Φως από την άποψη της κβαντικής οπτικής. Οπτική

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ

Ένας κλάδος της στατιστικής οπτικής που μελετά τη μικροδομή των φωτεινών πεδίων και των οπτικών πεδίων. φαινόμενα στα οποία είναι ορατό ένα κβάντο. φύση του φωτός. Η ιδέα του κβαντικού. η δομή της ακτινοβολίας εισάγεται στα γερμανικά. ο φυσικός M. Planck το 1900.

Στατιστικός δομή παρεμβολής Τα πεδία παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά από τον S.I. Vavilov (1934) και πρότεινε επίσης τον όρο «μικροδομή του φωτός».

Το φως είναι ένα πολύπλοκο φυσικό. ένα αντικείμενο του οποίου η κατάσταση καθορίζεται από άπειρο αριθμό παραμέτρων. Αυτό ισχύει και για τη μονοχρωματική ακτινοβολία, η οποία είναι κλασική. Η περιγραφή χαρακτηρίζεται πλήρως από πλάτος, συχνότητα, φάση και πόλωση. Το πρόβλημα του πλήρους προσδιορισμού του πεδίου φωτός δεν μπορεί να λυθεί λόγω ανυπέρβλητων τεχνικών δυσκολιών. δυσκολίες που σχετίζονται με άπειρο αριθμό μετρήσεων παραμέτρων πεδίου. Πρόσθετος Το Quantum συμβάλλει σημαντικά στην πολυπλοκότητα της επίλυσης αυτού του προβλήματος. χαρακτήρα των μετρήσεων, αφού συνδέονται με την καταγραφή φωτονίων από φωτοανιχνευτές.

Η πρόοδος στη φυσική λέιζερ και οι βελτιώσεις στην τεχνολογία για την καταγραφή ασθενών ροών φωτός καθόρισαν την ανάπτυξη και τα καθήκοντα της όρασης με λέιζερ. Πηγές φωτός Dolaser σύμφωνα με τα στατιστικά τους. St. είστε του ίδιου τύπου με τις γεννήτριες θορύβου που έχουν Gaussian. Η κατάσταση των πεδίων τους καθορίζεται σχεδόν πλήρως από το σχήμα του φάσματος ακτινοβολίας και την έντασή του. Με την έλευση του κβαντικού. γεννήτριες και κβαντικό. ενισχυτές Κ. ο. έλαβε στη διάθεσή του ένα ευρύ φάσμα πηγών με πολύ διαφορετικά, συμπεριλαμβανομένων μη γκαουσιανών, στατιστικών δεδομένων. har-kami.

Το απλούστερο χαρακτηριστικό του πεδίου είναι βλ. ένταση. Ένας πληρέστερος χαρακτηρισμός της χωροχρονικής κατανομής της έντασης του πεδίου, που προσδιορίζεται από πειράματα καταγραφής φωτονίων σε βάθος χρόνου με έναν ανιχνευτή. Οι κβαντικές μελέτες παρέχουν ακόμη πιο ολοκληρωμένες πληροφορίες για την κατάσταση του πεδίου. την αποσύνθεσή του ποσότητες που μπορούν να προσδιοριστούν εν μέρει από πειράματα σχετικά με την κοινή καταγραφή φωτονίων σε ένα πεδίο πολλών. δέκτες, ή στη μελέτη διεργασιών πολλαπλών φωτονίων στη μονάδα.

Κέντρο. έννοιες στην κβαντική θεωρία που καθορίζουν την κατάσταση του πεδίου και την εικόνα των διακυμάνσεων του, τα φαινόμενα. τα λεγόμενα συναρτήσεις συσχέτισης ή συσχετιστές πεδίου. Ορίζονται ως κβαντομηχανικά. μέσοι όροι τελεστών πεδίου (βλ. ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΠΕΔΙΟΥ). Ο βαθμός πολυπλοκότητας των συσχετιστών καθορίζει την κατάταξη και όσο υψηλότερη είναι, τόσο πιο λεπτά είναι τα στατιστικά δεδομένα. Τα ιερά χωράφια χαρακτηρίζονται από αυτό. Συγκεκριμένα, αυτές οι συναρτήσεις καθορίζουν το μοτίβο της κοινής καταγραφής φωτονίων με την πάροδο του χρόνου από έναν αυθαίρετο αριθμό ανιχνευτών. Οι συναρτήσεις συσχέτισης παίζουν σημαντικό ρόλο στη μη γραμμική οπτική. Όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός οπτικής μη γραμμικότητας. διαδικασία, τόσο υψηλότεροι οι συσχετιστές κατάταξης χρειάζονται για να την περιγράψουν. Ιδιαίτερη σημασία στην Κ. ο. έχει την έννοια της κβαντικής συνοχής. Υπάρχουν μερικά και πλήρη πεδία. Ένα πλήρως συνεκτικό κύμα στην επίδρασή του στα συστήματα είναι όσο το δυνατόν πιο παρόμοιο με το κλασικό. μονόχρωμος κύμα. Αυτό σημαίνει ότι το κβαντικό. οι διακυμάνσεις του συνεκτικού πεδίου είναι ελάχιστες. Η ακτινοβολία των λέιζερ με μια στενή φασματική ζώνη είναι κοντά στα χαρακτηριστικά της έως εντελώς συνεκτική.

Σχετική έρευνα. λειτουργίες ανώτερης τάξης σας επιτρέπει να μελετάτε φυσική. σε συστήματα εκπομπής (για παράδειγμα, σε λέιζερ). Μέθοδοι του Κ. ο. καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό των λεπτομερειών του intermol. υπεύθυνος για αλλαγές στα στατιστικά στοιχεία φωτομέτρησης όταν το φως διασκορπίζεται σε ένα μέσο.

Φυσικό εγκυκλοπαιδικό λεξικό. - Μ.: Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια. . 1983 .

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ

Ο κλάδος της οπτικής που μελετά τη στατιστική. ιδιότητες των φωτεινών πεδίων και την κβαντική εκδήλωση αυτών των ιδιοτήτων στις διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη. Η ιδέα της κβαντικής δομής της ακτινοβολίας εισήχθη από τον M. Planck το 1900. Ένα φωτεινό πεδίο, όπως κάθε φυσικό πεδίο. το πεδίο, λόγω της κβαντικής του φύσης, είναι ένα στατιστικό αντικείμενο, δηλαδή η κατάστασή του προσδιορίζεται με πιθανολογική έννοια. Από τη δεκαετία του '60 άρχισε εντατική μελέτη στατιστικών. κατανομή.) Επιπλέον, η κβαντική διαδικασία της αυθόρμητης παραγωγής φωτονίων είναι μια μη αναγώγιμη πηγή σημαντικών διακυμάνσεων των πεδίων που μελετήθηκαν από το σύμπαν. Τέλος, η καταγραφή του φωτός από τους ίδιους τους φωτοανιχνευτές - φωτομετρήσεις - είναι μια διακριτή κβαντική. θόρυβος γεννητριών ακτινοβολίας, στο μέσο, ​​κ.λπ., μη γραμμική οπτική. αφενός στη μη γραμμική οπτική. διεργασίες, συμβαίνει μια στατιστική αλλαγή. ιδιότητες του φωτεινού πεδίου, από την άλλη πλευρά, οι στατιστικές του πεδίου επηρεάζουν την πορεία των μη γραμμικών διεργασιών. συναρτήσεις συσχέτισης ή συσχετιστές πεδίου. Ορίζονται ως κβαντομηχανικά. μέσοι όροι από χειριστές πεδίου (βλ Κβαντική θεωρία πεδίου).Τα πιο απλά χαρακτηριστικά ενός πεδίου είναι του και βλ. ένταση. Αυτά τα χαρακτηριστικά βρίσκονται από πειράματα, για παράδειγμα, η ένταση του φωτός - με τη μέτρηση του ρυθμού φωτοεκπομπής ηλεκτρονίων σε έναν φωτοπολλαπλασιαστή. Θεωρητικά, αυτές οι ποσότητες περιγράφονται (χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η πόλωση πεδίου) από έναν συσχετιστή πεδίου στον οποίο - Ερμιτικά συζυγή εξαρτήματα του ηλεκτρικού χειριστή. χωράφια
σε ένα χωροχρονικό σημείο x=(r,t).Χειριστής εκφράζεται μέσω - χειριστής καταστροφής (βλ Δευτερεύουσα κβαντοποίηση)φωτόνι" κ«ο τομέας της μόδας ΗΒ(r):

