Физика примеры решения задач Теория электрических цепей Основы теории электромагнитного поля

Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел

Элементарные процессы взаимодействия и законы сохранения

Одним из важнейших, принципиальных вопросов электродинамики является вопрос о механизме взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Ответ на него – важнейшая задача физики.

Напомню, в чём состоит классический механизм. Если заряженную частицу поместить в электромагнитное поле, то возникает действующая на частицу сила Лоренца, под влиянием которой частица совершает вынужденные колебания. На процесс раскачивания частицы затрачивается энергия электромагнитной волны – происходит поглощение энергии электромагнитного поля заряженной частицей.

Но колебания частицы являются ускоренным движением, при ускорении частицы способны излучать электромагнитные волны. Следовательно, часть энергии частица испускает в виде электромагнитных волн. Значит, классический механизм состоит в вынужденных колебаниях заряженной частицы в электромагнитном поле, в результате которых частица поглощает и одновременно испускает электромагнитные волны.

Каков же квантовый механизм взаимодействия излучения с веществом? С квантовой точки зрения, взаимодействие света с веществом представляет собой столкновение фотонов с частицами вещества, при котором происходит обмен энергией и импульсом между электронами, атомами, молекулами, с одной стороны, и световыми квантами - с другой. Этот обмен приводит к излучению и поглощению электромагнитных волн веществом.

Образно говоря, электромагнитное излучение – это фотонный газ, частицы которого непрерывно сталкиваются с частицами вещества, обмениваясь с ними энергией и импульсом (и другими физическими характеристиками).

К элементарному акту столкновения фотона с частицей вещества естественно применить законы сохранения энергии и импульса, ибо они имеют универсальный характер.

Пусть  и  - энергия и импульс некоторой физической системы, а   и  - энергия и импульс фотона в начальном состоянии, т.е. до взаимодействия света с физической системой. Далее,   и - энергия и импульс той же системы,  и  - энергия и импульс фотона в конечном состоянии, после указанного взаимодействия. Физическая картина взаимодействия заключается в том, что рассматриваемая система поглощает один квант света с энергией  и импульсом  и излучает другой – с и . При этом сама система совершает переход

 (,) (,)

из одного состояния в другое.

Законы сохранения, описывающие рассматриваемый процесс, могут быть записаны так:

  (12)

Эти равенства описывают три типа различных процессов, происходящих при взаимодействии:

 - поглощение фотона,

 - излучение фотона,

  и  - рассеяние фотона.

Указанные процессы называются квантовыми, так как они происходят с участием квантов света.

Законы сохранения (9) невозможно понять с классической точки зрения. Согласно волновой теории света, энергия электромагнитной волны определяется не частотой , а амплитудой. Действительно, плотность энергии электромагнитного поля

 .

Но поскольку амплитуда волны никак не связана с ее частотой, то в рамках волновой теории нельзя вывести какое-либо общее соотношение, связывающее энергию света с частотой.


Электротехника