
Dari persamaan Einstein ternyata jika $E_k=0$, maka frekuensi paling minimum (batas merah efek fotolistrik) dapat diperoleh:
$v_0 = \frac (A_(keluar)) h$
Tekanan cahaya dijelaskan oleh fakta bahwa, sebagai partikel, foton memiliki momentum tertentu, yang ditransfer ke tubuh melalui proses penyerapan dan pemantulan:
Fenomena tekanan ringan juga dijelaskan oleh teori gelombang, yang menurutnya (jika kita mengacu pada hipotesis de Broglie), setiap partikel juga memiliki sifat gelombang. Hubungan antara momentum $P$ dan panjang gelombang $\lambda$ ditunjukkan oleh persamaan:
$P=\frac(h)(\lambda)$
Efek Compton
Catatan 1
Efek Compton ditandai dengan hamburan foton yang tidak koheren oleh elektron bebas. Konsep inkoherensi berarti tidak adanya interferensi foton sebelum dan sesudah hamburan. Efeknya mengubah frekuensi foton, dan setelah hamburan elektron menerima sebagian energinya.
Efek Compton memberikan bukti eksperimental tentang manifestasi sifat sel cahaya sebagai aliran partikel (foton). Fenomena efek Compton dan efek fotolistrik merupakan bukti penting konsep kuantum cahaya. Pada saat yang sama, fenomena seperti difraksi, interferensi, dan polarisasi cahaya menegaskan sifat gelombang cahaya.
Efek Compton mewakili salah satu bukti dualitas gelombang-partikel mikropartikel. Hukum kekekalan energi ditulis sebagai berikut:
$m_ec^2+\frac(hc)(\lambda)=\frac(hc)(\lambda)+\frac(m_ec^2)(scrt(1-\frac(v^2)(c^2)) )$
Efek Compton terbalik menunjukkan peningkatan frekuensi cahaya ketika dihamburkan oleh elektron relativistik dengan energi lebih tinggi dari foton. Dalam interaksi ini, energi ditransfer ke foton dari elektron. Energi foton yang tersebar ditentukan oleh ekspresi:
$e_1=\frac(4)(3)e_0\frac(K)(m_ec^2)$
Dimana $e_1$ dan $e_0$ masing-masing adalah energi foton yang tersebar dan foton datang, dan $k$ adalah energi kinetik elektron.
Perkenalan
1. Munculnya doktrin kuanta
Efek fotolistrik dan hukumnya
1 Hukum efek fotolistrik
3. Hukum Kirchhoff
4. Hukum Stefan-Boltzmann dan perpindahan Wien
Rumus Rayleigh - Jeans dan Planck
Persamaan Einstein untuk efek fotolistrik
Foton, energi dan momentumnya
Penerapan efek fotolistrik dalam teknologi
Tekanan ringan. Eksperimen oleh P.N. Lebedev
Aksi kimia cahaya dan penerapannya
Dualitas gelombang-partikel
Kesimpulan
Bibliografi
Perkenalan
Optik adalah salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari sifat radiasi optik (cahaya), perambatannya dan fenomena yang diamati selama interaksi cahaya dan materi. Menurut tradisi, optik biasanya dibagi menjadi geometris, fisik dan fisiologis. Kita akan melihat optik kuantum.
Optik kuantum adalah cabang optik yang mempelajari fenomena yang mewujudkan sifat kuantum cahaya. Fenomena tersebut meliputi: radiasi termal, efek fotolistrik, efek Compton, efek Raman, proses fotokimia, emisi terstimulasi (dan, karenanya, fisika laser), dll. Optik kuantum adalah teori yang lebih umum daripada optik klasik. Masalah utama yang ditangani oleh optik kuantum adalah deskripsi interaksi cahaya dengan materi, dengan mempertimbangkan sifat kuantum objek, serta deskripsi perambatan cahaya dalam kondisi tertentu. Untuk menyelesaikan masalah ini secara akurat, penting untuk mendeskripsikan materi (media propagasi, termasuk ruang hampa) dan cahaya secara eksklusif dari posisi kuantum, namun penyederhanaan sering dilakukan: salah satu komponen sistem (cahaya atau materi) adalah digambarkan sebagai objek klasik. Misalnya, seringkali dalam perhitungan yang berkaitan dengan media laser, hanya keadaan media aktif yang dikuantisasi, dan resonator dianggap klasik, tetapi jika panjang resonator berada pada urutan panjang gelombang, maka tidak dapat lagi dipertimbangkan. klasik, dan perilaku atom dalam keadaan tereksitasi yang ditempatkan pada resonator seperti itu akan jauh lebih kompleks.
