Квантова оптика, це розділ оптики, в якому світло представляють як потік світлових частинок (фотонів), та вивчають ті явища які підтверджують цей факт.

В квантовій оптиці, світло представляють як потік особливих світлових частинок, які прийнято називати фотонами. Фотон, це неподільний квант електромагнітного випромінювання (світла), який по суті представляє собою певну елементарну частинку з певним набором фізичних властивостей: певною енергією, масою, імпульсом, зарядом, спіном, тощо. Елементарною частинкою називають таку неподільну матеріальну частинку, яка не має певного внутрішнього устрою, тобто не складається з більш простих матеріальних частинок.

Згідно із сучасними уявленнями фотони мають такі властивості:

1. Фотон є електрично нейтральною частинкою, тобто його заряд дорівнює нулю (q=0).

2. Швидкість руху фотона не залежить від вибору системи відліку і завжди дорівнює швидкості світла у вакуумі с=3∙10⁸ м/с. Не слід плутати швидкість поширення світлової хвилі в речовині зі швидкістю руху фотона. Фотони в речовині рухаються від частинки до частинки, поглинаються ними і знову виникають.

3. Енергія фотона пропорційна частоті електромагнітного випромінювання, квантом якого він є.

4. Імпульс фотона дорівнює відношенню його енергії до швидкості й обернено пропорційний довжині його хвилі.

5. Маса спокою фотона дорівнює нулю.

6. Фотони випромінюються під час: переходів частинок речовини зі збудженого стану в стан з меншою енергією; прискорення заряджених частинок; розпаду деяких частинок; анігіляції. Під час поглинання світла речовиною фотон цілком передає всю енергію частинкам речовини.

Фотоефект — явище «вибивання» світлом електронів із речовини. Це повне або часткове вивільнення електронів від зв'язків з ядрами атомів речовини внаслідок дії на неї електромагнітного проміння (світла, рентгенівського чи гамма-променів).

Розрізняють: зовнішній фотоефект — вибивання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), гамма-випромінювання тощо; внутрішній фотоефект — збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність); вентильний фотоефект — збудження світлом електрорушійної сили на межі між металом і напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками (р-n перехід).

Дослідження фотоефекту дозволили сформулювати три його характерні закони.

1. Кількість фотоелектронів прямо пропорційна інтенсивності світла.
2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла.
3. Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає.

Оскільки це порогове значення завжди ближче до червоного світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту.

Зрозуміло, що червона межа фотоефекту існує завдяки притягуванню електронів до ядер. Разом з тим, останній закон не можна пояснити на основі уявлення про світло як неперервні плавні коливання у вакуумі-ефірі: такі хвилі мали довго розгойдувати електрони до того моменту, коли швидкість останніх стала б достатньою для відриву від металу.

Повне пояснення фотоефекту належить Альберту Ейнштейну, який використав ідею німецького фізика Макса Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями — квантами, які отримали назву фотонів.

Світловий тиск — тиск, який світло чинить на тіло, в якому поглинається, або від якого відбивається.

Теоретично існування світлового тиску передбачив Максвелл в 1871 році, а експериментально дослідив П. М. Лебедєв у 1900.

Світло складається з фотонів, кожен з яких має імпульс.

За законом збереження імпульсу при поглинанні фотона цей імпульс передається тілу, що його поглинуло. При відбитті світла імпульс фотона змінюється на протилежний, а тіло, від якого відбивається світловий промінь, отримує вдвічі більший імпульс.

Пояснюючи факт того, що хвіст комети в процесі руху повз Сонце певним чином відхиляється (мал.111), німецький астроном Іоганн Кеплер (1571-1630), ще в 1619 році висловив гіпотезу про те, що причиною цього відхилення є тиск сонячного світла. Подальший розвиток науки повністю підтвердив дане передбачення.

Опис

Подивіться, як світло вибиває електрони з металевої мішені, і відтворіть експеримент, який породив цілу область квантової механіки.

Приклади навчальних цілей

• Розгляньте і опишіть експеримент з фотоелектричного ефекту
• Правильно передбачте результати експериментів фотоелектричного ефекту: наприклад, як зміна інтенсивності світла буде впливати на струм і енергію електронів, як зміна довжини хвилі світла буде впливати на струм і енергію електронів, як зміна напруги світла буде впливати на струм і енергію електронів, як зміна матеріалу мішені буде впливати на струм і енергію електронів
• Опишіть, як ці результати призводять до фотонової моделі світла: напр. аргументуйте, чому тільки фотонами світла можна пояснити, чому, коли світло падає на метал, але струму немає, збільшення частоти світла призведе до появи струму, але і збільшення інтенсивності світла, або напруги між пластинами не буде призводити до появи струму.