Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 3, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Podobne dokumenty
Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 3, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Kwantowa natura promieniowania

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 28, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

VI.5 Zderzenia i rozpraszanie. Przekrój czynny. Wzór Rutherforda i odkrycie jądra atomowego

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

Podstawy fizyki kwantowej

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Wstęp do astrofizyki I

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Wydajność konwersji energii słonecznej:

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

Fale elektromagnetyczne

Źródła promieniowania X. ciąg dalszy

Wstęp do astrofizyki I

Falowa natura materii

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Elektrostatyka, cz. 1

Technika laserowa. dr inż. Sebastian Bielski. Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 27, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 6, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Elektrodynamika. Część 9. Potencjały i pola źródeł zmiennych w czasie. Ryszard Tanaś

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 11, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Światło fala, czy strumień cząstek?

Elektrodynamika Część 10 Promieniowanie Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

LASERY NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 11, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

V.6.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c. Zastosowania

Model elektronów swobodnych w metalu

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Kinematyka: opis ruchu

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

REZONANSY : IDENTYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI PRZEZ ANALIZĘ FAL PARCJALNYCH, WYKRESY ARGANDA

Efekt fotoelektryczny. 18 października 2017

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Spis treści. Tom 1 Przedmowa do wydania polskiego 13. Przedmowa 15. Wstęp 19

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 21, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

Równania Maxwella. roth t

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN Z FIZYKI sem /13

Promieniowanie dipolowe

Zadania z mechaniki kwantowej

Podstawy fizyki kwantowej. Nikt nie rozumie fizyki kwantowej R. Feynman, laureat Nobla z fizyki

Fale elektromagnetyczne. Gradient pola. Gradient pola... Gradient pola... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek 2013/14

Fizyka Materii Skondensowanej.

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Repeta z wykładu nr 2. Detekcja światła. Parametry fotodetektorów. Co to jest detektor?

Skończona studnia potencjału

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 26, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Podstawy fizyki kwantowej

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

Kinematyka: opis ruchu

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Podstawy fizyki kwantowej

MiBM sem. III Zakres materiału wykładu z fizyki

FALOWY I KWANTOWY OPIS ŚWIATŁA. Światło wykazuje dualizm korpuskularno-falowy. W niektórych zjawiskach takich jak

Falowa natura materii

Techniczne podstawy promienników

Elektrodynamika Część 8 Fale elektromagnetyczne Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 5, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Energetyka Jądrowa. Wykład 28 lutego Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 19, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Transkrypt:

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej wykład 3, 12.10.2017 wykład: pokazy: ćwiczenia: Czesław Radzewicz Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz Radosław Łapkiewicz

Wykład 2 - przypomnienie r-nia Maxwella r-nie falowe na pole elektryczne fali EM prędkość światła fale TEM, płaska fala monochromatyczna TEM gęstość energii pola EM, wektor Poytinga pęd fali EM kwantyzacja pola EM, foton: energia, pęd efekt Dopplera, klasyczny i relatywistyczny

źródła fali e.m. świecą substancje rozgrzane

źródła fali e.m. promieniowanie ciała doskonale czarnego E ν = 2πh c 2 ν 3 e hν/kt 1 E λ = 2πhc2 1 λ 5 e hc/λkt 1 2πc lim E λ = λ λ 4 kt 2πhc2 lim ρ λ = λ 0 λ 5 e hc/λkt poprawny model teoretyczny Planck 1900

źródła fali e.m. czasami świecą substancje, przez które płynie prąd elektryczny nawet jeśli nie są bardzo rozgrzane

lampa rentgenowska świeci metal bombardowany elektronami źródła fali e.m.

