Теория излучения

Теория излучения
Разделы
1.        Введение

Энергетический спектр атома и двухатомной молекулы. Характерные масштабы энергий, частот и длин волн переходов. Система атомных единиц. Типы радиационных переходов с участием атомов, молекул и ионов. Линейчатый, полосатый и непрерывный спектры. Специфика оптического диапазона. Дипольное приближение.

2.        Классическая теория излучения

Волновое уравнение. Монохроматическая плоская волна. Поперечная (кулоновская) и лоренцевская калибровки поля. Поле движущихся зарядов. Запаздывающие потенциалы и их спектральное разложение.

Поле системы зарядов на далеких (волновая зона) и близких расстояниях. Связь Фурье компонент векторного потенциала и полей с Фурье компонентой плотности тока. Интенсивность излучения и ее спектральное распределение.

Поле линейного электрического диполя в ближней и дальней зонах. Интенсивность дипольного излучения.

Разложение полей по мультиполям. Магнитно-дипольное и электро-квадрупольное излучение.

Сила радиационного трения. Осциллятор с затуханием в поле электромагнитной волны. Лоренцевское распределение интенсивности излучения.

3.        Квантование свободного электромагнитного поля

Собственные колебания поля. Разложение электромагнитного поля по плоским волнам. Гамильтоновский метод в электродинамике. Канонические переменные.

Правило коммутации обобщенных координат и импульсов. Операторы рождения и уничтожения фотонов; оператор числа частиц. Квантование свободного поля излучения. Энергия и импульс квантованного поля.

Гамильтониан системы поле + частицы. Энергия взаимодействия поля с движущимся зарядом. Матричные элементы взаимодействия поля с атомом.

4.        Квантовая теория излучения и поглощения света

Вывод выражений для вероятностей излучения и поглощения света в рамках теории возмущений. Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Вероятности дипольного излучения. Принцип соответствия.

Правила отбора для электро-дипольного, магнитно-дипольного и электро-квадрупольного излучения.

Ширины энергетических уровней. Радиационное время жизни атома и его зависимость от главного и орбитального квантовых чисел.

Cилы осцилляторов перехода и силы линий. Квазиклассическая формула Крамерса и ее предельные выражения. Теорема о сумме сил осцилляторов.

Спектральное распределение коэффициента Эйнштейна. Эффективные сечения поглощения и вынужденного излучения. Контуры спектральных линий. Зависимость сечений в центре линии от ее ширины.

Интегральные по линии и по всему спектру сечения поглощения. Вид сечения поглощения света атомом из основного состояния.

Коэффициент поглощения света на связанно-связанном переходе. Поправка на вынужденное излучение. Оптическая толщина слоя. Коэффициент усиления.

5.        Основы общей теории рассеяния

Общие формулы для амплитуды, дифференциального и полного сечений рассеяния. Парциальные волны. Потенциальное и резонансное рассеяние.

Оптическая теорема и ее следствия для рассеяния волн и частиц.

Квазиклассическое, борновское и импульсное приближения.

Теория эффективного радиуса для низкоэнергетичного рассеяния.

6.        Уширение и сдвиг спектральных линий

Естественная ширина линии. Лоренцевский контур линии при радиационном уширении. Лэмбовский сдвиг.

Допплеровское уширение. Гауссова форма линии.

Ударное и квазистатическое уширение. Связь интенсивности излучения с функцией корреляции. Лоренцевский контур линии излучения осциллятора со случайной фазой. Сечения уширения и сдвига; ударные ширины и сдвиги.

Общие квантовомеханические формулы для сечения ударного уширения через амплитуды рассеяния. Упругие и неупругие ширины. Предельные случаи.

Ударное уширение при степенном взаимодействии. Вайскопсофский радиус и частота. Границы применимости ударного и квазистатического пределов.

Бинарный предел в теории квазистатического уширения. Квазистатическое (степенное) и антистатическое (экспоненциальное) крылья линии.

Уширение линии нейтральными частицами, электронами и ионами плазмы.

Уширение и сдвиг высоковозбужденных уровней в газе. Два механизма уширения. Модель псевдопотенциала. Асимптотический закон Ферми.

Контуры составной линии. Свертки двух лоренцевских и гауссовских контуров. Свертка лоренцевского и гауссовского контуров (интеграл Фойхта).

7.        Радиационные процессы с участием непрерывного спектра

Система волновых функций непрерывного спектра. Нормировка.

Вероятности связанно-свободных фотопереходов. Соотношения детального баланса для прямых и обратных процессов.

