Номер 1, страница 185 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 51. Лазер. Глава 6. Квантовая теория электромагнитного излучения и вещества - номер 1, страница 185.

В О П Р О С Ы

1. Какие возможны процессы взаимодействия атома с фотоном?

Взаимодействие атома с фотоном — это фундаментальный процесс в квантовой физике, который может протекать по-разному в зависимости от энергии фотона и состояния атома. Основные возможные процессы следующие:

1. Поглощение фотона (возбуждение атома)

Это процесс, при котором атом поглощает фотон и переходит из основного или менее возбужденного состояния с энергией $E_1$ в более возбужденное состояние с энергией $E_2$. Этот процесс является резонансным, то есть он происходит с высокой вероятностью только в том случае, если энергия фотона $E_{ф}$ в точности равна разности энергий между двумя стационарными состояниями (энергетическими уровнями) атома:

$E_{ф} = h\nu = E_2 - E_1 = \Delta E$

Здесь $h$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота фотона. Если энергия фотона не соответствует этой разности, поглощения, как правило, не происходит. Атом, поглотивший фотон, находится в возбужденном состоянии, которое является нестабильным.

2. Излучение фотона

Это процесс, обратный поглощению, при котором атом переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией, испуская при этом фотон. Существует два типа излучения:

• Спонтанное излучение: Возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на более низкий энергетический уровень, излучив фотон с энергией, равной разности энергий уровней: $E_{ф} = E_2 - E_1$. Направление, поляризация и фаза испущенного фотона являются случайными. Этот процесс происходит без внешнего воздействия.
• Вынужденное (индуцированное) излучение: Если возбужденный атом взаимодействует с пролетающим мимо фотоном, энергия которого в точности равна разности энергий $E_2 - E_1$, этот фотон может "вынудить" атом перейти на нижний уровень. В результате этого процесса атом излучает второй фотон, который является точной копией первого (имеет ту же энергию, частоту, направление распространения, поляризацию и фазу). Этот процесс лежит в основе работы лазеров.

3. Рассеяние фотона

В этом процессе фотон не поглощается атомом, а изменяет свое направление движения после взаимодействия с ним. Энергия фотона при этом может как сохраняться, так и изменяться.

• Упругое (рэлеевское) рассеяние: Происходит без изменения энергии (и, следовательно, частоты) фотона. Фотон взаимодействует с атомом как с единым целым и меняет только направление своего движения. Этот тип рассеяния наиболее эффективен, когда энергия фотона значительно меньше энергии, необходимой для возбуждения атома. Рэлеевское рассеяние света на молекулах воздуха объясняет голубой цвет неба.
• Неупругое (комбинационное или рамановское) рассеяние: Происходит с изменением энергии фотона. Часть энергии фотона передается атому (он переходит в другое колебательное, вращательное или электронное состояние), и рассеянный фотон имеет меньшую энергию (стоксово рассеяние). Либо, если атом уже был возбужден, он может передать свою энергию фотону, и рассеянный фотон будет иметь большую энергию (антистоксово рассеяние).

4. Фотоионизация (фотоэлектрический эффект)

Если энергия падающего фотона достаточно велика — больше или равна энергии ионизации атома $E_{ион}$ (энергии, необходимой для отрыва электрона от атома), — то фотон может выбить электрон из атома. В результате атом превращается в положительно заряженный ион.

$E_{ф} \ge E_{ион}$

При этом фотон полностью поглощается, а его избыточная энергия (если она есть) переходит в кинетическую энергию вылетевшего электрона (фотоэлектрона):

$K_e = E_{ф} - E_{ион}$

Ответ: Основные процессы взаимодействия атома с фотоном включают: поглощение (возбуждение атома), спонтанное и вынужденное излучение, упругое (рэлеевское) и неупругое (рамановское) рассеяние, а также фотоионизацию (фотоэффект).