Αντίστοιχα, εκφράζεται μέσω του τελεστή γέννησης Sign< . . . >υποδηλώνει τον κβαντικό μέσο όρο στις καταστάσεις πεδίου, και αν εξετάζεται με την ύλη, τότε και πάνω από τις καταστάσεις της ύλης. πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του πεδίου περιέχονται στον συσχετιστή σολ 1,1 (Χ 1 , Χ 2). Γενικά, ένας λεπτομερής προσδιορισμός της κατάστασης πεδίου απαιτεί γνώση της συσχέτισης. λειτουργίες ανώτερων τάξεων (βαθμοί). Η τυπική μορφή συσχετιστών, λόγω της σύνδεσής της με την καταχώρηση της απορρόφησης φωτονίων, γίνεται αποδεκτή ως κανονικά παραγγελθείσα:

αυτό είναι όλο ΠΟι τελεστές δημιουργίας βρίσκονται στα αριστερά όλων των τελεστών εκμηδένισης Η σειρά του συσχετιστή είναι ίση με το άθροισμα n+mΕίναι πρακτικά δυνατή η μελέτη συσχετιστών χαμηλής τάξης. Τις περισσότερες φορές αυτό είναι ένας συσχετιστής σολ 2,2 (Χ 1 ,Χ 2 ;Χ 2 ,Χ 1), που χαρακτηρίζει τις διακυμάνσεις της έντασης της ακτινοβολίας, διαπιστώνεται από πειράματα για την κοινή μέτρηση φωτονίων από δύο ανιχνευτές. Ο συσχετιστής ορίζεται παρόμοια Gn,n(Χ 1 ,. . .χ σελ;x p,. ..Χ 1) από την καταχώρηση μετρήσεων φωτονίων Πδέκτες ή από δεδομένα n-απορρόφηση φωτονίων. G n,m s Π№Τείναι δυνατή μόνο σε μη γραμμική οπτική. πειράματα. Στις σταθερές μετρήσεις, η προϋπόθεση για την αναλλοίωτη του συσχετιστή Γν, μέγκαιρα απαιτεί την εκπλήρωση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας:

όπου w 6 είναι οι αρμονικές συχνότητες των τελεστών, αντίστοιχα. Συγκεκριμένα, σολ 2, l βρίσκονται από το χωρικό μοτίβο παρεμβολής αλληλεπίδρασης τριών κυμάτων στη διαδικασία καταστροφής ενός και δημιουργίας δύο κβαντών (βλ. Αλληλεπίδραση κυμάτων φωτός).Από τους μη στάσιμους συσχετιστές, αυτό που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι σολ 0,1 (Χ), τον προσδιορισμό της ισχύος του κβαντικού πεδίου. Μέγεθος | σολ 0,1 (Χ)| Το 2 δίνει την τιμή της έντασης του πεδίου μόνο στο spec. περιπτώσεις, ιδίως για συνεκτικά πεδία. p(n,T) - πιθανότητα εφαρμογής ακριβώς Πφωτομετρήσεις σε ένα χρονικό διάστημα Τ.Αυτό το χαρακτηριστικό περιέχει κρυφές πληροφορίες για συσχετιστές αυθαίρετα υψηλών παραγγελιών. Η αποκάλυψη κρυφών πληροφοριών, ιδίως ο προσδιορισμός της κατανομής της έντασης της ακτινοβολίας ανά πηγή, είναι το αντικείμενο του λεγόμενου. αντίστροφο πρόβλημα μέτρησης φωτονίων στον κόσμο. Η μέτρηση φωτονίων είναι ένα πείραμα που έχει θεμελιωδώς κβαντική φύση, η οποία εκδηλώνεται ξεκάθαρα όταν η ένταση Εγώτο καταχωρημένο πεδίο δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις. Ακόμη και σε αυτήν την περίπτωση, προκαλείται από μια χρονικά τυχαία ακολουθία φωτομετρήσεων με Κατανομή Poisson

όπου b είναι το χαρακτηριστικό ευαισθησίας του φωτοανιχνευτή, το λεγόμενο. την αποτελεσματικότητά του. Εννοια σολ(Χ 1 ,Χ 2) τείνει στο 1 καθώς τα χωροχρονικά σημεία απέχουν μεταξύ τους Χ 1 και Χ 2, που αντιστοιχεί στη στατιστική ανεξαρτησία των φωτομετρήσεων σε αυτά. Όταν συνδυάζονται σημεία Χ 1 =Χ 2 =Χδιαφορά σολ (Χ, Χ)Από τη μία ( σολ- 1) χαρακτηρίζει το επίπεδο διακύμανσης της έντασης της ακτινοβολίας και εκδηλώνεται στη διαφορά στον αριθμό των συμπτώσεων των φωτομετρήσεων που λαμβάνονται κατά την ταυτόχρονη και ανεξάρτητη καταχώρισή τους από δύο ανιχνευτές. Οι διακυμάνσεις στην ένταση ενός πεδίου μονού τρόπου χαρακτηρίζονται από το μέγεθος

όπου είναι βολικό να πραγματοποιηθεί ο μέσος όρος των καταστάσεων | n> (βλ διάνυσμα κατάστασης)Με μήτρα πυκνότητας

σε μια περικοπή R p -πιθανότητα πραγματοποίησης του τρόπου πεδίου στην κατάσταση με Πφωτόνια. Για θερμική ακτινοβολία η πιθανότητα R σελδεδομένος Bose- Στατιστικά στοιχεία του Αϊνστάιν:

όπου βλ. αριθμός φωτονίων σε λειτουργία Πρόκειται για ένα πεδίο υψηλής διακύμανσης, για το οποίο g= 2. Χαρακτηρίζεται θετικά. συσχέτιση σολ- 1>0 στην ταυτόχρονη καταχώρηση δύο φωτονίων. Τέτοιες περιπτώσεις διακυμάνσεων της έντασης, όταν ζ> 1, που ονομάζεται σε. ομαδοποίηση φωτονίων. g-1=0 αντιπροσωπεύουν τα πεδία που βρίσκονται στο λεγόμενο. συνεκτικές καταστάσεις, uk-rykh Αυτό που διατίθεται ειδικά στον Κ. ο. μια κατηγορία πεδίων με μη κυμαινόμενη ένταση δημιουργείται, για παράδειγμα, από κλασικά κινούμενα ηλεκτρικά φορτία. Συνεκτικά πεδία μέγ. περιγράφονται απλώς στο λεγόμενο. R(α)-Αναπαράσταση Glauber (βλ κβαντική συνοχή).Σε αυτή την άποψη

Οπου

Η έκφραση (**) μπορεί να θεωρηθεί ότι αντιστοιχεί στην κλασική. έκφραση για σολ,στο Κρομ R(α) θεωρείται ότι είναι η συνάρτηση κατανομής μιγαδικών πλατών κλασική. πεδία και για τα οποία πάντα P(a)>0. Το τελευταίο οδηγεί στην κατάσταση σολ>1, δηλαδή στη δυνατότητα στο κλασικό Ομαδοποίηση μόνο πεδίων. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι διακυμάνσεις της έντασης του κλασικού Τα πεδία προκαλούν ταυτόχρονα την ίδια αλλαγή στους φωτομετρητές και στους δύο φωτοανιχνευτές.