1. Munculnya doktrin kuanta
Kajian teoritis J. Maxwell menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik dengan jangkauan tertentu. Teori Maxwell mendapat konfirmasi eksperimental dalam eksperimen G. Hertz. Dari teori Maxwell dapat disimpulkan bahwa cahaya yang jatuh pada suatu benda memberikan tekanan padanya. Tekanan ini ditemukan oleh P.N. Lebedev. Eksperimen Lebedev membenarkan teori elektromagnetik cahaya. Menurut karya Maxwell, indeks bias suatu zat ditentukan oleh rumus N=εμ
−−√, yaitu terkait dengan sifat listrik dan magnetik zat ini ( ε
Dan μ
- masing-masing, permeabilitas dielektrik dan magnet relatif suatu zat). Namun teori Maxwell tidak dapat menjelaskan fenomena seperti dispersi (ketergantungan indeks bias pada panjang gelombang cahaya). Hal ini dilakukan oleh H. Lorentz yang menciptakan teori elektronik tentang interaksi cahaya dengan materi. Lorentz mengemukakan bahwa elektron di bawah pengaruh medan listrik gelombang elektromagnetik melakukan osilasi paksa dengan frekuensi v, yang sama dengan frekuensi gelombang elektromagnetik, dan konstanta dielektrik suatu zat bergantung pada frekuensi perubahan elektromagnetik. lapangan, oleh karena itu, N=F(ay). Namun, ketika mempelajari spektrum emisi benda yang benar-benar hitam, mis. sebuah benda yang menyerap semua radiasi dari frekuensi apa pun yang terjadi padanya, fisika tidak dapat, dalam kerangka teori elektromagnetik, menjelaskan distribusi energi pada panjang gelombang. Perbedaan antara kurva teoritis (putus-putus) dan eksperimental (padat) dari distribusi kerapatan daya radiasi dalam spektrum benda yang benar-benar hitam (Gbr. 19.1), yaitu. perbedaan antara teori dan eksperimen begitu signifikan sehingga disebut “bencana ultraviolet.” Teori elektromagnetik juga tidak dapat menjelaskan kemunculan spektrum garis gas dan hukum efek fotolistrik. Beras. 1.1 Teori cahaya baru dikemukakan oleh M. Planck pada tahun 1900. Menurut hipotesis M. Planck, elektron atom memancarkan cahaya tidak terus menerus, tetapi dalam bagian yang terpisah - kuanta. Energi kuantum Wsebanding dengan frekuensi osilasi ν
:
W=hν,
Di mana H- koefisien proporsionalitas, disebut konstanta Planck: H=6,62⋅10−34J Dengan Karena radiasi dipancarkan dalam porsi, energi atom atau molekul (osilator) hanya dapat mengambil serangkaian nilai diskrit tertentu yang merupakan kelipatan dari bilangan bulat bagian elektron. ω
, yaitu. menjadi setara hν,2hν,3hνdll. Tidak ada osilasi yang energinya merupakan perantara antara dua bilangan bulat berurutan yang merupakan kelipatan hν. Artinya pada tingkat atom-molekul, getaran tidak terjadi dengan nilai amplitudo apapun. Nilai amplitudo yang diizinkan ditentukan oleh frekuensi osilasi. Dengan menggunakan asumsi dan metode statistik ini, M. Planck dapat memperoleh rumus distribusi energi dalam spektrum radiasi yang sesuai dengan data eksperimen (lihat Gambar 1.1). Ide-ide kuantum tentang cahaya, yang diperkenalkan ke dalam sains oleh Planck, dikembangkan lebih lanjut oleh A. Einstein. Ia sampai pada kesimpulan bahwa cahaya tidak hanya dipancarkan, tetapi juga merambat di ruang angkasa dan diserap oleh materi dalam bentuk kuanta. Teori kuantum cahaya telah membantu menjelaskan sejumlah fenomena yang diamati ketika cahaya berinteraksi dengan materi. 2. Efek fotolistrik dan hukum-hukumnya Efek fotolistrik terjadi ketika suatu zat berinteraksi dengan radiasi elektromagnetik yang diserap. Ada efek foto eksternal dan internal. Efek foto eksternaladalah fenomena pelepasan elektron dari suatu zat di bawah pengaruh cahaya yang menimpanya. Efek foto internaladalah fenomena peningkatan konsentrasi pembawa muatan dalam suatu zat, dan oleh karena itu peningkatan konduktivitas listrik suatu zat di bawah pengaruh cahaya. Kasus khusus dari efek fotolistrik internal adalah efek foto gerbang - fenomena munculnya gaya gerak listrik di bawah pengaruh cahaya dalam kontak dua semikonduktor yang berbeda atau semikonduktor dan logam. Efek fotolistrik eksternal ditemukan pada tahun 1887 oleh G. Hertz, dan dipelajari secara rinci pada tahun 1888-1890. A.G. Stoletov. Dalam percobaan dengan gelombang elektromagnetik, G. Hertz memperhatikan bahwa lompatan percikan antara bola seng pada celah percikan terjadi pada beda potensial yang lebih kecil jika salah satunya disinari dengan sinar ultraviolet. Saat mempelajari fenomena ini, Stoletov menggunakan kapasitor datar, salah satu pelatnya (seng) berbentuk padat, dan pelat kedua dibuat dalam bentuk jaring logam (Gbr. 1.2). Pelat padat dihubungkan ke kutub negatif sumber arus, dan pelat jaring dihubungkan ke kutub positif. Permukaan bagian dalam pelat kapasitor bermuatan negatif diterangi oleh cahaya dari busur listrik, yang komposisi spektralnya mencakup sinar ultraviolet. Meskipun kapasitor tidak menyala, tidak ada arus dalam rangkaian. Saat menerangi pelat seng KEgalvanometer sinar ultraviolet Gmencatat keberadaan arus pada rangkaian. Dalam hal ini grid menjadi katoda A,tidak ada arus di sirkuit. Akibatnya, pelat seng, ketika terkena cahaya, mengeluarkan partikel bermuatan negatif. Pada saat ditemukannya efek fotolistrik, belum diketahui apa pun tentang elektron, ditemukan oleh J. Thomson hanya 10 tahun kemudian, pada tahun 1897. Setelah penemuan elektron oleh F. Lenard, terbukti bahwa partikel bermuatan negatif terpancar di bawah pengaruh tersebut. cahaya disebut elektron fotoelektron.