Фотоионизация атома и фоторекомбинация. Фотоотрыв электрона от отрицательного иона.

Свободно-свободные фотопереходы. Тормозное излучение электрона в кулоновском поле. Трансляционное поглощение при столкновениях атомов.

Фотодиссоциация молекул и молекулярных ионов. Индивидуальные сечения для фиксированных уровней. Интегральный вклад дискретного и непрерывного спектров молекулы. Теория Бейтса и ее квантовомеханическое обобщение.

Приложение теории фотоотрыва электрона от отрицательного иона H- и фотодиссоциации иона H2+ к поглощению света в звездных фотосферах.

8.        Классическая и квантовая теория рассеяния света

Классическая теория упругого рассеяния света. Вывод дисперсионной формулы классической электродинамики на примере осциллятора во внешнем поле.

Динамическая и статическая поляризуемости атома.

Квантовая теория неупругого и упругого рассеяния света. Промежуточные состояния. Дисперсионная формула квантовой электродинамики (формула Крамерса-Гайзенберга). Тензор рассеяния света и правила отбора.

Релеевский и Томсоновский пределы. Комптон эффект (теория Клейна-Нишины). Резонансная флуоресценция. Спонтанное и вынужденное комбинационное рассеяние. Рассеяние на молекулах. Стоксовы и антистоксовы компоненты.

9.        Двухфотонное испускание и поглощение света

Теория двухфотонного испускания и поглощения света. Зависимость вероятности двухфотонного испускания от частот испускаемых квантов.

Вероятности однофотонного и 2-х фотонного испускания. Время жизни атома H(2s1/2) относительно 2-х фотонного распада и магнитно-дипольного излучения.

Коэффициент двухфотонного поглощения. Бездопплеровская спектроскопия.

 
Литература
1.     В. Гайтлер. Квантовая теория излучения (Изд. Иностранной литературы, Москва, 1956).
2.     В.Б. Берестецкий, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский. Квантовая электродинамика (Наука, Москва, 1980).
3.     В.П. Крайнов, Б.М. Смирнов. Излучательные процессы в атомной физике (Высшая школа, Москва, 1983).
4.     В.Г. Левич. Курс теоретической физики. Том I (Наука, Москва, 1969).
5.     В.Г. Левич, Ю.А. Вдовин, В.А. Мямлин. Курс теоретической физики. Том II (Наука,  Москва, 1969).
6.     И.И. Собельман. Введение в теорию атомных спектров (Наука, Москва, 1977).
7.     Л.А. Вайнштейн, И.И. Собельман, Е.А. Юков. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий (Наука, Москва, 1979).
8.     В.С. Лебедев, Связанно-свободные и свободно-свободные фотопереходы в квазиравновесной водородной плазме, в кн.: “Энциклопедия низкотемпературной плазмы” под ред. В.Е. Фортова, Серия Б, Том V-1,Часть II, Раздел IV, Глава 6, сс. 75-105, Mосква, Янус-К (2007).
9.     В.С. Лебедев, Столкновительные процессы в слабоионизованной плазме с участием высоковозбужденных атомов, в кн.: “Энциклопедия низкотемпературной плазмы” под ред. В.Е. Фортова, Серия Б, Том V-1,Часть II, Раздел IV, Глава 9, сс. 183-253, Mосква, Янус-К (2007).
 
Дополнительная литература
1.     М. Баранже, Уширение спектральных линий в плазме. Гл. 13. В кн.: Атомные и молекулярные процессы, под ред. Д. Бейтса (Мир, Москва, 1964).
2.     Л. Мандель, Э. Вольф. Оптическая когерентность и квантовая оптика (Физматлит, Москва, 2000).
3.     И.Л. Фабелинский. Молекулярное рассеяние света (Наука, Москва, 1967).
4.     И.Л. Фабелинский. Спектры света молекулярного рассеяния и некоторые их приложения. Успехи физических наук, том 164, № 9, с. 897 (1994)
5.     И.И. Собельман. К теории рассеяния света в газах. Успехи физических наук, том 172, № 1, сс. 85–90 (2002).
6.     В.С. Лебедев, Л.П. Пресняков, И.И. Собельман. Радиационные переходы молекулярного иона H2+. Успехи физических наук, том 173, № 5, сс. 491–510 (2003).
7.     Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений (Наука, Москва, 1966), Гл. 3: Тепловое излучение и лучистый теплообмен в среде; Гл. 5: Поглощение и испускание излучения в газах при высоких температурах.
8.     Р. Ньютон. Теория рассеяния волн и частиц (Мир, Москва, 1969).

Leave a Comment