R(α) == d 2 (a - a 0) = d d -

δισδιάστατη συνάρτηση d στο μιγαδικό επίπεδο α. Θερμικό κλασικό τα πεδία χαρακτηρίζονται από θετικά f-tion (που περιγράφει την ομαδοποίηση σε αυτά). Για κβαντικά πεδία R(α) είναι μια πραγματική συνάρτηση, αλλά στο πεπερασμένο πεδίο του ορίσματος a μπορεί να είναι αρνητικό. που σημαίνει, τότε αντιπροσωπεύει το λεγόμενο. οιονεί πιθανότητες. Στατιστικά πλήθους φωτογραφιών για πεδία με επακριβώς καθορισμένο αριθμό Ν>1 φωτόνια στη μόδα P n =ρε nN(ρε nN - σύμβολο Kronecker) είναι ουσιαστικά μη κλασικό. Για αυτή την κατάσταση g = 1 - 1/Ν,που αντιστοιχεί σε αρνητικό. συσχετισμοί: σολ- 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.Λιτ.: Glauber R., Optical coherence and photon statistics, στο βιβλίο: Quantum optics and quantum radiophysics, trans. από τα Αγγλικά and French, Μ., 1966; Klauder J., Sudarshan E., Fundamentals of Quantum Optics, μτφρ. from English, M.. 1970; Περίνα Για., Συνοχή φωτός, μτφρ. from English, Μ., 1974; Φασματοσκοπία οπτικής μίξης και φωτονίων, εκδ. G, Cummins, E. Pike, μτφρ. from English, Μ., 1978; Klyshko D.N., Fotony i, Μ., 1980; Crosignani B., Di Porto P., Bertolotti M., Statistical properties of scattered light, trans. από τα αγγλικά, Μ., 1980. S.G. Przhibelsky.

Φυσική εγκυκλοπαίδεια. Σε 5 τόμους. - Μ.: Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια. Αρχισυντάκτης A. M. Prokhorov. 1988 .

Δείτε τι είναι το "QUANTUM OPTICS" σε άλλα λεξικά:

Ένας κλάδος της οπτικής που μελετά τις στατιστικές ιδιότητες των φωτεινών πεδίων (ροές φωτονίων) και τις κβαντικές εκδηλώσεις αυτών των ιδιοτήτων στις διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη... Μεγάλο Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ- ένας κλάδος της θεωρητικής φυσικής που μελετά τη μικροδομή των φωτεινών πεδίων και των οπτικών φαινομένων που επιβεβαιώνουν την κβαντική φύση του φωτός... Μεγάλη Πολυτεχνική Εγκυκλοπαίδεια

Η κβαντική οπτική είναι ο κλάδος της οπτικής που ασχολείται με τη μελέτη φαινομένων στα οποία εκδηλώνονται οι κβαντικές ιδιότητες του φωτός. Αυτά τα φαινόμενα περιλαμβάνουν: θερμική ακτινοβολία, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φαινόμενο Compton, φαινόμενο Raman, φωτοχημικές διεργασίες, ... ... Wikipedia

Ένας κλάδος της οπτικής που μελετά τις στατιστικές ιδιότητες των φωτεινών πεδίων (ροές φωτονίων) και τις κβαντικές εκδηλώσεις αυτών των ιδιοτήτων στις διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη. * * * QUANTUM OPTICS Η QUANTUM OPTICS, ένας κλάδος της οπτικής που μελετά τη στατιστική... ... εγκυκλοπαιδικό λεξικό

κβαντική οπτική- kvantinė optika statusas T sritis fizika atitikmenys: αγγλ. κβαντική οπτική vok. Quantenoptik, f rus. κβαντική οπτική, f pranc. optique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

Ο κλάδος της οπτικής που μελετά τη στατιστική. ιδιότητες των φωτεινών πεδίων (ροές φωτονίων) και κβαντικές εκδηλώσεις αυτών των ιδιοτήτων στις διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη... Φυσικές Επιστήμες. εγκυκλοπαιδικό λεξικό

Έχει τις ακόλουθες υποενότητες (η λίστα δεν είναι πλήρης): Κβαντική μηχανική Αλγεβρική κβαντική θεωρία Κβαντική θεωρία πεδίου Κβαντική ηλεκτροδυναμική Κβαντική χρωμοδυναμική Κβαντική θερμοδυναμική Κβαντική βαρύτητα Θεωρία υπερχορδών Δείτε επίσης... ... Wikipedia

Το περιεχόμενο του άρθρου

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ– κλάδος της οπτικής που μελετά τις κβαντικές ιδιότητες του φωτός. Μπορούμε να πούμε ότι η κβαντική οπτική είναι η κβαντική φυσική του φωτός. Το ενδιαφέρον για την κβαντική οπτική εμφανίστηκε στο πρώτο μισό του 20ου αιώνα, αλλά αυτός ο τομέας της επιστήμης έλαβε ιδιαίτερα εντατική ανάπτυξη στα τέλη του 20ου αιώνα, όταν οι φυσικοί έμαθαν να προετοιμάζουν ειδικές καταστάσεις φωτός - τις λεγόμενες μη κλασικές φως. Τώρα το μη κλασικό φως χρησιμοποιείται με επιτυχία στη μετρολογία, τη φασματοσκοπία και χρησιμοποιείται για ακριβείς μετρήσεις, καθώς και για μυστική μετάδοση πληροφοριών. Επιπλέον, προσεγγίσεις και μέθοδοι κβαντικής οπτικής μπορούν να συμπληρώσουν σημαντικά τις πληροφορίες που παρέχονται από διάφορες μετρήσεις που σχετίζονται με την εκπομπή και την απορρόφηση του φωτός.

Quanta.

Ήταν για το φως, και πιο συγκεκριμένα, για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, που προτάθηκε για πρώτη φορά η ιδέα μιας κβαντικής περιγραφής. Αυτή η ιδέα προτάθηκε το 1900 από τον Μαξ Πλανκ, ο οποίος πρότεινε ότι η εκπομπή του φωτός συμβαίνει σε μερίδες - κβάντα. Αυτή η υπόθεση φάνηκε παράδοξη σε πολλούς, αλλά έγινε σωτήρια για ολόκληρο τον κλάδο της οπτικής. Κατέστησε δυνατή την εξήγηση του σχήματος του φάσματος ακτινοβολίας των θερμαινόμενων σωμάτων, το οποίο δεν μπορούσε να εξηγηθεί προηγουμένως. Προηγούμενες προσπάθειες υπολογισμού του φάσματος εκπομπής οδήγησαν στο γεγονός ότι στην περιοχή των μικρών μηκών κύματος, δηλ. στο υπεριώδες τμήμα του φάσματος προέκυψαν απεριόριστες μεγάλες τιμές απόκλισης. Φυσικά, δεν παρατηρήθηκαν αποκλίσεις στο πείραμα και αυτή η ασυμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος ονομάστηκε «υπεριώδης καταστροφή». Η υπόθεση ότι η εκπομπή φωτός συμβαίνει κατά τμήματα κατέστησε δυνατή την άρση των αποκλίσεων στα θεωρητικά υπολογισμένα φάσματα και, ως εκ τούτου, τη διάσωση της φυσικής από την «υπεριώδη καταστροφή».

