Квантовые явления в системах сильной связи. Формула и применение

ИВВ

«Квантовые явления в системах сильной связи: формула и применение» представляет собой исчерпывающий обзор теории и практических приложений формулы S в оптических системах. Книга охватывает основные концепции квантовой оптики, применение формулы S для анализа оптических резонаторов, фотонных кристаллов и других структур, а также перспективы развития в данной области.

Основы квантовой физики

Квантовая механика: принципы и постулаты

Квантовая механика является основополагающей теорией в современной физике, описывающей поведение частиц на микроскопическом уровне. Её основные принципы и постулаты ставят в основу понимания квантовых явлений и являются основой для развития квантовой физики.

Принципы квантовой механики:

1. Принцип волновой природы: Согласно этому принципу, частицы, такие как электроны и фотоны, обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Это означает, что частицы могут вести себя как волны и проявлять интерференцию и дифракцию, а также как частицы, имея определенные положение и импульс.

2. Принцип дуализма волн и частиц: Этот принцип утверждает, что взаимодействие между частицами и измерительными приборами может быть описано как взаимодействие как частиц, так и волн. Это объясняет параллельное поведение частиц и волн в квантовой механике.

Постулаты квантовой механики:

1. Постулат о состоянии: Состояние квантовой системы полностью описывается её волновой функцией, которая зависит от времени и пространственных координат. Волновая функция содержит всю доступную информацию о системе и позволяет предсказывать результаты измерений.

2. Постулат о измерениях: При измерении наблюдаемой величины система принимает одно из возможных собственных значений этой величины с вероятностью, определенной квадратом амплитуды соответствующего элемента волновой функции. После измерения система оказывается в соответствующем собственном состоянии.

3. Постулат о неопределенности: Этот постулат утверждает, что невозможно одновременно точно определить значения некоторых пар сопряженных (например, положение и импульс) физических величин. Точность, с которой можно измерить одну из этих величин, обратно пропорциональна точности измерения другой.

Принципы и постулаты квантовой механики представляют собой базовые концепции, на которых строится вся теория квантовой физики. Они обеспечивают понимание поведения микроскопических объектов и явлений, а также позволяют предсказывать результаты экспериментов и разрабатывать квантовые технологии.

Энергетические уровни в квантовой системе

Энергетические уровни играют ключевую роль в описании квантовых систем, таких как атомы, молекулы и квантовые ямы. Понимание энергетических уровней позволяет предсказывать и объяснять поведение системы при взаимодействии с электромагнитным излучением, при переходах между уровнями и при других квантовых процессах.

Основные понятия:

1. Уровни энергии: Энергетические уровни представляют собой дискретные значения энергии, которые может принимать квантовая система. Они определяются квантовыми числами, такими как главное квантовое число, орбитальное квантовое число и магнитное квантовое число для атомов, и формируют «лестницу» энергетических состояний системы.

2. Переходы между уровнями: Квантовая система может переходить с одного энергетического уровня на другой путем поглощения или испускания кванта энергии. Эти переходы сопровождаются излучением или поглощением электромагнитного излучения и могут быть вызваны внешними воздействиями, такими как свет или тепло.

3. Квантовые числа: Квантовые числа характеризуют энергетические уровни квантовой системы и определяют их свойства. Главное квантовое число определяет среднюю энергию и радиальное распределение электрона в атоме, орбитальное квантовое число определяет форму орбитали, а магнитное квантовое число определяет ориентацию орбитали в пространстве.

Примеры:

1. Атомы: У атомов энергетические уровни соответствуют различным электронным орбиталям вокруг ядра. Переходы между этими уровнями приводят к испусканию или поглощению фотонов, что приводит к спектральным линиям.

2. Молекулы: В молекулах энергетические уровни связаны с вращательными, колебательными и электронными состояниями. Переходы между этими уровнями могут приводить к изменению длины волны поглощенного или испущенного света.

3. Квантовые ямы: В квантовых ямах энергетические уровни связаны с разрешенными энергетическими состояниями электронов в ограниченной области пространства. Изменение размеров квантовой ямы может приводить к изменению энергетических уровней и оптических свойств материала.

Энергетические уровни играют важную роль в понимании и описании квантовых систем. Их изучение позволяет предсказывать поведение системы при различных условиях и разрабатывать новые квантовые технологии.

Вероятности переходов между энергетическими уровнями

Вероятности переходов между энергетическими уровнями в квантовых системах определяются правилами квантовой механики и зависят от различных факторов, включая выбранный метод возбуждения системы, её окружение и свойства переходящих состояний.

Некоторые из основных моментов, определяющих вероятности переходов:

1. Правила отбора:

— Дипольные переходы: Вероятность переходов между энергетическими уровнями в атомах и молекулах обычно зависит от того, насколько сильно дипольный момент перехода соответствует поляризации электромагнитного поля во время излучения или поглощения.

— Угловой момент: Переходы в атомах могут быть запрещены или разрешены в зависимости от изменения углового момента.

2. Законы сохранения:

— Сохранение энергии: Вероятность перехода между энергетическими уровнями связана с разностью энергии между начальным и конечным состояниями.

— Сохранение импульса: Вероятность перехода также зависит от сохранения импульса системы.

3. Окружение и внешние воздействия:

— Взаимодействие с окружающей средой: Присутствие других частиц или полей может изменить вероятности переходов.

— Интенсивность внешнего излучения: Излучение, возбуждающее систему, может повысить вероятность переходов.

Примеры:

— Спектральные линии: Вероятности переходов между энергетическими уровнями атомов и молекул определяют интенсивность и форму спектральных линий.

— Флюоресценция и фотолюминесценция: Вероятности переходов в флуоресцирующих и фотолюминесцирующих материалах определяют скорость излучения света после возбуждения.

Вероятности переходов между энергетическими уровнями являются фундаментальным аспектом квантовой механики и играют важную роль в понимании и интерпретации квантовых явлений. Их анализ позволяет предсказывать поведение квантовых систем и разрабатывать новые методы контроля и использования квантовых эффектов.