1. О гипотезе квантов света

Гипотеза об излучении света квантами была выдвинута в 1900 г. М. Планком и в дальнейшем развита А. Эйнштейном при построении теории излучения. Напомним читателю, что законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина, а также закон Релея-Джинса (в области малых частот излучения) для поведения объёмной спектральной плотности излучения “абсолютно черного” тела сн ([сн] = Дж·см-3·с) удавалось объяснить, используя аппарат и законы термодинамики. В то же время экспериментально наблюдаемое снижение величины сн при росте частоты излучения н объяснить не удавалось. Из термодинамических представлений и модели излучения как совокупности гармонических осцилляторов со средней энергией е=kT (T-температура тела, k-постоянная Больцмана) можно было получить только увеличение при росте н, что было названо «ультрафиолетовой катастрофой». М. Планку первому удалось устранить это противоречие, предположив, что свет излучается порциями (квантами) с различными энергиями, кратными е0=hн (h=6,62·10-34 Дж·с-постоянная Планка), а непрерывный спектр излучения нагретых тел является суперпозицией этих квантов. Используя законы статистики, он нашел, что сн как функция н и Т имеет вид

. (1)

где M= определяет число типов колебаний (мод) в единице объёма и в интервале частот от н до н+dн, если излучение происходит в объёме, превышающем длину волны излучения л.

Из выражения (1) вытекают все законы излучения. В самом деле, интегрируя его по н можно получить, что сн~Т4 (закон Стефана-Больцмана); тот факт, что сн зависит от н/Т, приводит к закону Вина «смещения» максимума сн(н): лмакс·Т=const (или нмакс/Т=const), а в пределе малых и больших н (по обе стороны от экстремума зависимости сн(н) получаем снижение сн (закон Релея-Джинса).

В соответствии с квантовой теорией, квант электромагнитного излучения, или фотон, является элементарной квазичастицей, имеющей нулевую массу покоя и движущейся в вакууме с максимальной скоростью движения элементарных частиц материи (с?3·108 мс_1), а электромагнитное излучение оптического диапазона (свет) представляет собой поток фотонов. Момент количества движения (спин) фотона равен h=h/2, и к фотонам применима статистика Бозе-Эйнштейна (фотоны являются “бозонами”), а для бозонов, в противоположность фермионам (например, электронам в атоме), не существует ограничений в числе частиц, занимающих данное квантовое состояние. Это допускает неограниченное число фотонов в световой волне и любую величину её энергии.

Квантовая электроника (как и квантовая радиофизика) имеет дело, как правило,- со связанными электронами, входящими в состав атомов, молекул, кристаллов, которые, наряду с другими способами накопления энергии (колебания, вращение молекул и др.) и определяют значения внутренней потенциальной энергии этих частиц и систем в целом.