Beras. 1.2 Stoletov melakukan eksperimen dengan katoda yang terbuat dari logam berbeda dalam suatu pengaturan, diagramnya ditunjukkan pada Gambar 1.3. Beras. 1.3 Dua elektroda disolder ke dalam wadah kaca tempat udara dipompa keluar. Di dalam silinder, melalui "jendela" kuarsa, transparan terhadap radiasi ultraviolet, cahaya memasuki katoda K. Tegangan yang disuplai ke elektroda dapat diubah menggunakan potensiometer dan diukur dengan voltmeter V.Di bawah pengaruh cahaya, katoda memancarkan elektron yang menutup rangkaian antara elektroda, dan ammeter mencatat keberadaan arus dalam rangkaian. Dengan mengukur arus dan tegangan, Anda dapat memplot ketergantungan kekuatan arus foto pada tegangan antar elektroda SAYA=SAYA(kamu) (Gbr. 1.4). Dari grafik berikut ini: Dengan tidak adanya tegangan antar elektroda, arus foto menjadi bukan nol, yang dapat dijelaskan dengan adanya energi kinetik dalam fotoelektron pada saat emisi. Pada tegangan tertentu antar elektroda ehKekuatan arus foto tidak lagi bergantung pada tegangan, mis. mencapai saturasi IH.
Beras. 1.4 Kekuatan arus foto saturasi IH=qmaxt, Di mana qmaxadalah muatan maksimum yang dibawa oleh fotoelektron. Itu sama qmax=bersih, Di mana N- jumlah fotoelektron yang dipancarkan dari permukaan logam yang diterangi dalam 1 s, e- muatan elektron. Akibatnya, dengan arus foto saturasi, semua elektron yang meninggalkan permukaan logam dalam 1 detik tiba di anoda dalam waktu yang sama. Oleh karena itu, berdasarkan kekuatan arus foto saturasi, seseorang dapat menilai jumlah fotoelektron yang dipancarkan dari katoda per satuan waktu. Jika katoda dihubungkan ke kutub positif sumber arus, dan anoda dihubungkan ke kutub negatif, maka pada medan elektrostatis antar elektroda fotoelektron akan terhambat, dan kuat arus foto akan berkurang seiring dengan meningkatnya nilai tegangan negatif tersebut. . Pada nilai tegangan negatif tertentu kamu3 (disebut tegangan retardasi), arus foto berhenti. Menurut teorema energi kinetik, kerja medan listrik perlambatan sama dengan perubahan energi kinetik fotoelektron: A3=−Uni Eropa3;Δ Minggu=kamu2maks2,
Uni Eropa3=kamu2maks2.
Ungkapan ini diperoleh dengan syarat kecepatan υ
≪C, Di mana Dengan- kecepatan cahaya. Oleh karena itu, mengetahui kamu3, energi kinetik maksimum fotoelektron dapat ditemukan. Pada Gambar 1.5, AGrafik ketergantungan ditampilkan SAYAF(kamu)untuk fluks cahaya berbeda yang terjadi pada fotokatoda pada frekuensi cahaya konstan. Gambar 1.5, b menunjukkan grafik ketergantungan SAYAF(kamu)untuk fluks cahaya yang konstan dan frekuensi cahaya yang berbeda yang datang pada katoda. Beras. 1.5 Analisis grafik pada Gambar 1.5 a menunjukkan bahwa kekuatan arus foto saturasi meningkat seiring dengan meningkatnya intensitas cahaya datang. Jika berdasarkan data tersebut kita membuat grafik ketergantungan arus saturasi terhadap intensitas cahaya, maka diperoleh garis lurus yang melalui titik asal koordinat (Gbr. 1.5, c). Oleh karena itu, kekuatan foton saturasi sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai katoda Jika∼ SAYA.
Berikut dari grafik pada Gambar 1.5, Bmengurangi frekuensi cahaya datang , besarnya tegangan retardasi meningkat seiring dengan meningkatnya frekuensi cahaya datang. Pada kamu3 menurun, dan pada frekuensi tertentu ν
0 tegangan tunda kamu30=0. Pada ν
<ν
0 efek fotolistrik tidak diamati. Frekuensi minimal ν
0 (panjang gelombang maksimum λ
0) cahaya datang yang masih memungkinkan terjadinya efek fotolistrik disebut batas merah efek fotolistrik.Berdasarkan data pada grafik 1.5, BAnda dapat membuat grafik ketergantungan kamu3(ν
) (Gbr. 1.5, G).
Berdasarkan data eksperimen tersebut, hukum efek fotolistrik dirumuskan. 1 Hukum efek fotolistrik 1.
Jumlah fotoelektron yang dikeluarkan dalam 1 s. dari permukaan katoda, sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai zat tersebut. 2.
Energi kinetik fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya yang datang, tetapi bergantung secara linier pada frekuensinya. 3.
Batas merah efek fotolistrik hanya bergantung pada jenis zat katoda. 4.