Εκτός από τα φάσματα εκπομπής, υπήρχε ακόμα ένα ασαφές μέρος στη φυσική, δηλαδή το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου ( εκ. ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ). Δεν ήταν σαφές γιατί η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που εκτινάσσονται από ένα μέταλλο από το φως εξαρτάται από τη συχνότητα του φωτός. Επιπλέον, το φως με αρκετά χαμηλή συχνότητα δεν είναι καθόλου ικανό να προκαλέσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Δεδομένου ότι η χαμηλή συχνότητα του φωτός αντιστοιχεί στο κόκκινο μέρος του φάσματος, αυτό το φαινόμενο ονομάζεται κόκκινη άκρη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν χρησιμοποίησε την κβαντική υπόθεση για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η ιδέα του Αϊνστάιν ήταν ότι κάθε ηλεκτρόνιο λαμβάνει ένα μόνο μέρος ενέργειας - ένα κβαντικό. Και αν η ενέργεια αυτού του κβαντικού είναι μικρή, απλά δεν αρκεί για να βγει το ηλεκτρόνιο από το μέταλλο. Με βάση αυτή την ιδέα, ο Αϊνστάιν ανέπτυξε τη θεωρία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, η οποία επιβεβαιώθηκε τέλεια από πειραματικά δεδομένα.

Τώρα αποδεικνύεται ότι το φως εκπέμπεται και απορροφάται τμηματικά. Αυτό οδήγησε τον Αϊνστάιν να προτείνει ότι το φως έχει πάντα μια διακριτή δομή. Αυτή η υπέροχη ιδέα ήταν μόνο μια υπόθεση: τελικά, από το γεγονός ότι η απορρόφηση και η εκπομπή του φωτός συμβαίνει τμηματικά, δεν προκύπτει ότι το φως υπάρχει μόνο με τη μορφή μερίδων. Αλλά αυτή η ιδέα είναι που δικαιολογεί το όνομα «κβαντική οπτική», και ήταν με την ανάπτυξη της κβαντικής οπτικής που εμφανίστηκαν πιο επιτακτικά επιχειρήματα υπέρ της κβαντικής φύσης του φωτός.

Σωματίδια ή κύματα;

Στις αρχές του 20ου αιώνα. Τα κβάντα φωτός άρχισαν να ονομάζονται φωτόνια και η δήλωση σύντομα έγινε γενικά αποδεκτή: «Το φως αποτελείται από φωτόνια». Εμφανίστηκε η ιδέα του φωτός ως ροή σωματιδίων, δηλαδή σωματιδίων. Ωστόσο, τα κυματικά φαινόμενα που παρατηρήθηκαν για το φως, όπως η παρεμβολή και η περίθλαση, δεν μπορούσαν να εξηγηθούν από την άποψη της σωματικής δομής του φωτός. Αποδείχθηκε ότι το φως, και μάλιστα η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία γενικά, είναι κύματα και ταυτόχρονα μια ροή σωματιδίων ( εκ. ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ). Η συμφιλίωση αυτών των δύο απόψεων κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη στα μέσα του 20ού αιώνα. κβαντική προσέγγιση στην περιγραφή του φωτός. Από την άποψη αυτής της προσέγγισης, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις διάφορες κβαντικές καταστάσεις. Σε αυτήν την περίπτωση, υπάρχει μόνο μία διακεκριμένη κατηγορία καταστάσεων με δεδομένο αριθμό φωτονίων - καταστάσεις Fock, που ονομάζονται από τον V.A. Fock. Επομένως, η φράση "το φως αποτελείται από φωτόνια" δεν πρέπει να λαμβάνεται κυριολεκτικά - έτσι, για παράδειγμα, το φως μπορεί να είναι σε τέτοια κατάσταση που με πιθανότητα 99% να μην περιέχει φωτόνια και με πιθανότητα 1% να περιέχει δύο φωτόνια. Αυτή είναι μια από τις διαφορές μεταξύ ενός φωτονίου και άλλων στοιχειωδών σωματιδίων - για παράδειγμα, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε έναν περιορισμένο όγκο καθορίζεται με απόλυτη ακρίβεια και μπορεί να προσδιοριστεί μετρώντας το συνολικό φορτίο και διαιρώντας με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου . Ο αριθμός των φωτονίων που βρίσκονται σε έναν ορισμένο όγκο του χώρου για κάποιο χρονικό διάστημα μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις, συγκεκριμένα, μόνο όταν το φως βρίσκεται σε καταστάσεις Fock. Ένα ολόκληρο τμήμα της κβαντικής οπτικής είναι αφιερωμένο σε διάφορες μεθόδους παρασκευής φωτός σε διάφορες κβαντικές καταστάσεις· ειδικότερα, η προετοιμασία φωτός σε καταστάσεις Fock είναι μια σημαντική και όχι πάντα εφικτή εργασία.

Πείραμα Brown–Twiss.

Μεμονωμένα και συσχετισμένα φωτόνια . Θα μπορούσε να υπάρχει μη κβαντική φυσική του φωτός; Φυσικά, ναι, και στις περισσότερες περιπτώσεις τα οπτικά φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν χωρίς τη βοήθεια της κβαντικής θεωρίας. Αλλά υπάρχουν πολλές περιπτώσεις όπου αυτό δεν συμβαίνει και όπου είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη η κβαντική φύση του φωτός.

Το πρώτο πείραμα στην κβαντική οπτική πιστεύεται ότι είναι αυτό των Brown and Twiss, που πραγματοποιήθηκε το 1956. Οι Brown and Twiss έδειξαν ότι εάν το φως από ορισμένες πηγές κατευθυνόταν σε δύο φωτοανιχνευτές που "κλικ" κατά την ανίχνευση φωτονίων, οι δέκτες συχνά έκαναν κλικ ταυτόχρονα. Στο πείραμα, οι Brown και Twiss χρησιμοποίησαν ακτινοβολία από μια λάμπα υδραργύρου και αργότερα φως από ένα αστέρι. Αυτό το πείραμα θεωρήθηκε για πολύ καιρό ως απόδειξη της φωτονικής φύσης του φωτός: τελικά, το ταυτόχρονο κλικ των φωτοανιχνευτών σημαίνει ότι και οι δύο καταγράφουν τμήματα φωτός που υπάρχουν στην πραγματικότητα και δεν κάνουν απλώς τυχαία κλικ από καιρό σε χρόνος. Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι κατά την εγγραφή φωτός από μια λάμπα υδραργύρου ή ένα αστέρι, συμβαίνουν ταυτόχρονα κλικ, στην καλύτερη περίπτωση, μόνο δύο φορές πιο συχνά από ό,τι θα συνέβαιναν με τυχαία κλικ φωτοανιχνευτών. Αυτό το αποτέλεσμα είναι πλήρως εξηγήσιμο κλασικά και δεν αποδεικνύει ακόμη τη φωτονική δομή του φωτός. Ωστόσο, πολύ σύντομα (τη δεκαετία του εξήντα του 20ου αιώνα) ανακαλύφθηκαν πηγές φωτός, οι οποίες σε ένα τέτοιο πείραμα οδηγούν σε αυστηρά ταυτόχρονα κλικ φωτοανιχνευτών. Η ταυτόχρονη εμφάνιση κάποιων γεγονότων σε διαφορετικά χωρικά σημεία στη φυσική ονομάζεται συνήθως συσχέτιση. Για παράδειγμα, αν δύο φίλοι μιλούν στο τηλέφωνο μόνο μεταξύ τους, τότε το τηλέφωνό τους είναι πάντα απασχολημένο ταυτόχρονα και μπορούμε να μιλήσουμε για τη συσχέτιση των τηλεφωνικών κλήσεων στα διαμερίσματά τους. Αντίστοιχα, το φως που κάνει δύο φωτοανιχνευτές να κάνουν κλικ ακριβώς ταυτόχρονα μπορεί να ονομαστεί φως συσχετιζόμενο με ζεύγος ή ομαδοποίηση φωτονίων. Το φως δύο φωτονίων παρουσιάζει τέτοιες ιδιότητες. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν πηγές φωτός που δεν παράγουν ποτέ ταυτόχρονα κλικ φωτοανιχνευτών. Αυτό το φως ονομάζεται φως αντισυσσώρευσης φωτονίων.

