9-lekciya. Kvant optikası. Reje

9-lekciya. Kvant optikası.

Reje:

1. 
   Jıllılıq nurlаnıwı. Аbsоlyut qarа deneniń nurlаnıw nızamları.
   
2. 
   Fоtоeffеkt. Sırtqı fоtоeffеkttiń nızamları hám kvant teoriyası.
   
3. 
   Jaqtılıq basımı.
   
4. 
   Kоmptоn effеkti.
   

1. Jıllılıq nurlаnıwı. Аbsоlyut qarа deneniń nurlаnıw nızamları.

Tábiyatta nur shıǵıw hádiyseleri júdá kóp bolıp tabıladı. Nurlanıw xımıyalıq reakciya nátiyjesinde, gazlardan elektr tokı ótiw processinde, qattı denelerdi tezletilgen elektronlar dástesi menen atqılaǵanda hám aqır-aqıbette deneler temperaturasın kótergenımızde payda boladı.

Nurlanıwdıń eń kóp tarqalǵan túri-denelerdi qızdırıwda payda bolatuǵın nurlanıw bolıp tabıladı. Bul ıssılıq nurlanıwı dep ataladı. Issılıq nurlanıwı qálegen temperaturada vujudǵa kelip, tómen temperaturalarda infraqızıl nur kórinisinde, joqarı temperaturalarda qızǵısh, sarǵalaq hám aq jaqtılıq nurlar kórinisinde kórinedi.
Issılıq nurlanıwı procesi deneniń temperaturası menen teń salmaqlılıq jaǵdayda júz beredi. Bul halda, deneniń temperaturası artıwı menen, onıń nurlanıw jedelligi da artıp baradı. Teń salmaqlılıqda bolǵan jaǵday hám processlerge termodinamıka nızamların qollaw múmkin.
Issılıq nurlanıwın sıpatın súwretlew ushın bazı shamalerdi anıqlap alamız.
Nurlanıp atırǵan deneniń birlik betinen   bárshe baǵıtlar boylap W = 2p keńislikdegi múyesh) shıǵıp atırǵan energiya aǵımı deneniń energiyalıq jaqtırtıwshańlıǵı R_e dep ataladı.
Qandayda bir betke nurlanıw aǵımı túskende bul nurlanıwdıń bir bólegi betinen shaǵılısadı, bir bólegi sınıp ótip ketedi hám qalǵan bólegi denede jutıladı.
Demek túsiwshi nurlanıw aǵımı hár úsh aǵımlar jıyındısınan ibarat esaplanadı:


F_o=F_sh+F_ju+F_s
.
 Ápiwayı ózgerislerdi orınlasaq tómendegi ańlatpaǵa iye bolamız

Bul jerde   -deneniń nur shaǵılıstırıw koefficienti, -nur jutıw koefficienti hám   -nur ótkeriw koefficienti dep ataladı.

Móldir denelerde, bul koefficientlerdiń jıyındısı 1 ge teń boladı


, (1.1) 
Egerde dene nur ótkermese D = 0, 

ge teń boladı. Egerde deneniń jutıw koefficienti de nolge teń bolsa, yaǵnıy a = 0, ol halda

teń bolıp, dene absolyut aq dene dep ataladı hám túsiwshi nurlanıwdıń barlıǵın shaǵılıstıradı.
Egerde a = 1 shárt orınlansa, bunday dene absolyut qara dene dep ataladı.
Egerde,   r  birden kishi bolıp, onıń nur jutıw qábileti hámme jiyilikler ushın birdey bolsa (a = const) , bunday dene kúlreń dene dep ataladı.
Tájiriybeden málim bolıwınsha, denelerdiń nur shıǵarıw qábileti (r) deneniń temperaturasına hám nurlanıw jiyiligine baylanıslı.  Nur shıǵarıw qábileti málim bolǵan halda energiyalıq jaqtırtıwshańlıqtı esaplaw múmkin:


, (1.2)

Qálegen deneniń nur shıǵarıw hám nur jutıw qábiletleri ortasında anıq ǵárezlilik Kirxgof nızamı dep ataladı: nur shıǵarıw hám jutıw qábiletleriniń óz-ara qatnası denelerdiń tábiyatına baylanıslı bolmay, hámme deneler ushın jiyilik hám temperaturanıń universal funkciyası bolıp tabıladı

, (1.3) 
Absolyut qara denede   bólǵanı ushın

teńlikke iye bolamız.
Demek, Kirxgofftıń universal funkciyası absolyut qara deneniń nur shıǵarıw qábiletınıń ózi bolıp tabıladı. 
funkciyanıń kórinisin teoriyalıq keltirip shıǵarıw júdá quramalı másele bolıp tabıladı. 
Stefan (1879 j.)  tájiriybe nátiyjelerin analız etip,  qálegen deneniń energiyalıq jaqtırtıwshańlıǵı absolyut temperaturanıń tórtinshi dárejesine proporcional degen juwmaqqa keldi.
Bol'cman bul jumıslardı dawam ettirip,  termodinamık muloxazalarga súyene otırıp,  absolyut qara deneniń energiyalıq jaqtırtıwshańlıǵı ushın tómendegi ańlatpanı keltirip shıǵardı:


, (1.4)

Bul ańlatpa Stefan-Bol'cman nızamı, s= 5,7×10^-8 W/m²grad⁴ bolsa, Stefan-Bol'cman turaqlısı dep ataladı.

