與愛因斯坦共進早餐,(美) 查德·奧澤爾,電子書,mobi,pdf,txt,epub,kindle,百度云全文閱讀獲得

原創 qiangshuai521  2019-12-24 18:10  閱讀 132 views 次
WordPress免費響應式主題:Unite主題

與愛因斯坦共進早餐,(美) 查德·奧澤爾,電子書,mobi,pdf,txt,epub,kindle,百度云全文閱讀獲得

與愛因斯坦共進早餐,(美) 查德·奧澤爾,電子書,mobi,pdf,txt,epub,kindle,百度云全文閱讀獲得

與愛因斯坦共進早餐,(美) 查德·奧澤爾,電子書,mobi,pdf,txt,epub,kindle,百度云全文閱讀獲得

本文書籍獲取方式:

1.掃描左邊微信二維碼免費獲得,添加備注,小編看到后會第一時間回復。

2.掃描右邊微信二維碼,添加微信公眾號:超級讀書繪,打包下載。

原子是如何發光的

世界上第一臺可實際應用的激光器是1960年研制成功的。在此之前,理論建議的不統一引發了一場曠日持久的專利之戰。不過,早在40多年前,愛因斯坦就在1917年發表的一篇論文中闡述了制造激光器必須使用的物理學知識。
愛因斯坦在物理學領域和普通大眾中聲名鵲起的主要原因在于,他提出了相對論,尤其是廣義相對論,該理論將引力解釋為物質對四維時空的扭曲。這有時會讓人們認為他一直在從事高度抽象的數學研究,但事實并非如此。他于1905年發表的第一篇關于狹義相對論的論文,使用了比較簡單的數學知識,1915年他提出了廣義相對論。這兩個理論相隔10年之久,很大一部分原因在于,愛因斯坦不得不在他的朋友馬塞爾·格羅斯曼(Marcel Grossmann)的幫助下,苦學建立廣義相對論所需的彎曲空間的相關數學知識。雖然愛因斯坦的數學水平也很高,但他真正的天賦在于他對物理學的直覺和清晰的洞察力。最后,數學家戴維·希爾伯特(David Hilbert)幾乎搶了愛因斯坦的風頭,因為希爾伯特對廣義相對論所需數學知識的理解遠比愛因斯坦透徹。希爾伯特后來說:“哥廷根街上的任何一個男孩,都比愛因斯坦更懂四維幾何?!辈贿^,希爾伯特也認同,如果沒有愛因斯坦的物理洞察力,就不可能有廣義相對論。
愛因斯坦的物理學研究對象并不僅限于大量粒子的屬性,這個領域現在被稱為統計力學。與他最著名的研究成果相比,他于1905年完成的博士論文《分子大小的新測定》(將糖溶液的黏度與溶解分子的大小聯系起來)顯得過于平凡。同一年在完成博士論文之后他又寫了一篇關于布朗運動的論文,布朗運動是一種懸浮在水中的微粒所做的可觀測的無規則運動。愛因斯坦將布朗運動歸因于這些粒子與周圍水分子之間的隨機碰撞,并利用他在論文中推導出的方程,展示了如何利用布朗運動的統計測量結果確定這些分子的屬性。這兩篇論文頗具影響力,讓頑固分子相信原子和分子是真實的物理實體,而不只是為了計算方便而假想出來的東西。
愛因斯坦于1917年發展的論文以這些統計數據為基礎,考慮了大量光子和原子發生相互作用的結果。這似乎是一項不切實際的研究,尤其是在人們還未完全理解光子和原子的“舊量子理論”時代。然而,物理學領域有一個常見的怪異現象:在分析為數不多的粒子時無法解決的問題,一旦粒子的數量多到數不清,該問題就會變得非常簡單。物理學家可能對單個光子與單個原子之間的相互作用原理知之甚少,但如果把大量光子和原子放在一起考慮,就可以忽略個體間相互作用的諸多細節。愛因斯坦利用統計推理方法,在不知道個體分子碰撞的具體細節的情況下,將布朗運動與分子屬性聯系起來。這一次,他利用同樣的統計推理方法,從一個非?;镜年P于光子與物質間的相互作用模型,推導出光子的某些屬性。
愛因斯坦的論文思考了光子和玻爾型原子(只當電子在兩個離散的容許軌道間躍遷時才會吸收或發射光)之間的相互作用。為簡單起見,他只考慮了原子的兩種能態(低能“基態”和高能“激發態”),所以他只需要追蹤由這兩種能態之間的能量差決定的單頻光即可。
在這幅簡單的圖景中,光和原子之間的相互作用可根據兩個條件進行分類:第一,原子是處于基態還是激發態;第二,是否存在恰當頻率的光。在這種框架下,可能會出現以下三個過程:
1. 吸收。如果原子處于基態,光也具有恰當的頻率,原子就可能會吸收一個光子并躍遷至激發態。
2. 自發發射。如果原子處于激發態,那么無論是否有光,它都有可能下降至基態并發射出一個光子。
3. 受激發射。如果原子處于激發態,具有恰當頻率的光子就有可能觸發它發射另一個光子并下降至基態。
其中,前兩個過程在1917年就已經為人熟知,因為原子蒸氣吸收和發射光的屬性早在玻爾的原子量子模型出現之前就被用于識別元素了。第三個過程,即受激發射,是愛因斯坦自己的發明,也為制造激光器(以及現代互聯網)提供了關鍵的物理學原理。
認為一個光子會觸發原子發射出另一個光子的想法看起來有些奇怪,因為光子將能量傳輸給原子,原子的能量反而降低了。但是,愛因斯坦指出,如果把原子內部的電子視為振子(電子要產生光,在某種意義上就必須發揮振子的作用),那么根據經典物理學,這個過程應該存在。用推孩子蕩秋千做類比,就很容易理解其中的道理。如果你在孩子蕩到最高點時推動秋千,就可以增加其搖擺動作的能量,使秋千蕩得更高。但是,如果你以完全相同的頻率,在孩子蕩到最低點時反向推秋千,秋千很快就會停下來。同理,在恰當頻率的光的“推動”下,旋轉電子的能量要么增加要么減少。在量子情景中,從高能態到低能態的能量減少必然會觸發光子的發射。
雖然愛因斯坦不能闡明受激發射的所有細節,但這個經典的類比告訴我們,受激發射會放大發射光:受激發射的光子必定與入射光子的頻率相同,運動方向也相同。簡言之,受激發射是指一個受激原子和一個光子產生一個基態原子和兩個完全相同光子的過程。
愛因斯坦對光的理解