Μη κλασικό φως.

Πειράματα για την ανίχνευση φωτός με συσσώρευση και αντισυσσώρευση φωτονίων έχουν πράγματι αποδείξει τη φωτονική δομή του φωτός και μπορούν να θεωρηθούν «πραγματικά κβαντικά οπτικά» πειράματα. Αλλά και στις δύο περιπτώσεις, το φως παρασκευάστηκε σε ειδικές κβαντικές καταστάσεις με δεδομένο αριθμό φωτονίων. Στα πειράματα του πρώτου τύπου καταγράφηκε φως δύο φωτονίων, στα πειράματα του δεύτερου τύπου καταγράφηκε φως ενός φωτονίου. Έτσι, μπορούμε πάλι να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι μόνο σε ειδικές καταστάσεις το φως εμφανίζει ιδιότητες που δεν μπορούν να εξηγηθούν από τις κλασικές θέσεις. Τέτοιες καταστάσεις φωτός ονομάζονται μη κλασικές.

Το φως δύο φωτονίων έχει μια άλλη αξιοσημείωτη ιδιότητα. Αποδείχθηκε ότι τέτοιο φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δοκιμάσει πειραματικά τη βασική ιδέα της κβαντικής μηχανικής - την ιδέα της πιθανολογικής συμπεριφοράς μεμονωμένων κβαντικών σωματιδίων ( εκ.ΑΝΙΣΟΤΗΤΕΣ BELL).

Ποιες μη κλασικές καταστάσεις φωτός μπορούν να παρασκευαστούν στα εργαστήρια σήμερα; Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν πολύ λίγα είδη. Οι φυσικοί ξέρουν πώς να παρασκευάζουν φως ενός φωτονίου και φως δύο φωτονίων με πρόσμιξη κατάστασης κενού, δηλ. καταστάσεις φωτός χωρίς φωτόνια. Τι σημαίνει αυτό? Στην περίπτωση φωτός ενός φωτονίου, αυτό σημαίνει ότι ακόμη και ένας ιδανικός φωτοανιχνευτής ενεργοποιημένος σε μια συγκεκριμένη στιγμή δεν θα καταγράψει απαραίτητα το φωτόνιο. θα κάνει κλικ μόνο με κάποια πιθανότητα. (Ένας ιδανικός φωτοανιχνευτής είναι ένας δέκτης που λειτουργεί με 100% πιθανότητα εάν υπάρχει ένα φωτόνιο στην είσοδο.) Ωστόσο, ο φωτοανιχνευτής δεν θα καταγράψει ποτέ δύο φωτόνια, ακόμα κι αν είναι, καταρχήν, ικανός να διακρίνει ένα φωτόνιο από δύο. Ομοίως, τρίδυμα φωτονίων, τετραπλάσια φωτόνια κ.λπ. δεν θα καταχωρηθούν. Αντίστοιχα, εάν ένας φωτοανιχνευτής (ή ένα ζεύγος φωτοανιχνευτών) ανιχνεύσει ένα μείγμα καταστάσεων κενού και δύο φωτονίων, τα κλικ θα συμβούν μόνο σε ζεύγη, αλλά σε τυχαίους χρόνους. Τριπλάσια, τετραπλάσια φωτόνια κ.λπ. επίσης δεν θα εγγραφεί.

Το φως ενός φωτονίου μπορεί να προετοιμαστεί χωρίς την ανάμειξη κατάστασης κενού - σε αυτήν την περίπτωση, οι στιγμές που πρέπει να ενεργοποιήσετε τον φωτοανιχνευτή θα είναι γνωστές ακριβώς και θα κάνει κλικ με 100% πιθανότητα. Αλλά οι πειραματιστές δεν ξέρουν πώς να προετοιμάσουν φως τριών φωτονίων και, ακόμη περισσότερο, τεσσάρων φωτονίων, ακόμη και με μια ανάμειξη κενού!

Και τέλος, ο τελευταίος από τους «διαθέσιμους» τύπους μη κλασικού φωτός είναι το λεγόμενο συμπιεσμένο φως, ένα τέτοιο φως περιέχει μόνο ζυγό αριθμό φωτονίων και όταν καταγραφεί, οι φωτοανιχνευτές μπορούν να ανιχνεύσουν ζεύγη φωτονίων, τέσσερα, έξι , κ.λπ., αλλά ποτέ τριπλέτες, κουντόνια και άλλους περιττούς αριθμούς φωτονίων.

Εφαρμογές μη κλασικού φωτός.

Το μη κλασικό φως προσελκύει την προσοχή των φυσικών όχι μόνο ως ένα ενδιαφέρον αντικείμενο μελέτης. Αποδεικνύεται πολύ χρήσιμο όσον αφορά τις διάφορες εφαρμογές. Έτσι, το φως δύο φωτονίων χρησιμοποιείται για την ακριβή βαθμονόμηση των φωτοανιχνευτών. Κάθε φωτοανιχνευτής είναι ατελής, δηλ. ενεργοποιεί με πιθανότητα μικρότερη από 100%. Αυτή η πιθανότητα ονομάζεται κβαντική απόδοση του φωτοανιχνευτή. Η βαθμονόμηση ενός φωτοανιχνευτή είναι μια μέτρηση της κβαντικής του απόδοσης. Προηγουμένως, χρησιμοποιήθηκαν πηγές φωτός αναφοράς ή δέκτες για αυτό, και αυτό έκανε τη μέτρηση να μην είναι πολύ ακριβής. Ωστόσο, το φως δύο φωτονίων καθιστά δυνατή την εκτέλεση χωρίς τέτοια πρότυπα. Πράγματι, εάν δύο φωτοανιχνευτές ανιχνεύουν φως δύο φωτονίων, τότε ιδανικά θα πρέπει πάντα να κάνουν κλικ ταυτόχρονα. Στην πραγματικότητα, ο αριθμός των ταυτόχρονων κλικ θα είναι μικρότερος από τον αριθμό των κλικ οποιουδήποτε από τους φωτοανιχνευτές. Διαιρώντας τον αριθμό των ταυτόχρονων κλικ με τον αριθμό των κλικ ενός από τους φωτοανιχνευτές, μπορούμε να λάβουμε την κβαντική απόδοση του δεύτερου φωτοανιχνευτή. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν απαιτούνται πρότυπα και η ακρίβεια μέτρησης μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους.

Το συμπιεσμένο φως, όπως το φως δύο φωτονίων, είναι χρήσιμο για ακριβείς μετρήσεις. Η χρήση του καθιστά δυνατή τη μείωση των πειραματικών σφαλμάτων που σχετίζονται με την κβαντική αβεβαιότητα. Είναι γνωστό ότι τα κβαντικά αντικείμενα τις περισσότερες φορές δεν έχουν επακριβώς καθορισμένες παραμέτρους. Οι ιδιότητές τους μπορούν να ονομαστούν «αλειμμένες», όπως και η θέση τους στον χώρο είναι «αλειμμένη». Σε μετρήσεις υψηλής ακρίβειας, όταν τα πειραματικά σφάλματα μειώνονται στο ελάχιστο, αυτή η κηλίδωση των ιδιοτήτων γίνεται θεμελιώδης περιορισμός στην ακρίβεια των μετρήσεων. Η χρήση συμπιεσμένου φωτός παρακάμπτει αυτή τη δυσκολία και μειώνει το θάμπωμα σε συγκεκριμένες στιγμές.

