Квантовая теория электромагнитного излучения своей задачей ставит исследование электромагнитного поля и связанных с ним явлений.
Основные положения квантовой теории электромагнитного излучения
Тепловым называют электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами своей внутренней энергией. Такое излучение воздействует на внутреннюю энергию тела, уменьшая ее и снижая также температуру. В качестве спектральной характеристики теплового излучения выступает плотность энергетического свечения.
Абсолютно черным считается тело со способностью поглощения всей энергии попадающего на него излучения при любой частоте и произвольной температуре (это называется черной дырой).
Ультрафиолетовой катастрофой считается расхождение между результатами эксперимента и классической волновой теорией. Излучение посредством атомов и молекул у вещества выполняется порционно за счет квантов.
Фотон считается квантом электромагнитного излучения. Он обладает такими свойствами:
- энергией, прямо пропорциональной частоте электромагнитного излучения ($q = 0$);
- скоростью, во всех системах отсчета равнозначную скорости света в вакууме;
- нулевой массой покоя;
- импульсом $p = \frac{h}{\lambda}$.
Давление электромагнитного излучения выражает формула: $P{эм} = \frac{2I}{c}$.
Квантовая гипотеза Планка
В 1900 г. благодаря исследованиям ученого М. Планка было получено правильное выражение для спектральной плотности энергетического свечения абсолютно чёрного тела.
Электромагнитное излучение у частиц вещества провоцирует их ускоренное перемещение. Его следствием при этом становится тепловое излучение от тела. Чем большей окажется энергия, получаемая частицей при столкновении, тем больше будет энергия ее теплового излучения. Но число частиц при этом со свойственной им большой энергией при определённой температуре $Т$ большим не будет. Это означает малую вероятность излучения большой энергии.
Планк озвучил предположение относительно взаимосвязи энергии излучения и его частоты. В таком случае излучение электромагнитных волн посредством атомов и молекул выполняется не непрерывным режимом, а дискретны (порционно отдельными квантами). Энергия излучения кванта становится прямо пропорциональной частоте $v$ излучения:
$E = hv$
Теория теплового излучения для абсолютно чёрного тела, разработанная Планком при учете квантовой гипотезы, превосходно согласовывалась с экспериментом. Особенностью фундаментальных физических теорий выступает их преемственность. Более общий формат квантовой теории определяет границу применимости световой волновой теории.
Классическая волновая теория придерживается принципа непрерывности при излучении электромагнитных волн. Энергия кванта при этом может оказаться бесконечно малой, если сравнивать ее и тепловую энергию. По этой причине в подобном диапазоне частот классическая теория описывает эксперимент как удовлетворительный.
При больших частотах энергия кванта излучения также большая, что объясняет невозможность применения классических представлений о непрерывности излучения. Это также объясняет причину ультрафиолетовой катастрофы.
Законы теплового излучения и фотоэффекта для квантовой теории
К законам теплового излучения будет относиться закон смещения Вина, выражаемый формулой:
$\lambda_mT = b$
где $λ_m$— длина волны, на которую приходится максимальная доля спектральной плотности энергетической светимости черного тела, при этом $T$ составит температуру черного тела.
Согласно идее закона Стефана—Больцмана, интегральная светимость абсолютно черного тела оказалось пропорциональной четвертой степени его абсолютной температуры:
$R_t = QT^4$
где Q будет постоянной Стефана—Больцмана.
Фотоэффект считается в физике явлением вырывания электронов из веществ твердого и жидкого типов под световым воздействием.
Согласно положениям законов фотоэффекта:
- фототок насыщения прямо пропорциональный интенсивности света, попадающего на катод;
- максимальная кинетическая энергия у фотоэлектронов считается прямо пропорциональной частоте света и не зависящей от его интенсивности;
- для каждого вещества присутствует частота света (так называемая красная граница фотоэффекта, а ниже ее фотоэффект невозможен); уравнение А.Эйнштейна для фотоэффекта существует в таком виде: $hv = A_{вых}+\frac{m_ev^2}{2}$.
Расход энергии фотона направлен на совершение работы выхода и сообщение кинетической энергии вылетающему фотоэлектрону. Работа выхода будет минимальной работой, требуемой при устранении электрона из металла. Красная граница фотоэффекта характеризуется такой формулой:
$v_{min} =\frac{A_{вых}}{h}$
Квантовая теория популярна для применения при описании свойств света при условии малых интенсивностей, т. е. при малом количестве фотонов.