źródła fali e.m. Fakt doświadczalny: fale EM powstają jako promieniowanie ładunków elektrycznych poruszających się ruchem niejednostajnym

źródła fal e.m. przyspieszane ładunki fakt doświadczalny: ładunek elektryczny poruszający się ruchem niejednostajnym wysyła fale EM Dlaczego? Bo jest retardacja pole e.m. rozchodzi się ze skończona prędkością. pole ładunku w ruchu niejednostajnym pole ładunku w spoczynku pole ładunku w ruchu jednostajnym υ < c jak?

promieniowanie e.m. ładunku, 1 Relatywistyka ogranicza wszystkie prędkości w przyrodzie do nie więcej niż c ładunek nieruchomy albo ruch jednostajny υ c układ odniesienia związany z ładunkiem ruch jednostajny dla t < 0 oraz t > Δt ruch jednostajnie przyspieszony w czasie 0 < t < Δt υ c układ odniesienia związany z ładunkiem q r = ct q r = c(t + Δt)

promieniowanie e.m. ładunku, 2 linia pola elektrycznego dla t 0 rozważmy: Δυt r E Θ E r E Θ E r = E r = Δυt sin Θ cδt q 4πε 0 1 r 2 ale r = ct co daje Θ E Θ = q sin Θ 4πε 0 c 2 r Δυ Δt Δυt linia pola elektrycznego dla t Δt E Θ = q sin Θ 4πε 0 c 2 r υ gdzie υ dυ dt

formuła Larmora mamy pole elektryczne fali em emitowanej przez ładunek; policzmy natężenie promieniowania. Wektor Poyntinga w próżni S = ε o ce 2 co daje S r, Θ = 1 16π 2 c 3 ε o r 2 q2 υ 2 sin 2 Θ (formuła Larmora) Moc promieniowana = moc tracona przez ładunek całkujemy natężenie po sferze o promieniu r 2π sin 2 Θr 2 dω = r 2 dφ πsin 3 ΘdΘ = 8πr2 sfera 0 0 3 co daje de dt = q2 v 2 6πc 3 ε 0 gdzie E to energia promieniowania z Θ r φ y x

przykład: rozpraszanie Thomsona Rozważamy swobodny elektron w polu fali em E t = A sin ωt υ = F = ee = ea sin ωt m m m 1 e S ω r, t, Θ = 4 A 2 16π 2 c 3 ε o r 2 m 2 sin2 Θsin 2 ωt, t = t + r/c Mierzymy natężenie uśrednione po pełnym cyklu pola Podobnie jak poprzednio S ω r, Θ = ca 2 e 2 32π 2 ε o r 2 mc 2 2 sin 2 Θ de dt = q2 v 2 6πc 3 = e4 A 2 ε 0 6πc 3 ε 0 m 2 = 8πcε 0A 2 e 2 3 4πε 0 mc 2 ale cε 0 A 2 = I to nic innego jak natężenie fali padającej. Zatem moc rozpraszana przez elektron to de dt = 8π 3 4πε 0 mc 2 I = σi Parametr σ to przekrój czynny na rozpraszanie fotonów na elektronie (rozpraszanie Thomsona) σ = 8π 3 e 2 4πε 0 mc 2 2 e 2 2 0.665 10 24 cm 2 dla porównania: przekrój czynny na absorpcję fotonu przez atom/cząsteczkę 10 13 cm 2 2

równania Maxwella ze źródłami c 2 B = j + E ε 0 t (1) E = B t (2) B = 0 (3) E = ρ ε 0 4 ρ gęstość ładunku j - gęstość prądu ε 0 μ 0 = 1 c 2 ponieważ, z równania (3): B = 0 to matematycy wiedzą, że B = A Wybór funkcji A nie jest jednoznaczny; możemy do niej dodać gradient dowolnej funkcji skalarnej bez zmiany pola B. Transformacja A A + ψ jest dozwolona dla dowolnej funkcji ψ. z r-nia (2): E = B t = t A czyli: E + A t = 0 Matematycy mówią, że wtedy : E + A t = φ Funkcje A i φ nazywamy potencjałami pola e.m. Potencjały pola e.m. muszą zmieniać się synchronicznie zmianie A zawsze towarzyszy stosowna zmiana φ: A = A + ψ, φ = φ ψ t Potencjały: wektorowy A i skalarny φ

potencjały pola e.m. Znajomość potencjałów pola e.m. jednoznacznie wyznacza te pola A, φ B = A, E = φ A t wstawiamy pole E do r-nia (4) i dostajemy: φ A t = ρ ε 0 2 φ t A = ρ ε 0 (5) wstawiamy pola E i B do r-nia (1): c 2 A t i przekształcamy do: c 2 2 A + c 2 A + t φ + 2 A t 2 = j ε 0 (6) φ A t = j ε 0 przyjmując: A = 1 c 2 φ t cechowanie Lorentza dostajemy z r-ń (5) i (6) równanie falowe ze źródłami: 2 φ 1 2 φ = ρ c 2 t 2 ε 0 2 A 1 2 A = μ c 2 t 2 0 j