Τέλος, μια από τις τελευταίες εφαρμογές του μη κλασικού φωτός είναι η μυστική μετάδοση πληροφοριών (κβαντική κρυπτογραφία). Για αυτό, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείτε φως ενός φωτονίου. Η ιδέα της κβαντικής κρυπτογραφίας είναι η μετάδοση πληροφοριών σε μεμονωμένα φωτόνια. Για παράδειγμα, οι αριθμοί 0 και 1 κωδικοποιούνται από την πόλωση των φωτονίων: ένα κατακόρυφα πολωμένο φωτόνιο συμβολίζεται με "0" και ένα οριζόντια πολωμένο φωτόνιο συμβολίζεται με "1". Αυτή η μετάδοση πληροφοριών θα είναι μυστική επειδή δεν μπορεί να «ακουσθεί». Οποιοσδήποτε κρυφακούει μπορεί να αναχαιτίσει μόνο μερικά φωτόνια εξ ολοκλήρου - τελικά, δεν μπορεί να χωρίσει μέρος ενός φωτονίου και έτσι να ανακαλύψει την πόλωσή του. Αλλά τα αναχαιτισμένα φωτόνια απλά δεν θα συμμετέχουν στη μετάδοση πληροφοριών, επομένως οι πληροφορίες που μεταδίδονται από μεμονωμένα κβάντα προστατεύονται από την υποκλοπή.

Μαρία Τσέχοβα

Ενότητα που ετοίμασε ο Philip Oleinik

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ- κλάδος της οπτικής που μελετά τη μικροδομή των φωτεινών πεδίων και των οπτικών φαινομένων στις διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη, στις οποίες εκδηλώνεται η κβαντική φύση του φωτός.

Η αρχή της κβαντικής οπτικής τέθηκε από τον M. Planck το 1900. Εισήγαγε μια υπόθεση που έρχεται σε θεμελιώδη αντίθεση με τις ιδέες της κλασικής φυσικής. Ο Planck πρότεινε ότι η ενέργεια του ταλαντωτή μπορεί να πάρει όχι καμία, αλλά αρκετά καθορισμένη τιμή, ανάλογη με ένα ορισμένο στοιχειώδες τμήμα - κβαντικό ενέργειας. Από αυτή την άποψη, η εκπομπή και η απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από έναν ταλαντωτή (ουσία) δεν πραγματοποιείται συνεχώς, αλλά διακριτά με τη μορφή μεμονωμένων κβάντων, το μέγεθος των οποίων είναι ανάλογο με τη συχνότητα της ακτινοβολίας:

όπου ο συντελεστής ονομάστηκε αργότερα σταθερά του Planck. Έμπειρη αξία

Η σταθερά του Πλανκ είναι η πιο σημαντική καθολική σταθερά, που παίζει τον ίδιο θεμελιώδη ρόλο στην κβαντική φυσική με την ταχύτητα του φωτός στη θεωρία της σχετικότητας.

Ο Planck απέδειξε ότι ένας τύπος για την φασματική ενεργειακή πυκνότητα της θερμικής ακτινοβολίας μπορεί να ληφθεί μόνο εάν υποθέσει κανείς την κβαντοποίηση της ενέργειας. Προηγούμενες προσπάθειες υπολογισμού της φασματικής ενεργειακής πυκνότητας της θερμικής ακτινοβολίας οδήγησαν στο γεγονός ότι στην περιοχή των μικρών μηκών κύματος, δηλ. στο υπεριώδες τμήμα του φάσματος προέκυψαν απεριόριστες μεγάλες τιμές απόκλισης. Φυσικά, δεν παρατηρήθηκαν αποκλίσεις στο πείραμα και αυτή η ασυμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος ονομάστηκε «υπεριώδης καταστροφή». Η υπόθεση ότι η εκπομπή φωτός λαμβάνει χώρα κατά τμήματα κατέστησε δυνατή την άρση των αποκλίσεων στα θεωρητικά υπολογισμένα φάσματα και, ως εκ τούτου, την απαλλαγή από την «υπεριώδη καταστροφή».

Τον 20ο αιώνα εμφανίστηκε η ιδέα του φωτός ως ροής σωματιδίων, δηλαδή σωματιδίων. Ωστόσο, τα κυματικά φαινόμενα που παρατηρήθηκαν για το φως, όπως η παρεμβολή και η περίθλαση, δεν μπορούσαν να εξηγηθούν από την άποψη της σωματικής φύσης του φωτός. Αποδείχθηκε ότι το φως, και μάλιστα γενικά η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, είναι κύματα και ταυτόχρονα ροή σωματιδίων. Ο συνδυασμός αυτών των δύο απόψεων κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη στα μέσα του 20ού αιώνα. κβαντική προσέγγιση στην περιγραφή του φωτός. Από την άποψη αυτής της προσέγγισης, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις διάφορες κβαντικές καταστάσεις. Επιπλέον, υπάρχει μόνο μία διακεκριμένη κατηγορία καταστάσεων με επακριβώς καθορισμένο αριθμό φωτονίων - καταστάσεις Fock, που ονομάζονται από τον V.A. Fock. Στις καταστάσεις Fock, ο αριθμός των φωτονίων είναι σταθερός και μπορεί να μετρηθεί με αυθαίρετα υψηλή ακρίβεια. Σε άλλες καταστάσεις, η μέτρηση του αριθμού των φωτονίων θα δίνει πάντα κάποια διασπορά. Επομένως, η φράση "το φως είναι φτιαγμένο από φωτόνια" δεν πρέπει να λαμβάνεται κυριολεκτικά - έτσι, για παράδειγμα, το φως μπορεί να είναι σε τέτοια κατάσταση που υπάρχει πιθανότητα 99% να μην περιέχει φωτόνια και 1% πιθανότητα να περιέχει δύο φωτόνια. Αυτή είναι μια από τις διαφορές μεταξύ ενός φωτονίου και άλλων στοιχειωδών σωματιδίων - για παράδειγμα, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε έναν περιορισμένο όγκο καθορίζεται με απόλυτη ακρίβεια και μπορεί να προσδιοριστεί μετρώντας το συνολικό φορτίο και διαιρώντας με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου. Ο αριθμός των φωτονίων που βρίσκονται σε έναν ορισμένο όγκο του χώρου για κάποιο χρονικό διάστημα μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις, συγκεκριμένα, μόνο όταν το φως βρίσκεται σε καταστάσεις Fock. Ένα ολόκληρο τμήμα της κβαντικής οπτικής είναι αφιερωμένο σε διάφορες μεθόδους παρασκευής φωτός σε διάφορες κβαντικές καταστάσεις· ειδικότερα, η προετοιμασία φωτός σε καταστάσεις Fock είναι μια σημαντική και όχι πάντα εφικτή εργασία.

Φως- ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με κυματικές και κβαντικές ιδιότητες.

Ποσοστό– σωματίδιο (σωμάτιο).

Ιδιότητες κυμάτων.

Το φως είναι ένα εγκάρσιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα ().

, E 0 , H 0 - τιμές πλάτους,
- κύκλος. Κύκλος. συχνότητα,
- συχνότητα. Εικ.1.

