Взаимодействие излучения с атомами и наночастицами

ФИЗТЕХОВСКИЙ УЧЕБНИК



В. А. АСТАПЕНКО

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С АТОМАМИ И НАНОЧАСТИЦАМИ








л

                                                Издательский Дом
                                                ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2010

    В.А. Астапенко
      Взаимодействие излучения с атомами и наночастицами: Учебное пособие / В.А. Астапенко — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010. — 496 с.
      ISBN 978-5-91559-083-9

      Учебник посвящен систематическому изложению физики основных элементарных процессов, возникающих при взаимодействии электромагнитного поля с атомами и наночастицами. Рассмотрены такие фундаментальные явления как поглощение излучения, люминесценция, индуцированное излучение, фотоионизация, тормозное излучение, включая поляризационный канал, различные виды рассеяния фотона на атомах и мезообъектах, в том числе с участием поверхностных плазмонов, а также фотопереходы в молекулярных системах и наноструктурах. Когерентные нестационарные процессы — самоин-дуцированная прозрачность, оптическая нутация и фотонное эхо — описаны в рамках формализма вектора Блоха, позволяющего дать их наглядную геометрическую интерпретацию.
      Основному материалу предпослано рассмотрение электромагнитного взаимодействия на примере простейших классических систем — гармонического осциллятора и осциллятора Морзе. Особое внимание уделено фазовому контролю фотовозбуждения классического осциллятора в поле ультракоротких импульсов и в бихроматическом поле, играющему важную роль в современной лазерной физике и химии.
      Представлено классическое описание взаимодействия электромагнитного излучения с веществом на основе спектроскопического принципа соответствия, включая вывод выражений для коэффициентов Эйнштейна. Подробно рассмотрена динамическая поляризуемость атома — величина, занимающая центральное место в описании отклика вещества на электромагнитное воздействие.
      Рассмотрены неупругие процессы при взаимодействии электронов с атомными частицами.
      Для студентов и преподавателей, научных работников в областях атомной физики и фотоники.








    ISBN 978-5-91559-083-9    © 2010, В.А. Астапенко
                              © 2010, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

          ОГЛАВЛЕНИЕ










    ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................... 7

    Глава 1 ОСЦИЛЛЯТОР В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ......................11
       1.1. Гармонический осциллятор в монохроматическом поле................................................12
       1.2. Гармонический осциллятор в поле электромагнитного импульса............................................20
       1.3. Гармонический осциллятор в поле теплового излучения..........................................31
       1.4. Осциллятор Морзе в электромагнитном поле........35
       1.5. Возбуждение гармонического осциллятора при столкновении с   заряженной частицей...........47
       Приложение 1.........................................54
       Приложение 2.........................................56
       Литература...........................................58

    Глава 2 ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И КВАНТОВАНИЕ
    ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ.................................59
       2.1. Квантование энергии вещества и теория теплового излучения М. Планка ................................59
       2.2. Вывод формулы для спектра теплового излучения на основании квантования энергии электромагнитного поля...............................................67
       2.3. Квантование гармонического осциллятора..........73
       2.4. Каноническое квантование электромагнитного поля.80
       2.5. Когерентные состояния электромагнитного поля....92
       Литература..........................................103

—1 Оглавление

    Глава 3 ФОТОЭФФЕКТ И ЭФФЕКТ КОМПТОНА.............................104
       3.1. Фотоэффект.......................................104
       3.2. Эффект Комптона..................................113
       Литература............................................122

    Глава 4
    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ: ОПИСАНИЕ В РАМКАХ ПРИНЦИПА СООТВЕТСТВИЯ..................123
       4.1. Двухуровневая система в поле теплового излучения.123
       4.2. Полуклассическая теория Бора.....................125
       4.3. Спектроскопический принцип соответствия и сила осциллятора........................................133
       4.4. Классический вывод выражений для коэффициентов Эйнштейна..........................................142
       4.5. Спектральная форма линии атомного перехода.......146
       4.6. Сечение радиационного перехода...................156
       4.7. Балансные уравнения и динамика лазерной генерации..........................................161
       Литература............................................176

    Глава 5
    ДИНАМИЧЕСКАЯ ПОЛЯРИЗУЕМОСТЬ АТОМОВ И НАНОЧАСТИЦ.............................................177
       5.1. Определение динамической дипольной поляризуемости.....................................177
       5.2. Динамическая поляризуемость атома................179
       5.3. Общие соотношения для динамической поляризуемости.....................................183
       5.4. Поляризуемость водородоподобного атома (иона) ...187
       5.5. Статическая поляризуемость атомов и ионов........190
       5.6. Модель локальной плазменной частоты для поляризуемости многоэлектронных систем.........191
       5.7. Динамическая поляризуемость наночастиц...........196
       Литература............................................201

    Глава 6 ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДИСКРЕТНОМ СПЕКТРЕ..................................................202
       6.1. Введение в квантовую теорию атома..............202