Efek fotolistrik praktis bebas inersia, karena waktu berlalu dari saat logam disinari dengan cahaya hingga elektron dilepaskan, waktu yang dibutuhkan adalah ≈10−9 s. 3. Hukum Kirchhoff Kirchhoff, dengan mengandalkan hukum kedua termodinamika dan menganalisis kondisi kesetimbangan radiasi dalam sistem benda yang terisolasi, menetapkan hubungan kuantitatif antara kerapatan spektral luminositas energi dan kapasitas penyerapan spektral benda. Rasio kerapatan spektral luminositas energi terhadap absorptivitas spektral tidak bergantung pada sifat benda; ini adalah fungsi universal dari frekuensi (panjang gelombang) dan suhu untuk semua benda (hukum Kirchhoff): Untuk tubuh hitam , oleh karena itu mengikuti hukum Kirchhoff bahwa R,Tuntuk benda hitam sama dengan R,T. Jadi, fungsi universal Kirchhoff R,Ttidak ada yang lebih dari itu kerapatan spektral luminositas energi benda hitam.Oleh karena itu, menurut hukum Kirchhoff, untuk semua benda, rasio kerapatan spektral luminositas energik terhadap absorptivitas spektral sama dengan kerapatan spektral luminositas energik benda hitam. pada suhu dan frekuensi yang sama.
Dengan menggunakan hukum Kirchhoff, ekspresi luminositas energi suatu benda (3.2) dapat ditulis sebagai Untuk tubuh abu-abu (3.2)
Secara energik, luminositas benda hitam (hanya bergantung pada suhu). Hukum Kirchhoff hanya menjelaskan radiasi termal, karena merupakan karakteristiknya sehingga dapat berfungsi sebagai kriteria yang dapat diandalkan untuk menentukan sifat radiasi. Radiasi yang tidak mematuhi hukum Kirchhoff bukanlah radiasi termal. 4. Hukum Stefan-Boltzmann dan perpindahan Wien Dari hukum Kirchhoff (lihat (4.1)) dapat disimpulkan bahwa kerapatan spektral luminositas energi benda hitam adalah fungsi universal, oleh karena itu menemukan ketergantungan eksplisitnya pada frekuensi dan suhu merupakan tugas penting dalam teori radiasi termal. Fisikawan Austria I. Stefan (1835-1893), menganalisis data eksperimen (1879), dan L. Boltzmann, dengan menggunakan metode termodinamika (1884), memecahkan masalah ini hanya sebagian, menetapkan ketergantungan energi luminositas Repada suhu. Menurut hukum Stefan-Boltzmann, itu. luminositas energik benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu termodinamikanya; -
Konstanta Stefan-Boltzmann: nilai eksperimennya 5,6710 -8Dengan/(m 2 K 4). Hukum Stefan-Boltzmann, yang mendefinisikan ketergantungan Repada suhu tidak memberikan jawaban mengenai komposisi spektral radiasi benda hitam. Dari kurva eksperimental fungsi tersebut R,Tdari panjang gelombang
pada temperatur yang berbeda (Gbr. 287) maka distribusi energi dalam spektrum benda hitam tidak merata. Semua kurva memiliki batas maksimum yang jelas, yang bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek seiring dengan kenaikan suhu. Daerah yang dibatasi oleh kurva R,Tdari
dan sumbu x, sebanding dengan luminositas energik Rebenda hitam dan, oleh karena itu, menurut hukum Stefan-Boltzmann, pangkat empat suhu. Fisikawan Jerman W. Wien (1864-1928), dengan mengandalkan hukum termo dan elektrodinamika, menetapkan ketergantungan panjang gelombang
maks , sesuai dengan fungsi maksimum R,T,
pada suhu T.Menurut hukum perpindahan Wien, (199.2)
yaitu panjang gelombang
maks , sesuai dengan nilai maksimum kerapatan spektral luminositas energi R,Tbenda hitam, berbanding terbalik dengan suhu termodinamikanya, B-Rasa Bersalah terus-menerus; nilai eksperimennya adalah 2,910 -3mK. Oleh karena itu, Ekspresi (199.2) disebut hukum perpindahanKesalahannya adalah menunjukkan pergeseran posisi fungsi maksimum R,Tketika suhu meningkat ke wilayah dengan panjang gelombang pendek. Hukum Wien menjelaskan mengapa, ketika suhu benda yang dipanaskan menurun, radiasi gelombang panjang semakin mendominasi spektrumnya (misalnya, transisi panas putih ke panas merah ketika logam mendingin). 5. Rumus Rayleigh - Jeans dan Planck Dari pertimbangan hukum Stefan-Boltzmann dan Wien maka pendekatan termodinamika untuk memecahkan masalah pencarian fungsi universal Kirchhoff R,Ttidak memberikan hasil yang diinginkan. Upaya ketat berikut untuk menyimpulkan hubungan secara teoritis R,Tmilik ilmuwan Inggris D. Rayleigh dan D. Jeans (1877-1946), yang menerapkan metode fisika statistik pada radiasi termal, menggunakan hukum klasik distribusi energi yang seragam pada derajat kebebasan. rumus Rayleigh -
Jeans untuk kepadatan spektral luminositas energi benda hitam memiliki bentuk (200.1)
dimana
= kT- energi rata-rata osilator dengan frekuensi alami
. Untuk suatu osilator yang berosilasi, nilai rata-rata energi kinetik dan energi potensialnya adalah sama, oleh karena itu energi rata-rata setiap derajat kebebasan getaran
= kT.
