Úvod

*odezvu krystalu na elmag.pole popisuje dielektrická fce (permitivita) ϵ(ω,veck)\epsilon (\omega, vec{k})- závisí na elektronové struktuře krystalu -> pásová struktura

Elektromagnetické vlny

*elmag.vlny poprové postulovány Maxwellem(a potvrzeny Hertzem) - odvodil vlnovou formu elektrických a magnetických vln

*dle Maxwellek prosotorově měnící el.pole generuje časově proměnné pole magnetické a naopak - tyto oscilující pole dohromady vytváří elektromagnetickou vlnu *elektromagnetická vlna dopadající na látku (atomovou strukturu) -> oscilace atomů -> emitují své vlastní vlny -> difrakce a odraz (viz.dynamická a kinematická teorie difrakce)

*elektromagnetické spektrum: viditelné je 4−7,9.1014Hz∼400−790nm∼1,6−3,3eV4- 7,9.10^{14} Hz \sim 400-790 nm \sim 1,6 - 3,3 eV

Maxwellovy rovnice

První Maxwellova rovnice (zákon celkového proudu, zobecněný Ampérův zákon

:∇×H=j+∂D∂t.\nabla \times \mathbf{H}=\mathbf{j}+\frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}. Druhá Maxwellova rovnice (Zákon elektromagnetické indukce, Faradayův indukční zákon)

:∇×E=−∂B∂t.\nabla \times \mathbf{E}=- \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}. Třetí Maxwellova rovnice (Gaussův zákon elektrostatiky)

:∇⋅D=ρ.\nabla \cdot \mathbf{D}= \rho. Čtvrtá Maxwellova rovnice (Zákon spojitosti indukčního toku)

:∇⋅B=0.\nabla \cdot \mathbf{B}=0. Materiálové vztahy pro materiály s lineární závislostí

:P=χeε0E \mathbf{P} = \chi_e \varepsilon_0 \mathbf{E} :M=χmH \mathbf{M} = \chi_m \mathbf{H}

a že pole D a B jsou s E a H provázány vztahy: :$\mathbf{D} \ \ = \ \ \varepsilon_0 \mathbf{E} + \mathbf{P} \ \ = \ \ (1 + \chi_e) \varepsilon_0 \mathbf{E} \ \

= \ \ \varepsilon \mathbf{E} : :\mathbf{B} \ \ = \ \ \mu_0 ( \mathbf{H} + \mathbf{M} ) \ \ = \ \ (1 + \chi_m) \mu_0 \mathbf{H} \ \

= \ \ \mu \mathbf{H}, $

Odvození vlnové rovnice

Z druhé Maxwellovy rovnice dostáváme: ∇×(∇×E)=∇×(−∂B∂t)\nabla \times (\nabla \times \mathbf{E})=\nabla \times \left( - \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right)

Po vyjádření pravé a levé strany získáme:

∇×(∇×E)=∇(∇.E)−∇2E=−ΔE\nabla \times (\nabla \times \mathbf{E})=\nabla \left( \nabla . \mathbf{E} \right) - \nabla^2 \mathbf{E}= - \Delta \mathbf{E}

∇×(−∂B∂t)=−∂∂t(∇×B)=−μ0ϵ0∂2E∂t2\nabla \times \left( - \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right)= - \frac{\partial}{\partial t} \left(\nabla \times \mathbf{B} \right) = - \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2}

Nyní již můžeme dát oba výrazy dohromady a získáme rovnici:

ΔE=μ0ϵ0∂2E∂t2\Delta \mathbf{E} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2}

ΔB=μ0ϵ0∂2B∂t2\Delta \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2}

což je ekvivalentní vlnové rovnici:

ΔA=1c02∂2A∂t2\Delta \mathbf{A} = \frac {1}{c_0^2} \frac{\partial^2 \mathbf{A}}{\partial t^2} kde c0=1μ0ϵ0 c_0 = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}}

Popis elektromagnetické vlny

Vezmeme-li v úvahu další 2 Maxwellovy rovnice, tak zjistíme pro vlnu elektromagnetického pole (která je ve tvaru rovinné vlny E=E0ei(k⃗r⃗−ωt)\mathbf{E}=E_0 e^{i(\vec{k}\vec{r}-\omega t)}), že se pohybuje stejně jako vlna magnetická rychlostí světla a obě se pohybují kolmo na sebe B=1c0k×E \mathbf{B}= \frac{1}{c_0} \mathbf{k} \times \mathbf{E} a jejich vln.vektory mají proporcionální amplitudy: E0=c0B0E_0=c_0 B_0

*vlna se pohybuje ve směru E×B\mathbf{E} \times \mathbf{B} (Poyntingův vektor)

Interakce

Fotoefekt

*fotoelektron detekován vždy, když je látka ozářena světlem o frekvenci ν\nu větší než jistá hraniční frekvence

*závisí jen na frekvenci (ω\omega) a ne na intenzitě -> kvantování fotonů *záření excituje e- a ten při návratu do základního stavu vyzáří záření o dané frekvenci = rtg.fluorescence

*molekuly lze díky fotoefektu zkoumat metodami EXAFS a XANES (více v kinematické teorii difrakce), další metody využívající fotoefekt: XPS (více ve Spektroskopických metodách) Ee−=hν−BEE_{e^-}=h\nu - BE (BE=binding energy of shell X)

Comptonův rozptyl

*=neelastický rozptyl - v kvantové t. vždy neelasticky - rozptyl e- nižší E (větší λ\lambda)

λ(2)−λ(1)=hmc(1−cosΘ)\lambda^{(2)}-\lambda^{(1)}=\frac{h}{mc}(1-cos \Theta)

hmc\frac {h}{mc} se nazývá Comptonova vlnová délka a je cca 0,00234nm

Produkce párů

*vysokoenergetický foton interaguje s jádrem za vzniku páru e- a e+ *pro ZZE a ZZH musí být foton něčím absorbován (jádrem či jiným fotonem), nelze ve volném prostoru

hν=2mc2+T++T−h \nu = 2mc^2 + T_+ + T_-

Fotonukleární reakce

*velmi energetické γ\gamma dopadne na jádro -> jádro do excitovaného stavu -> rozpad s vypuštěním částice (opak jaderné fúze, supernovy)

D+γ=H+n0D+\gamma=H+n^0

-dále lze mluvit i o kinematické teorii difrakce

Státnice%20-%20Fyzika%20NMgr:%20Katedra%20fyziky%20kondenzovaných%20soustav%20a%20materiálů