ładunki i prądy zamknięte w małej objętości φ 1, t = A 1, t = ρ(2, t r 12 /c) 4πε 0 r 12 j(2, t r 12 /c) 4πε 0 r 12 potencjały pola e.m., c.d. STW: retardacja dv dv w obszarach bez ładunków: 2 φ 1 c 2 2 φ t 2 = 0 Symetria zagadnienia sugeruje falę kulistą (wykład 1) f(t r/c) φ r, t = r dla bardzo małych r retardacja jest zero φ t = f(t) r czyli potencjał kulombowski. Podobne rozumowanie daje A 1 r 12 Znajomość rozkładów ładunku i prądu umożliwia policzenie pola e.m. choć, w znakomitej większości praktycznych sytuacji, rachunki są bardzo trudne. 2

źródła prom. e.m. oscylujący dipol E r, t = d 0k 2 sinθ 4πε 0 τ = t r/c cos(kr ωτ) r E S Θ r B I Θ = d 0 2 ω 4 sin 2 Θ 32πc 3 ε 0 r 2 d(t) Θ I Θ d(t) = d 0 cos(ωt)

źródła prom. e.m. przejścia promieniste emisja spontaniczna E 2 E 2 hν E 1 E 1 absorpcja E 2 E 2 hν E 1 E 1 Szybkość absorpcji zależy od atomu i gęstości promieniowania: dn 2 dt = dn 1 dt = B 12u ν N 1 emisja wymuszona hν E 2 E 2 hν E 1 E 1 Szybkość emisji wymuszonej zależy od atomu i gęstości promieniowania dn 1 dt = dn 2 dt = B 21u ν N 2

źródła prom. e.m. lasery Ale B 21 = B 12 i W = hνb 12 u ν N 1 hνb 12 u ν N 2 = hνb 12 u ν N 2 N 1 < 0 gdy N 2 N 1 > 0 W- moc pochłaniana przez atomy w jednostkowej objętości inwersja obsadzeń wzmocnienie światła R1 1 l R 2 Niektóre parametry laserów: moc średnia: P > 100kW moc szczytowa: P p > 10 15 W szerokość spektralna: Dn < 1 Hz długość impulsu: t < 5 fs, 0 I s L

źródła fal e.m. przyspieszane ładunki swobodne Promieniowanie hamowania lampy rentgenowskie

źródła promieniowania e.m. - synchrotron przykład: synchrotron SOLARIS UJ częstość

synchrotron c.d.

źródła promieniowania e.m. - FEL przykład: Free Electron Laser (FEL) Laser na swobodnych elektronach European XFEL akcelerator liniowy: 1.6 km, 17.5 GeV parametry lasera: długość undulatora: długość fali λ: długość impulsu t : jasność: 100m od 0.1 do 6 nm < 100 fs 5 10 33 (foton/ s / mm 2 / mrad 2 / 0,1% pasma)

niektóre sztuczne źródła światła Niespójne: Żarowe Półprzewodnikowe Lampy wyładowcze Chemiczne Synchrotron żarówka lampa halogenowa Spójne: Laser diody LED diody OLED świetlówka świetlówka kompaktowa neonówka lampa katodowa lampa sodowa lampa ksenonowa wysokoprężna lampa rtęciowa chemoluminescencja fosforescencja fluorescencja Spalanie świeca lampa naftowa lampa gazowa laser dioda laserowa FEL

termiczne detektory promieniowania e.m. Detektory termiczne, zasada działania: energia pochłanianej fali e.m. zmienia temperaturę czujnika bolometr komórka Golaya

efekt fotoelektryczny (zewnętrzny) e - A. Einstein 1906 hn

kwantowe detektory promieniowania e.m. 1 fotokatody fotopowielacz fotokomórka

(kwantowe) detektory półprzewodnikowe Przykład: fotodioda p-n

CCD matryce fotodetektorów, 1

matryce fotodetektorów, 2