Оглавление —I 5

   6.2. Теория возмущений...............................207
   6.3. Фотопроцессы в монохроматическом поле...........210
   6.4. Наномаркеры на квантовых точках.................217
   6.5. Двух- и многофотонные процессы..................223
   6.6. Двухуровневая система в резонансном поле........232
   6.7. Фотовозбуждение вещества ультракороткими электромагнитными импульсами........................236
   Литература...........................................248

Глава 7
ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВЯЗАННО-СВОБОДНЫХ ПЕРЕХОДАХ.......................249
   7.1. Фотоионизация и фотоотрыв в пертурбативном режиме..............................................249
   7.2. Фотоионизация атомов в сильном лазерном поле....273
   Литература...........................................290

Глава 8
РАССЕЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ НА АТОМАХ, ПЛАЗМЕ И НАНОЧАСТИЦАХ.........................................291
   8.1. Рассеяние фотона на свободном электроне.........291
   8.2. Рассеяние излучения на атоме....................294
   8.3. Рассеяние высокочастотного излучения на атоме...306
   8.4. Рассеяние излучения в плазме....................317
   8.5. Рассеяние и поглощение излучения на наночастицах.....................................326
   Литература...........................................343

Глава 9
КОГЕРЕНТНЫЕ ФОТОПРОЦЕССЫ................................344
   9.1. Формализм оптического вектора Блоха и простейшие когерентные явления.................................344
   9.2. Уширение линии спектроскопического перехода и «выжигание провалов»..............................355
   9.3. Затухание свободной поляризации и фотонное эхо..369
   9.4. Фемтосекундное фотонное эхо на нанокристаллах...377
   9.5. Фазовые эффекты при фотовозбуждении вещества мощными ультракороткими импульсами..................382
   Литература...........................................389

Оглавление

6

Глава 10
ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БИХРОМАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ.................................................390
   10.1. Двухфотонные процессы в бихроматическом поле.390
   10.2. Фазовый контроль в бихроматическом поле ....394
   10.3. Эксперименты по фазовому контролю...........401
   10.4. Бихроматическое возбуждение атомов в электрическом поле.............................................408
   Литература........................................416

Глава 11
СТОЛКНОВИТЕЛЬНО-ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ...............417
   11.1. Два канала тормозного излучения на атоме....417
   11.2. Вынужденный тормозной эффект................429
   11.3. Резонансный тормозной эффект................437
   11.4. Излучение релятивистских частиц на атомных кластерах........................................445
   11.5. Поляризационное тормозное излучение на металлических наночастицах....................457
   Литература........................................466

Глава 12
ИОНИЗАЦИЯ И ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМОВ ЭЛЕКТРОННЫМ УДАРОМ...................................467
   12.1. Формула Томсона.............................467
   12.2. Метод функции подобия для сечения ионизации.469
   12.3. Сравнение с экспериментальными данными......473
   12.4. Классическое рассмотрение ударного возбуждения атома............................................478
   12.5. Метод функции подобия для ударного возбуждения атома............................................485
   12.6. Возбуждение дипольно-запрещенных переходов в атомах.........................................488
   Литература........................................492

        ПРЕДИСЛОВИЕ










           Книга, предлагаемая читателю, написана на основании трех источников. Это, во-первых, опыт более чем 20-летнего преподавания физики излучательных процессов в Московском физикотехническом институте как на факультете физической и квантовой электроники, так, частично, на факультете молекулярной и химической физики. Вторым источником является научная работа автора по исследованию широкого круга явлений, так или иначе связанных с взаимодействием электромагнитного поля и вещества: от поляризационного тормозного излучения на атоме и фотонного эха на нанокристаллах до рассеяния света на наночастицах и фазовых эффектов при возбуждении атомов и нанообъектов ультракороткими лазерными импульсами. Наконец, третьим источником является опыт прикладного использования теории элементарных электрон- и фо-тон-атомных взаимодействий при выполнении ряда наукоемких коммерческих проектов. Последнее относится в первую очередь к материалу гл. 12, в которой рассматриваются ионизация и возбуждение атомов электронным ударом.
   Логика отбора материала в значительной мере определялась характером вышеперечисленных источников. Здесь в первую очередь играла роль значимость рассматриваемых процессов для создания у обучающегося необходимого фундамента для качественного понимания физики излучательных процессов и способов их количественного описания. Другим определяющим критерием был личный опыт автора в исследовании изучаемых явлений. Наконец еще одно важное обстоятельство, влиявшее на отбор материала, — это степень актуальности рассматриваемых процессов с точки зрения их современных технологических применений в частности в нанофотонике и наноплазмонике, а также в физике сверхбыстрых процессов и сверхсильных полей.