Pengalaman menunjukkan bahwa ekspresi (200.1) konsisten dengan data eksperimen hanyadi wilayah frekuensi yang cukup rendah dan suhu tinggi. Di wilayah frekuensi tinggi, rumus Rayleigh-Jeans sangat berbeda dari eksperimen, serta hukum perpindahan Wien (Gbr. 288). Selain itu, ternyata upaya untuk mendapatkan hukum Stefan-Boltzmann (lihat (199.1)) dari rumus Rayleigh-Jeans mengarah pada absurditas. Memang benar, luminositas energik benda hitam dihitung menggunakan (200.1) (lihat (198.3)) sedangkan menurut hukum Stefan-Boltzmann Resebanding dengan pangkat empat suhu. Akibat ini disebut sebagai "bencana ultraviolet". Jadi, dalam kerangka fisika klasik, tidak mungkin menjelaskan hukum distribusi energi dalam spektrum benda hitam. Di wilayah frekuensi tinggi, kesesuaian yang baik dengan eksperimen diberikan oleh rumus Wien (hukum radiasi Wien), yang diperolehnya dari pertimbangan teoretis umum: Di mana R,T- kerapatan spektral luminositas energi benda hitam, DENGANDan A -nilai konstan. Dalam notasi modern dengan menggunakan konstanta Planck yang saat itu belum diketahui, hukum radiasi Wien dapat ditulis sebagai Ekspresi yang benar untuk kerapatan spektral luminositas energi benda hitam, sesuai dengan data eksperimen, ditemukan pada tahun 1900 oleh fisikawan Jerman M. Planck. Untuk melakukan ini, ia harus meninggalkan posisi fisika klasik yang sudah mapan, yang menyatakan bahwa energi sistem apa pun dapat berubah terus menerus,yaitu, ia dapat mengambil nilai mendekati apa pun. Menurut hipotesis kuantum yang dikemukakan oleh Planck, osilator atom tidak memancarkan energi secara terus menerus, tetapi dalam porsi tertentu - kuanta, dan energi kuantum sebanding dengan frekuensi osilasi (lihat (170.3)): (200.2)
Di mana H= 6,62510-34Js adalah konstanta Planck. Karena radiasi dipancarkan dalam porsi, energi osilator
hanya bisa menerima hal tertentu nilai diskrit,kelipatan bilangan bulat dari bagian energi dasar
0:
Dalam hal ini, energi rata-rata
osilator tidak bisa dianggap sama kT.Dengan perkiraan bahwa distribusi osilator pada keadaan diskrit yang mungkin mengikuti distribusi Boltzmann, energi rata-rata osilator dan kerapatan spektral luminositas energi benda hitam Jadi, Planck menurunkan rumus fungsi universal Kirchhoff (200.3)
yang sangat setuju dengan data eksperimen tentang distribusi energi dalam spektrum radiasi benda hitam pada seluruh rentang frekuensi dan suhu.Turunan teoritis dari rumus ini dikemukakan oleh M. Planck pada tanggal 14 Desember 1900 pada pertemuan Masyarakat Fisika Jerman. Hari ini menjadi tanggal lahirnya fisika kuantum. Di wilayah frekuensi rendah, yaitu di h<<kT(energi kuantum sangat kecil dibandingkan dengan energi gerak termal kT), rumus Planck (200.3) sama dengan rumus Rayleigh-Jeans (200.1). Untuk membuktikannya, mari kita kembangkan fungsi eksponensial menjadi sebuah deret, batasi diri kita pada dua suku pertama untuk kasus yang sedang dipertimbangkan: Mengganti ekspresi terakhir ke dalam rumus Planck (200.3), kita menemukan bahwa yaitu, kami memperoleh rumus Rayleigh-Jeans (200.1). Dari rumus Planck dapat diperoleh hukum Stefan-Boltzmann. Menurut (198.3) dan (200.3), Mari kita perkenalkan variabel tak berdimensi X=h/(kt); D X=HD
/(k T); d=kTD x/jam.Rumus untuk Redikonversikan ke dalam bentuk (200.4)
Di mana Karena Jadi, memang, rumus Planck memungkinkan kita memperoleh hukum Stefan-Boltzmann (lih. rumus (199.1) dan (200.4)). Selain itu, substitusi nilai numerik k, sDan Hmemberikan nilai konstanta Stefan-Boltzmann yang sesuai dengan data eksperimen. Kita memperoleh hukum perpindahan Wien menggunakan rumus (197.1) dan (200.3): Di mana Arti
maks , saat fungsi mencapai maksimum, kita mencarinya dengan menyamakan turunan ini dengan nol. Kemudian, dengan masuk x=hc/(kTmaks ), kita mendapatkan persamaannya Memecahkan persamaan transendental ini dengan metode pendekatan yang berurutan memberikan X=4,965. Karena itu, hc/(kTmaks )=4.965, dari mana yaitu, kita memperoleh hukum perpindahan Wien (lihat (199.2)). Dari rumus Planck mengetahui konstanta universal jam, kDan Dengan,Anda dapat menghitung konstanta Stefan-Boltzmann
dan Anggur B.Di sisi lain, mengetahui nilai eksperimen