Stefan-Bol'cman nızamı energiyalıq jaqtırtıwshańlıqtıń temperaturaǵa ǵárezliligin kórsetiw menen, spektral bólistiriw funkciyasın da anıqlaw imkanıyatın beredi.
Óz gezeginde Vin elektromagnit teoriya nızamlarınan paydalanıp, bólistiriw funkciyası ushın tómendegi ańlatpanı usınıs etti:


, (1.5) 
Bul jerde   -jiyiliktiń temperaturaǵa qatnasınıń belgisiz funkciyası bolıp tabıladı. 
Nurlanıw spektri maksimumınıń tolqın uzınlıǵınıń absolyut temperaturaǵa kóbeymesi turaqlı shama bolıp tabıladı. 
, (1.6) 
hám bul ańlatpa Vinniń jılısıw nızamı dep ataladı. Bul jerde

Reley hám Djins energiyanıń erkınlık dárejesi boyınsha teń bóliniwin esapqa alıp  funkciyanıń anıq kórinisin keltirip shıǵardı.


yaki   (1.7)
Reley-Djins ańlatpası tek úlken tolqın uzınlıqlarında tájiriybe nátiyjeleri menen sáykes keledi, kishi tolqın uzınlıqlar ushın zinhar qarsı nátiyjege alıp keledi (1-súwret) . 

1-súwret. Absolyut qara deneniń nurlanıw spektri
Úzliksiz sızıqlar absolyut qara deneniń tájiriybede alınǵan nurlanıw spektri nátiyjelerin, úzik-úzik sızıqlar Reley-Djins ańlatpasınıń esap nátiyjelerin ańlatadı:



ańlatpanı   boyınsha sheship, 0 den ¥ aralıqda integrallaǵanda energiyalıq jaqtırtıwshańlıq pánisin bahalaw múmkin.
M.Plank   funkciyanıń tájiriybe nátiyjelerine sáykes keliwshi ańlatpasın keltirip shıǵardı. Ol óz teoriyasında klassik fizika nızamlarına sáykes kelmeytuǵın bazı ózgertiwlerdi kirgizdi, yaǵnıy elektromagnit nurlanıw energiyası porciya (kvant) muǵdarında tarqaladı hám energiya kvantı tómendegige teń dep esapladı.
,   (1.8) 
Bul jerde   -Plank turaqlısı dep ataladı.

Absolyut qara deneniń nurlanıwı ushın, Plank ańlatpası jiyilik yamasa tolqın uzınlıǵına baylanıslı bolıp, tómendegi teńlik menen ańlatıladı:
yaki (1.9) 
Plank ańlatpasınıń esap nátiyjeleri tájiriybe nátiyjeleri menen úlken anıqlıqda bir-birine sáykes keldi (2-súwret).

2-súwret. Absolyut qara dene nurlanıw spektriniń Plank ańlatpası
(1.9)-ańlatpadan Stefan-Bol'cman hám Vin ańlatpaların ańsat keltirip shıǵarıw múmkin.


, (1.10) 

Salay etip, Plank teń salmaqlılıqlı ıssılıq nurlanıwınıń aqırǵı ańlatpasın teoriyalıq keltirip shıǵardı hám bul kvant teoriyasınıń tiykarlarınan biri dep esaplanadı.
Alıstan nur tarqatıp atırǵan denelerdiń yamasa joqarı temperaturalı, qızıǵan, denelerdiń temperaturasın ápiwayı usıllar menen ólshep bolmaydı.
Bunday jaǵdaylarda temperaturanı alardıń nurlanıw spektrine qaray anıqlaw múmkin. Denelerdiń nurlanıwına qaray alardıń temperaturasın anıqlawshı usıllardıń barlıǵı optik pirometriya hám ólshew ásbapları bolsa, optik pirometrler dep ataladı.
Alar eki túrli-radiaciyalıq hám optik pirometrlerge bólinedi. Radiaciyalıq pirometrlerde qızdırılǵan deneniń 0 den ¥ bolǵan jiyilik keńliginde tarqalıp atırǵan tolıq ıssılıq nurlanıwı jámlenedi. Optik pirometrlerde nurlanıw spektriniń tiyisli kishi bólegin qabıllaw arqalı dene temperaturası anıqlanadı.