—1 Предисловие

       Стиль изложения определялся спецификой рассматриваемых вопросов. Так, например, процессам, исследование которых послужило толчком к созданию современной физики электромагнитного поля (тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона), дано в первых главах оригинальное, исторически первое описание, а в последующих разделах представлена их современная трактовка в рамках последовательной теории. Значительное внимание в книге уделено спектроскопическому принципу соответствия, позволяющему провести широкую аналогию между классической и квантовой физикой, получить в ряде случаев выражения для ключевых физических величин (коэффициентов Эйнштейна, сил осцилляторов и т. д.) с использованием арсенала понятий классической физики.
       В книге сочетается изложение простых, но важных для понимания всего материала вопросов, и довольно сложного формализма современной квантовой физики. Так, в первой главе дается элементарная теория классического (линейного и нелинейного) заряженного осциллятора в электромагнитном поле, которая служит через вышеупомянутый принцип соответствия основой для дальнейшего изложения. При этом впервые, насколько это известно автору, рассматриваются особенности свободных колебаний классического осциллятора Морзе, являющегося важной моделью в теории двухатомных молекул. Во второй главе представлена квантовая теория осциллятора и электромагнитного поля, включая формализм когерентных состояний, играющих существенную роль в квантовой оптике и квантовой информатике.
       Характерная особенность настоящего учебника состоит в том, что в нем, наряду с изложением строгой квантовой теории электромагнитных процессов, заметное внимание уделено ряду качественных моделей, позволяющих получать адекватное описание, апеллируя в большей степени к соображениям физической интуиции, нежели к математическому формализму. Отличительной особенностью излагаемых подходов является широкое использование качественных аналогий, позволяющее переносить приемы и методы, развитые для расчета одних процессов, на исследование других, часто слабоизученных явлений. Примером такого рода моделей является приближение локальной плазменной частоты, используемое в расчетах сечения фотопоглощения на многоэлектронных системах и динамической поляризуемости атомов. В этом ряду стоит также модель Борна-Комптона в теории ионизации атома электронным

Предисловие

Л

9

    ударом, которая была предложена автором на основании аналогии между ударной ионизацией и комптоновским рассеянием рентгеновских лучей. Важное место уделено формализму оптического вектора Блоха, который дает наглядную геометрическую интерпретацию когерентных радиационных процессов, позволяя представить временную эволюцию квантовой системы под действием излучения как вращение трехмерного вектора, изображающего состояние системы.
       Таким образом, качественное понимание электромагнитных взаимодействий достигается как с помощью использования интуитивных моделей, так и на основании применения наглядного математического формализма.
       Другая особенность данной книги, отличающая ее от стандартных учебников по теории излучательных процессов, связана с сочетанием изложения хорошо известных подходов и новых методов описания, некоторые из которых были разработаны автором в связи с современными возможностями эксперимента. Здесь в первую очередь нужно упомянуть простое аналитическое выражение для полной вероятности фотопроцесса в поле ультракороткого электромагнитного импульса, которое позволяет описывать явление в той ситуации, когда стандартный подход, основанный на понятии интенсивности излучения и вероятности процесса в единицу времени, становится неадекватным. Полученное выражение можно назвать аналогом золотого правила Ферми в физике сверхбыстрых электромагнитных явлений.
       Наряду с традиционными вопросами физики электромагнитных взаимодействий, в книге рассматривается ряд фотопроцессов, отвечающих современному этапу развития науки и техники, перспективных с точки зрения использования в новейших технологиях. К этим явлениям относятся: фотонное эхо на нанокристаллах, рассеяние излучения на металлических сферах в области плазмонного резонанса, поляризационное тормозное излучение на кластерах, резонансный поляризационный тормозной эффект, фазовый контроль фотоиндуцированных процессов в поле ультракоротких импульсов и в бихроматическом поле, фотоионизация атомов в сверхсильных полях.
       Помимо необходимого теоретического материала, в книге приводится описание экспериментов по когерентному фазовому контролю возбуждения вещества в бихроматическом лазерном поле, включая двухканальное возбуждение квантовых ям в полупроводниковых

¹⁰ -V

Предисловие

    структурах. Приведенные эксперименты демонстрируют перспективность фазового метода управления вероятностью излучательных явлений. Одно из важных преимуществ фазового контроля светоиндуцированных процессов по сравнению с традиционным методом, основанным на изменении интенсивности излучения, связано с тем, что управляющее воздействие, изменяющее относительную фазу, не требует значительных затрат энергии. Кроме того, к настоящему времени развиты высокоточные методы изменения и стабилизации фазы лазерного излучения, что существенно при практической реализации когерентного контроля в бихроматическом поле и в поле ультракоротких электромагнитных импульсов.
      Изложенные в книге сведения носят, с одной стороны, учебнометодический, а с другой — прикладной характер, сочетая интуитивные соображения, последовательную теорию и простые расчетные формулы. В этой связи можно надеяться, что предлагаемая книга будет полезной как для более глубокого усвоения физической сути рассматриваемых процессов, так и для практического использования приведенных формул в конкретных расчетах.
      Книга предназначена для широкого круга читателей, включающего в себя студентов соответствующих специальностей, аспирантов и научных сотрудников, преподавателей высшей школы и просто лиц, интересующихся физикой электромагнитных взаимодействий. Автор полагает, что представители каждой из вышеперечисленных групп найдут для себя полезный материал, отвечающий их запросам, научным или педагогическим интересам и квалификации.