Dan B,nilai dapat dihitung HDan k(inilah tepatnya bagaimana nilai numerik konstanta Planck pertama kali ditemukan). Dengan demikian, rumus Planck tidak hanya sesuai dengan data eksperimen, tetapi juga mengandung hukum tertentu dari radiasi termal, dan juga memungkinkan seseorang menghitung konstanta dalam hukum radiasi termal. Oleh karena itu, rumus Planck merupakan solusi lengkap terhadap masalah dasar radiasi termal yang dikemukakan oleh Kirchhoff. Solusinya menjadi mungkin hanya berkat hipotesis kuantum revolusioner Planck. 6. Persamaan Einstein untuk efek fotolistrik Mari kita coba menjelaskan hukum eksperimental efek fotolistrik menggunakan teori elektromagnetik Maxwell. Gelombang elektromagnetik menyebabkan elektron mengalami osilasi elektromagnetik. Pada amplitudo vektor kuat medan listrik yang konstan, jumlah energi yang diterima elektron dalam proses ini sebanding dengan frekuensi gelombang dan waktu “berayun”. Dalam hal ini, elektron harus menerima energi yang sama dengan fungsi kerja pada frekuensi gelombang berapa pun, tetapi hal ini bertentangan dengan hukum eksperimen ketiga efek fotolistrik. Ketika frekuensi gelombang elektromagnetik meningkat, lebih banyak energi yang ditransfer ke elektron per satuan waktu, dan fotoelektron harus dipancarkan dalam jumlah yang lebih besar, dan ini bertentangan dengan hukum eksperimen pertama. Dengan demikian, mustahil menjelaskan fakta-fakta ini dalam kerangka teori elektromagnetik Maxwell. Pada tahun 1905, untuk menjelaskan fenomena efek fotolistrik, A. Einstein menggunakan konsep kuantum cahaya, yang diperkenalkan pada tahun 1900 oleh Planck, dan menerapkannya pada penyerapan cahaya oleh materi. Radiasi cahaya monokromatik yang datang pada suatu logam terdiri dari foton. Foton adalah partikel elementer yang mempunyai energi W0=hν.Elektron di lapisan permukaan logam menyerap energi foton ini, dan satu elektron menyerap energi satu atau lebih foton sepenuhnya. Jika energi foton W0
sama atau melebihi fungsi kerja, maka elektron dikeluarkan dari logam. Dalam hal ini, sebagian energi foton dihabiskan untuk menjalankan fungsi kerja AV, dan sisanya menjadi energi kinetik fotoelektron: W0=AB+kamu2maks2,
hν=AB+kamu2maks2 - Persamaan Einstein untuk efek fotolistrik.
Ini mewakili hukum kekekalan energi sebagaimana diterapkan pada efek fotolistrik. Persamaan ini ditulis untuk efek fotolistrik foton tunggal, ketika kita berbicara tentang pengusiran elektron yang tidak terikat pada atom (molekul). Berdasarkan konsep kuantum cahaya, hukum efek fotolistrik dapat dijelaskan. Diketahui intensitas cahaya SAYA=WSt, Di mana W- energi cahaya datang, S- luas permukaan tempat cahaya jatuh, T- waktu. Menurut teori kuantum, energi ini dibawa oleh foton. Karena itu, W=NF
hν, Di mana
Karakteristik radiasi termal:
Cahaya benda, yaitu pancaran gelombang elektromagnetik oleh benda, dapat dicapai melalui berbagai mekanisme.
Radiasi termal adalah pancaran gelombang elektromagnetik akibat pergerakan termal molekul dan atom. Selama gerakan termal, atom-atom bertabrakan satu sama lain, mentransfer energi, memasuki keadaan tereksitasi, dan ketika beralih ke keadaan dasar, mereka memancarkan gelombang elektromagnetik.
Radiasi termal diamati pada semua suhu selain 0 derajat. Kelvin, pada suhu rendah gelombang inframerah panjang dipancarkan, dan pada suhu tinggi gelombang tampak dan gelombang UV dipancarkan. Semua jenis radiasi lainnya disebut pendaran.
Mari kita tempatkan tubuh di dalam cangkang dengan permukaan reflektif yang ideal dan memompa udara keluar dari cangkang. (Gbr. 1). Radiasi yang keluar dari tubuh dipantulkan dari dinding cangkang dan diserap kembali oleh tubuh, yaitu terjadi pertukaran energi yang konstan antara tubuh dan radiasi. Dalam keadaan setimbang, jumlah energi yang dipancarkan suatu benda dengan satuan volume dinyatakan dalam satuan. waktu sama dengan energi yang diserap tubuh. Jika keseimbangan terganggu, timbul proses yang memulihkannya. Misalnya: jika suatu benda mulai mengeluarkan lebih banyak energi daripada yang diserapnya, maka energi internal dan suhu tubuh menurun, yang berarti ia mengeluarkan lebih sedikit energi dan terjadi penurunan suhu tubuh hingga jumlah energi yang dipancarkan sama dengan jumlah yang diterima. . Hanya radiasi termal yang mencapai keseimbangan.
Luminositas energi - , dimana 
menunjukkan apa yang bergantung padanya ( 
- suhu).
Luminositas energi adalah energi yang dipancarkan per unit. luas dalam satuan waktu. 