在明確了這三個過程之后,愛因斯坦跳過了它們如何運行的具體細節,直接宣布這些過程都有可能發生。然后,他依靠自己在熱物理學和統計物理學領域所做的研究,以及大量原子與光相互作用時的可觀測特征,對這些過程的發生概率(和光子的屬性)進行了推斷。從概率的角度思考這個簡單的原子–光子相互作用模型,愛因斯坦發現了一筆物理學的寶貴財富。
愛因斯坦依據的關鍵原理是從熱力學中借來的一個理念,即原子氣體和大量光子應該可以達到平衡態。在平衡態下,大型系統的整體屬性不會發生變化,盡管單個組成可能會發生變化。當氣體中的兩個原子發生碰撞時,如果其中一個原子減速,另一個就會加速,因此氣體的總能量(和溫度)保持恒定。平衡態是熱力學和統計物理學的基礎,也是推理大量原子和分子屬性的一種強有力的工具,因此愛因斯坦很自然地延展了這個理念,將光量子也囊括進來。
在愛因斯坦使用的原子–光子簡化模型中,平衡態意味著原子吸收的任何光子將很快被另一個原子發射的相同頻率的光子取代,從高能態降至低能態的任何原子也將很快被吸收了一個光子,從而受激躍遷至高能態的新原子取代。在這種狀態下,高能原子的數量和光強總的來說保持恒定。接下來要考慮的問題是:光必須具備哪些屬性,才能使開始時處于某個溫度的原子氣體與光達到平衡態?
在一般的熱力學環境中,我們通常發現,當系統的不同組分達到相同的溫度時,系統就會處于平衡態。例如,如果將一塊高溫金屬放到冷水中,一開始系統的狀態會變化得非???,金屬冷卻,水溫升高。但是,一旦金屬和水達到相同的不冷不熱的溫度,它們就會停止變化,實現平衡態。愛因斯坦思考的一個問題是:原子和光的混合物是否也如此呢?
我們已經了解到溫度和光之間存在某種聯系。根據普朗克的描述,黑體輻射的光譜只取決于溫度。我們還可以利用兩種方式給原子指定溫度:第一種是我們熟悉的方式,即將溫度定義為在氣體中運動的原子的平均動能;第二種方式是用激發態原子的數量來反映溫度。氣體的部分熱能可轉化為原子的內能,例如,兩個基態原子發生碰撞后,運動速度都減慢,其中一個處于激發態。對特定溫度的原子氣體來說,任意原子處于激發態的概率是溫度的一個簡單函數,這是由麥克斯韋和玻爾茲曼在19世紀末發現的。
愛因斯坦證實,如果某個溫度的原子氣體通過上述三種光子過程與光發生相互作用并達到平衡態,那么該系統中的光子數量(即相關波長的光強)與相同溫度條件下普朗克黑體光譜公式的預測結果完全吻合。同樣,如果一開始所有原子都處于最低能態,與之發生相互作用的光來自黑體輻射光譜,當系統達到平衡時,高能態原子的數量就會與我們預期在恰當溫度的氣體中找到的高能態原子的數量完全一致。
普朗克的黑體光譜量子公式是將量子概念應用于光的自然產物,這一事實為證明光子的存在提供了強有力的證據。當然,原子氣體要與光達到平衡態,就必須通過吸收和發射光子改變原子的速度,從而改變平均動能。這反過來意味著單個光子必須攜帶動量,愛因斯坦的模型顯示,光子攜帶的必要動量正好與他1905年提出的狹義相對論的預測結果一致,這證明光量子理論與另一個公認的物理學領域并不矛盾,并為光子概念提供了額外的證據支持。
幾年后,亞瑟·霍利·康普頓(Arthur Holly Compton)通過X射線在撞擊金屬中的電子時的波長變化,直接觀測到光子的動量?!翱灯疹D散射”實驗的觀測結果,作為最終的有力證據之一,讓關于光的粒子性之爭蓋棺定論,康普頓也因此獲得了1927年的諾貝爾物理學獎?,F在,光子動量是激光致冷技術的一個必要工具:利用光散射減慢氣體中原子的運動,產生溫度不到絕對零度以上百萬分之一度的超冷原子云。這些技術徹底改變了原子和分子物理學研究,因為科學家能以前所未有的精度測量這些緩慢運動原子的屬性。1997年的諾貝爾物理學獎由三位物理學家共享,理由是他們在20世紀80年代早期研發出激光致冷技術。
愛因斯坦還利用他的統計模型指出,自發發射率、受激發射率和吸收率之間存在一種簡單直接的關系。為了使光和原子的混合物達到平衡態,受激發射率和吸收率必須彼此相等,并且與自發發射率成正比。自發發射率高的原子也很容易吸收光,容易吸收光的原子受激后也很容易發射光。
1917年,特定原子的精確自發發射率是不可能計算出來的,至少要等上10年,直到建立起完整的量子力學理論。但是,愛因斯坦發現的原子吸收光的難易程度與自發發射率(通常用被激發到特定能態的原子壽命來衡量)之間的關系,經受住了實證檢驗,而且非常穩定。該模型還預測,自發發射率會隨發射光頻率的增加而迅速增加。事實上,實驗觀測結果證明這個預測是正確的。
愛因斯坦1917年發表的那篇關于光的統計特征的論文并不是他最著名的成果,但它是量子光學領域的一塊重要的奠基石。今天,關于吸收、受激發射和自發發射的簡單概率模型仍被用于預測光和原子氣體之間的相互作用。為了致敬這篇論文,這些概率被稱為“愛因斯坦系數”。對物理學整體而言,這篇論文最顯著的影響或許是,它為說服物理學家承認光子的存在起到了關鍵作用。當時,就連尼爾斯·玻爾也不愿意接受光子概念,而偏向于一種更加經典的模型,其中發生相互作用的是離散原子態和光波。
但就本書而言,愛因斯坦1917年進行的光子研究中最重要的部分是,它引入了受激發射的概念。一個光子可以觸發另一個光子的發射,這讓激光器的制造成為可能,也對日常生活產生了巨大的影響。
激光的歷史

