| 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). |