. Oleh karena itu, radiasinya mungkin berbeda menurut analisis spektral 
- kerapatan spektral luminositas energi: 
adalah energi yang dipancarkan dalam rentang frekuensi 
adalah energi yang dipancarkan dalam rentang panjang gelombang 
per satuan luas per satuan waktu.
Kemudian 
;
- digunakan dalam kesimpulan teoritis, dan 
- ketergantungan eksperimental. 
sesuai 
, Itu sebabnya 
Kemudian 
, Karena 
, Itu 
. Tanda “-” menunjukkan bahwa jika frekuensi bertambah, panjang gelombang berkurang. Oleh karena itu, kami membuang “-” saat mengganti 
.
- Absorptivitas spektral adalah energi yang diserap oleh tubuh. Ini menunjukkan berapa bagian energi radiasi yang datang pada frekuensi (atau panjang gelombang) tertentu yang diserap oleh permukaan. 
.
Tubuh yang benar-benar hitam - Ini adalah benda yang menyerap semua radiasi yang mengenainya pada frekuensi dan suhu berapa pun. 
. Benda abu-abu adalah benda yang kapasitas serapan spektralnya kurang dari 1, tetapi sama untuk semua frekuensi 
. Untuk semua badan lainnya 
, tergantung pada frekuensi dan suhu.
Dan 
tergantung pada: 1) bahan tubuh 2) frekuensi atau panjang gelombang 3) kondisi permukaan dan suhu.
hukum Kirchhoff.
Antara kerapatan spektral luminositas energik ( 
) dan serapan spektral ( 
) untuk setiap benda pasti ada hubungannya.
Mari kita tempatkan beberapa benda berbeda di dalam cangkang pada suhu yang berbeda, memompa udara keluar dan menjaga cangkang pada suhu konstan T. Pertukaran energi antara benda dan benda serta cangkang akan terjadi karena radiasi. Setelah beberapa waktu, sistem akan masuk ke keadaan setimbang, yaitu suhu semua benda sama dengan suhu kulit, tetapi benda berbeda, jadi jika satu benda memancarkan satuan. waktu, lebih banyak energi maka harus menyerap lebih banyak dari yang lain agar suhu benda menjadi sama, artinya 
- mengacu pada badan yang berbeda.
Hukum Kirchhoff: rasio kerapatan spektral luminositas energik dan absorptivitas spektral untuk semua benda adalah fungsi frekuensi dan suhu yang sama - ini adalah fungsi Kirchhoff. Arti fisik fungsinya: untuk benda yang benar-benar hitam 
oleh karena itu, dari hukum Kirchhoff berikut ini 
untuk benda yang benar-benar hitam, yaitu fungsi Kirchhoff adalah kerapatan spektral luminositas energi benda yang benar-benar hitam. Luminositas energik benda hitam dilambangkan dengan: 
, Itu sebabnya 
Karena fungsi Kirchhoff adalah fungsi universal untuk semua benda, tugas utamanya adalah radiasi termal, penentuan eksperimental jenis fungsi Kirchhoff, dan penentuan model teoretis yang menggambarkan perilaku fungsi-fungsi ini.
Tidak ada benda yang benar-benar hitam di alam, jelaga, beludru, dll. ada di dekatnya. Anda dapat memperoleh model benda hitam secara eksperimental, untuk ini kita mengambil cangkang berlubang kecil, cahaya masuk ke dalamnya dan berulang kali dipantulkan dan diserap dengan setiap pantulan dari dinding, sehingga cahayanya tidak keluar, atau jumlahnya sangat kecil. , yaitu alat tersebut berperilaku dalam kaitannya dengan penyerapan, itu adalah benda yang benar-benar hitam, dan menurut hukum Kirchhoff, ia memancarkan sebagai benda hitam, yaitu, dengan memanaskan atau mempertahankan cangkang secara eksperimental pada suhu tertentu, kita dapat mengamati radiasi yang keluar dari cangkangnya. Dengan menggunakan kisi difraksi, kami menguraikan radiasi menjadi suatu spektrum dan, dengan menentukan intensitas dan radiasi di setiap wilayah spektrum, ketergantungannya ditentukan secara eksperimental. 
(gr.1). Ciri-ciri: 1) Spektrumnya kontinu, yaitu semua kemungkinan panjang gelombang diamati. 2) Kurva melewati maksimum, yaitu energi terdistribusi tidak merata. 3) Dengan meningkatnya suhu, maksimum bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek.
Mari kita jelaskan model benda hitam dengan contoh, yaitu jika cangkang disinari dari luar, lubang tampak hitam dengan latar belakang dinding bercahaya. Meski dindingnya dibuat hitam, lubangnya tetap lebih gelap. Biarkan permukaan porselen putih memanas dan lubangnya akan terlihat jelas dengan latar belakang dinding yang bercahaya redup.
Hukum Stefan-Boltzmann
Setelah melakukan serangkaian percobaan dengan berbagai benda, kami menentukan bahwa luminositas energi suatu benda sebanding dengan 
. Boltzmann menemukan bahwa luminositas energi benda hitam sebanding dengan 
dan menuliskannya. 
- Fakultas Stefan-Boltzmann.
Konstanta Boltzmann. 
.
Hukum Anggur.
Pada tahun 1893 Vin menerima - 
- Hukum Wien. 
;
;
;
, Itu 
. Mari kita gantikan: 
;
;
.
, Kemudian 
,
- berfungsi dari 
, yaitu. 
- solusi persamaan ini relatif terhadap 
akan ada beberapa nomor di 
;
dari percobaan ditentukan bahwa 
- Rasa Bersalah yang terus-menerus.
Hukum perpindahan Wien.
rumusan: panjang gelombang ini sesuai dengan kerapatan spektral maksimum dari luminositas energi benda yang benar-benar hitam berbanding terbalik dengan suhu.
rumus Rayleigh-Jeans.
Definisi: Aliran energi adalah energi yang ditransfer melalui suatu lokasi per satuan waktu. 
. Kerapatan fluks energi adalah energi yang ditransfer melalui suatu satuan luas per satuan waktu 
. Kerapatan energi volumetrik adalah energi per satuan volume 
. Jika gelombang merambat dalam satu arah, maka melalui daerah tersebut 
selama 
energi yang ditransfer dalam volume silinder sama dengan 
(Gbr. 2) lalu 
. Mari kita perhatikan radiasi termal dalam rongga yang dindingnya benar-benar hitam, maka 1) semua radiasi yang datang ke dinding diserap. 2) Kerapatan fluks energi ditransfer melalui setiap titik di dalam rongga ke segala arah 
(Gbr. 3). Rayleigh dan Jeans menganggap radiasi termal dalam rongga sebagai superposisi gelombang berdiri. Dapat ditunjukkan bahwa itu sangat kecil 
memancarkan fluks radiasi ke dalam rongga di belahan bumi 
.
.
Luminositas energik suatu benda hitam adalah energi yang dipancarkan per satuan luas per satuan waktu, yang berarti fluks radiasi energi sama dengan: 
,
; Disamakan 
;
adalah kepadatan energi volumetrik per interval frekuensi 
. Rayleigh dan Jeans menggunakan hukum termodinamika distribusi energi yang seragam pada derajat kebebasan. Gelombang berdiri mempunyai derajat kebebasan dan untuk setiap derajat kebebasan yang berosilasi terdapat energi 
. Jumlah gelombang berdiri sama dengan jumlah gelombang berdiri dalam rongga. Dapat ditunjukkan banyaknya gelombang berdiri per satuan volume dan per interval frekuensi 
sama 
disini diperhitungkan bahwa 2 gelombang yang orientasinya saling tegak lurus dapat merambat dalam satu arah 
.
Jika energi satu gelombang dikalikan dengan jumlah gelombang berdiri per satuan volume rongga per interval frekuensi 
kita mendapatkan kepadatan energi volumetrik per interval frekuensi 
.
. Dengan demikian 
kita akan menemukannya dari sini 
untuk ini 
Dan 
. Mari kita gantikan 
. Mari kita gantikan 
V 
, Kemudian 
- Rumus Rayleigh-Jeans. Rumus tersebut menggambarkan dengan baik data eksperimen di wilayah panjang gelombang panjang.
(gr.2) 
;
dan percobaan menunjukkan hal itu 
. Menurut rumus Rayleigh-Jeans, benda hanya memancarkan radiasi dan tidak terjadi interaksi termal antara benda dengan radiasi.
rumus Planck.
Planck, seperti Rayleigh-Jeans, menganggap radiasi termal dalam rongga sebagai superposisi gelombang berdiri. Juga 
,
,
, tetapi Planck mendalilkan bahwa radiasi tidak terjadi terus menerus, tetapi ditentukan dalam porsi - kuanta. Energi setiap kuantum mengambil nilainya 
,itu 
atau energi osilator harmonik mengambil nilai diskrit. Osilator harmonik dipahami tidak hanya sebagai partikel yang melakukan osilasi harmonik, tetapi juga sebagai gelombang berdiri.
Untuk menentukan 
nilai rata-rata energi memperhitungkan bahwa energi didistribusikan tergantung pada frekuensi menurut hukum Boltzmann, yaitu probabilitas bahwa gelombang dengan frekuensi 
mengambil nilai energi 
sama dengan 
,
, Kemudian 
.
;
,
.
- Rumus Planck. 
;
;
. Rumus tersebut sepenuhnya menggambarkan ketergantungan eksperimental 
dan semua hukum radiasi termal mengikuti darinya.
Akibat wajar dari rumus Planck.
;
1)
Frekuensi rendah dan suhu tinggi 
;
;
- Rayleigh Jeans.
2)
Frekuensi tinggi dan suhu rendah 
;
dan itu hampir 
- Hukum Anggur. 3) 
- Hukum Stefan-Boltzmann.
4)
;
;
;
- persamaan transendental ini, menyelesaikannya menggunakan metode numerik, kita memperoleh akar persamaannya 
;
- Hukum perpindahan Wien.
Dengan demikian, rumus tersebut menggambarkan ketergantungan secara lengkap 
dan semua hukum radiasi termal tidak mengikuti.
Penerapan hukum radiasi termal.
Ini digunakan untuk menentukan suhu benda panas dan benda bercahaya. Untuk tujuan ini pirometer digunakan. Pirometri adalah metode yang menggunakan ketergantungan ketergantungan energi benda pada laju pancaran benda panas dan digunakan untuk sumber cahaya. Untuk tungsten, bagian energi di bagian spektrum tampak jauh lebih besar dibandingkan benda hitam pada suhu yang sama.