V – ταχύτητα Διανομή κύματα σε ένα δεδομένο περιβάλλον. V=C/n, όπου C είναι η ταχύτητα του φωτός (στο κενό C=3*10 8 m/s), n είναι ο δείκτης διάθλασης του μέσου (εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου).

, - τη διηλεκτρική σταθερά, - μαγνητική διαπερατότητα.

- κυματική φάση.

Η αίσθηση του φωτός οφείλεται στην ηλεκτρομαγνητική συνιστώσα του κύματος ( ).

- μήκος κύματος, ίσο με τη διαδρομή που διανύει το κύμα κατά τη διάρκεια της περιόδου (
;
).

Εύρος ορατού φωτός: =0,40,75 μικρά.

;

4000 - κοντό (μωβ). 7500 – μακρύ (κόκκινο).

Κβαντικές ιδιότητες του φωτός.

Από την άποψη της κβαντικής θεωρίας, το φως εκπέμπεται, διαδίδεται και απορροφάται σε ξεχωριστά τμήματα - κβάντα.

Χαρακτηριστικά φωτονίων.

1. Μάζα.
; m 0 - μάζα ανάπαυσης.

Αν m 0 0 (φωτόνιο), τότε γιατί V=C,m= - ανοησία, επομένως το m 0 =0 είναι ένα κινούμενο φωτόνιο. Επομένως, το φως δεν μπορεί να σταματήσει.

Επομένως, η μάζα των φωτονίων πρέπει να υπολογιστεί από σχετικιστική φόρμουλα για την ενέργεια. E=mC2, m=E/C2.

2. Ενέργεια φωτονίων.E=mC 2 .

Το 1900, ο Max Planck, Γερμανός φυσικός, εξήγαγε τον ακόλουθο τύπο για την ενέργεια των φωτονίων:
.

h=6,62*10 -34 J*s- Σταθερά του Planck.

3. Παρόρμηση.

p=mV=mC=mC 2 /C=E/C=h/
; p-χαρακτηριστικό του σωματιδίου, - χαρακτηριστικά του κύματος.

Κυματική οπτική. Παρέμβαση – ανακατανομή. Φως στο διάστημα.

Η υπέρθεση των κυμάτων φωτός, με αποτέλεσμα η ένταση του φωτός σε ορισμένα σημεία του χώρου να αυξάνεται και σε άλλα να εξασθενεί. Δηλαδή, υπάρχει μια ανακατανομή της έντασης του φωτός στο χώρο.

Η προϋπόθεση για την παρατήρηση της παρεμβολής είναι η συνοχή των κυμάτων φωτός (κύματα που ικανοποιούν την προϋπόθεση: -μονόχρωμα κύματα.
– η φάση του κύματος είναι σταθερή σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου με την πάροδο του χρόνου).

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ.

Οι πηγές είναι συνεκτικά κύματα. ; * - ακριβής πηγή.

Σκούρα και ανοιχτόχρωμη ρίγα.

1. Αν l~d, τότε
η εικόνα είναι δυσδιάκριτη, επομένως, για να δείτε κάτι, χρειάζεστε 2. μεγάλο<.

Στο σημείο Μ, δύο συνεκτικά κύματα επικαλύπτονται.

, d1,d2 - μέτρα που ταξιδεύουν από τα κύματα. - διαφορά φάσης.

Πιο σκούρο/ανοιχτότερο - ένταση.
(αναλογικά).

Εάν τα κύματα δεν είναι συνεκτικά:
(μέση τιμή για την περίοδο).

(υπέρθεση, επιβολή).

Αν – συνεκτικό:
;

;
-συμβαίνει παρεμβολή φωτός (ανακατανομή φωτός).

; Αν
(διαφορά διαδρομής οπτικού κύματος)· n-δείκτης διάθλασης; (d2-d1)-γεωμετρική διαφορά στη διαδρομή κύματος. -μήκος κύματος (διαδρομή που διανύει το κύμα κατά τη διάρκεια μιας περιόδου).

- ο βασικός τύπος παρεμβολής.

Ανάλογα με τη διαδρομή , έρχονται με διαφορετικά . Η Ires εξαρτάται από το τελευταίο.

1. Εγώres.Μέγιστη.

Αυτή η συνθήκη ανώτατο όριοπαρεμβολή φωτός, γιατί σε αυτή την περίπτωση τα κύματα φτάνουν στην ίδια φάση και επομένως αλληλοενισχύονται.

n-συντελεστής πολλαπλότητας; - σημαίνει ότι το σχέδιο παρεμβολής είναι συμμετρικό σε σχέση με το κέντρο της οθόνης.

Εάν οι φάσεις συμπίπτουν, τότε τα πλάτη δεν εξαρτώνται από τις φάσεις.

- Επίσης η μέγιστη συνθήκη.

2 . Εγώres.ελάχ.

; k=0,1,2…;
.

- Αυτή η κατάσταση ελάχιστο, επειδή Σε αυτή την περίπτωση, τα κύματα φτάνουν σε αντιφάση και αλληλοακυρώνονται.

Μέθοδοι για την παραγωγή συνεκτικών κυμάτων.

Η αρχή της λήψης.

Για να αποκτήσετε συνεκτικά κύματα, είναι απαραίτητο να λάβετε μια πηγή και να διαιρέσετε το κύμα φωτός που προέρχεται από αυτήν σε δύο μέρη, τα οποία στη συνέχεια αναγκάζονται να συναντηθούν. Αυτά τα κύματα θα είναι συνεκτικά, γιατί θα ανήκει λοιπόν στην ίδια στιγμή ακτινοβολίας. .

Τα φαινόμενα συνήθιζαν να χωρίζουν ένα φωτεινό κύμα στα δύο.

1. Φαινόμενο αντανακλάσεις φωτός(Καθρέφτες με χάντρες Fresnel). Εικ.4.

2 . Φαινόμενο διάθλαση του φωτός(Φρένελ διπρισμός). Εικ.5.

3 . Φαινόμενο διάθλαση φωτός.

Αυτή είναι η απόκλιση του φωτός από την ευθύγραμμη διάδοση όταν το φως διέρχεται από μικρές τρύπες ή κοντά σε αδιαφανή εμπόδια, εάν οι διαστάσεις τους (και οι δύο) d είναι ανάλογες με το μήκος κύματος (δ~ ). Ότι: Εικ.6. - Εγκατάσταση του Γιουνγκ.

Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, η πραγματική πηγή φωτός ήταν ένα σημείο. Στην πραγματική ζωή, το φως μπορεί να επεκταθεί - ένα τμήμα του ουρανού.

4.
, n είναι ο δείκτης διάθλασης του φιλμ.

Υπάρχουν δύο πιθανές περιπτώσεις:

H=const, λοιπόν
. Σε αυτή την περίπτωση, το μοτίβο παρεμβολής ονομάζεται περιθώριο ίσης κλίσης.

H συνθ. Μια παράλληλη δέσμη ακτίνων πέφτει.
.
- λωρίδες ίσου πάχους.

Τοποθέτηση του δακτυλίου του Νεύτωνα.

Είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη το μοτίβο παρεμβολής στο ανακλώμενο και διαθλασμένο φως.

Ορισμός 1

Η κβαντική οπτική είναι ένας κλάδος της οπτικής του οποίου το κύριο καθήκον είναι η μελέτη φαινομένων στα οποία μπορούν να εκδηλωθούν οι κβαντικές ιδιότητες του φωτός.

Τέτοια φαινόμενα μπορεί να είναι:

• φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;
• θερμική ακτινοβολία?
• Φαινόμενο Raman;
• Φαινόμενο Compton;
• διεγερμένη εκπομπή κ.λπ.

