Квантовая и оптическая электроника

Принципиально важным моментом квантовой теории электромагнитного излуче­ ния (света) является то, что обмен энергией и импульсом между фотоном и атом­ ной системой (электроном, атомом, молекулой и т.д.) происходит путем рождения одних и исчезновения других квантов света. Это отличает фотонный газ от газа, состоящего из таких частиц, как электроны, атомы, молекулы, ионы и др. Это свойство отражается в законах сохранения энергии и импульса при рассмотрении взаимодействия света с какой-либо квантовой системой: hco + Е = hco'+ Е\ (2.3) hk + Р = hk' + Р'. (2.4) где Е и Р - энергия и импульс системы до взаимодействия с квантом света, Е' и Р' - после взаимодействия; hconhk - энергия и импульс фотона до взаимодей­ ствия, hco'nhk' - после взаимодействия. В этих законах заложена основная связь между волновыми и корпускуляр­ ными свойствами света. Пусть Nka соответствует числу фотонов, находящихся в единице объема. То­ гда плотность энергии р светового поля можно представить в виде суммы энергий фотонов: а=\ к Аналогично полный импульс ка -состояниях а=\ к Сравнение этих соотношений с аналогичными классическими выражениями (2.1) и (2,2) позволяет перейти от числа фотонов в -состоянии к амплитуде электромагнитной волны с поляризацией а и волновым вектором к . При класси­ ческом описании энергия светового поля р и его импульс Р изменяются непре­ рывно, а при квантовомеханическом - скачками. Квантованием поля, т.е. его дис­ кретностью, можно пренебречь, если полная энергия р существенно больше энер­ гии кванта hco, т.е. если Nka » 1. Это условие называется классичности. Оно определяет условие перехода от квантовомеханического описания электро­ магнитного поля к классическому. Для фермионов, например, для электронов.