像許多物理學家一樣,查爾斯·湯斯(Charles Townes)在第二次世界大戰期間一直致力于研究雷達這項新技術,它極大地改進了頻率在光譜微波區的光的產生、控制和探測。戰后,回歸和平研究的物理學家開始利用這些新的微波源研究原子和分子的屬性,描繪不同能態間的轉換。這些研究引發了物理學的革命性發展。例如,威利斯·蘭姆(Willis Lamb)和羅伯特·雷瑟福(Robert Retherford)發現,氫的兩個應該完全相同的能態之間存在小的能量差異,這就是所謂的“蘭姆移位”。為了解釋這個現象,他們提出了量子電動力學(QED),它是最奇怪的科學理論之一,但也可以說是歷史上得到過最精確檢驗的理論。
為了將可研究的光的波長范圍擴大到低于戰時雷達研發使用的頻率(或更長的波長),湯斯等人開展了一些微波波譜學實驗,邁出了激光研發的第一步。較低頻率之所以引起人們的關注,是因為許多分子吸收和發射的光都在光譜的低頻區,這讓湯斯突然想到利用分子本身產生微波的辦法。

文章標簽:, , , , , , , ,
關注我們:請關注一下我們的微信公眾號:掃描二維碼讀路:致力提供kindle電子書下載、分享。包括mobi、epub、pdf格式的公眾號,公眾號:超級讀書繪
版權聲明:本文為原創文章,版權歸 讀路網 所有,歡迎分享本文,轉載請保留出處!

評論已關閉!