Βασικές αρχές της Κβαντικής Οπτικής

Σε αντίθεση με την κλασική οπτική, η κβαντική οπτική αντιπροσωπεύει μια γενικότερη θεωρία. Το κύριο πρόβλημα που αντιμετωπίζει είναι να περιγράψει την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη την κβαντική φύση των αντικειμένων. Η κβαντική οπτική ασχολείται επίσης με την περιγραφή της διαδικασίας διάδοσης του φωτός υπό ειδικές (ειδικές συνθήκες).

Μια πιο ακριβής λύση σε τέτοια προβλήματα απαιτεί περιγραφή τόσο της ύλης (συμπεριλαμβανομένου του μέσου διάδοσης) όσο και του φωτός αποκλειστικά από τη θέση της ύπαρξης κβαντών. Ταυτόχρονα, οι επιστήμονες συχνά απλοποιούν την εργασία όταν την περιγράφουν όταν ένα από τα στοιχεία του συστήματος (για παράδειγμα, μια ουσία) περιγράφεται με τη μορφή ενός κλασικού αντικειμένου.

Συχνά στους υπολογισμούς, για παράδειγμα, κβαντοποιείται μόνο η κατάσταση του ενεργού μέσου, ενώ ο συντονιστής θεωρείται κλασικός. Ωστόσο, εάν το μήκος του είναι μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερο από το μήκος κύματος, δεν μπορεί πλέον να θεωρείται κλασικό. Η συμπεριφορά ενός διεγερμένου ατόμου που τοποθετείται σε έναν τέτοιο συντονιστή θα είναι πιο περίπλοκη.

Τα καθήκοντα της κβαντικής οπτικής στοχεύουν στη μελέτη των σωματικών ιδιοτήτων του φωτός (δηλαδή των φωτονίων και των σωματιδίων του). Σύμφωνα με την υπόθεση του M. Planck για τις ιδιότητες του φωτός, που προτάθηκε το 1901, απορροφάται και εκπέμπεται μόνο σε ξεχωριστά τμήματα (φωτόνια, κβάντα). Ένα κβάντο αντιπροσωπεύει ένα υλικό σωματίδιο με μια ορισμένη μάζα $m_ф$, ενέργεια $E$ και ορμή $p_ф$. Τότε γράφεται ο τύπος:

Όπου το $h$ αντιπροσωπεύει τη σταθερά του Planck.

$v=\frac(c)(\λάμδα)$

Όπου $\λάμδα$ είναι η συχνότητα του φωτός

Το $c$ θα είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό.

Τα κύρια οπτικά φαινόμενα που εξηγούνται από την κβαντική θεωρία περιλαμβάνουν την πίεση του φωτός και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και ελαφριά πίεση στην κβαντική οπτική

Ορισμός 2

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ένα φαινόμενο αλληλεπιδράσεων μεταξύ φωτονίων φωτός και ύλης, κατά το οποίο η ενέργεια της ακτινοβολίας θα μεταφερθεί στα ηλεκτρόνια της ουσίας. Υπάρχουν τέτοιοι τύποι φωτοηλεκτρικών φαινομένων όπως το εσωτερικό, το εξωτερικό και η βαλβίδα.

Το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο χαρακτηρίζεται από την απελευθέρωση ηλεκτρονίων από το μέταλλο τη στιγμή της ακτινοβολίας του με φως (σε συγκεκριμένη συχνότητα). Η κβαντική θεωρία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου δηλώνει ότι κάθε πράξη απορρόφησης ενός φωτονίου από ένα ηλεκτρόνιο συμβαίνει ανεξάρτητα από τις άλλες.

Η αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας συνοδεύεται από αύξηση του αριθμού των προσπίπτων και απορροφούμενων φωτονίων. Όταν η ενέργεια απορροφάται από μια ουσία με συχνότητα $ν$, καθένα από τα ηλεκτρόνια αποδεικνύεται ότι είναι ικανό να απορροφήσει μόνο ένα φωτόνιο, ενώ αφαιρεί ενέργεια από αυτό.

Ο Αϊνστάιν, εφαρμόζοντας το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, πρότεινε την εξίσωσή του για το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (έκφραση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας):

$hv=A_(έξω)+\frac(mv^2)(2)$

Το $A_(out)$ είναι η συνάρτηση εργασίας ενός ηλεκτρονίου που φεύγει από το μέταλλο.

Η κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου προκύπτει από τον τύπο:

$E_k=\frac(mv^2)(2)$

Από την εξίσωση του Αϊνστάιν προκύπτει ότι αν $E_k=0$, τότε είναι δυνατό να ληφθεί η ελάχιστη συχνότητα (κόκκινο όριο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου) στην οποία θα είναι δυνατό:

$v_0 = \frac (A_(έξω)) h$

Η πίεση του φωτός εξηγείται από το γεγονός ότι, ως σωματίδια, τα φωτόνια έχουν μια ορισμένη ορμή, την οποία μεταφέρουν στο σώμα μέσω της διαδικασίας απορρόφησης και ανάκλασης:

Ένα τέτοιο φαινόμενο όπως η πίεση του φωτός εξηγείται επίσης από την κυματική θεωρία, σύμφωνα με την οποία (αν αναφερθούμε στην υπόθεση του de Broglie), οποιοδήποτε σωματίδιο έχει επίσης κυματικές ιδιότητες. Η σχέση μεταξύ της ορμής $P$ και του μήκους κύματος $\λάμδα$ φαίνεται από την εξίσωση:

$P=\frac(h)(\λάμδα)$

Εφέ Compton

Σημείωση 1

Το φαινόμενο Compton χαρακτηρίζεται από ασυνάρτητη σκέδαση φωτονίων από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Η ίδια η έννοια της ασυνέπειας σημαίνει τη μη παρεμβολή φωτονίων πριν και μετά τη σκέδαση. Το φαινόμενο αλλάζει τη συχνότητα των φωτονίων και μετά τη σκέδαση τα ηλεκτρόνια λαμβάνουν μέρος της ενέργειας.

Το φαινόμενο Compton παρέχει πειραματικές ενδείξεις για την εκδήλωση των σωματικών ιδιοτήτων του φωτός ως ρεύμα σωματιδίων (φωτόνια). Τα φαινόμενα του φαινομένου Compton και του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι σημαντική απόδειξη των κβαντικών εννοιών του φωτός. Ταυτόχρονα, φαινόμενα όπως η περίθλαση, η παρεμβολή και η πόλωση του φωτός επιβεβαιώνουν την κυματική φύση του φωτός.

Το φαινόμενο Compton αντιπροσωπεύει μια από τις αποδείξεις της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου των μικροσωματιδίων. Ο νόμος διατήρησης της ενέργειας γράφεται ως εξής:

$m_ec^2+\frac(hc)(\lambda)=\frac(hc)(\lambda)+\frac(m_ec^2)(scrt(1-\frac(v^2)(c^2)) )$

Το αντίστροφο φαινόμενο Compton αντιπροσωπεύει μια αύξηση στη συχνότητα του φωτός όταν σκεδάζεται από σχετικιστικά ηλεκτρόνια με ενέργεια μεγαλύτερη από το φωτόνιο. Σε αυτή την αλληλεπίδραση, ενέργεια μεταφέρεται στο φωτόνιο από το ηλεκτρόνιο. Η ενέργεια των σκεδαζόμενων φωτονίων καθορίζεται από την έκφραση:

$e_1=\frac(4)(3)e_0\frac(K)(m_ec^2)$

Όπου $e_1$ και $e_0$ είναι οι ενέργειες των σκεδαζόμενων και προσπίπτων φωτονίων, αντίστοιχα, και $k$ είναι η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου.