Квантовая теория излучения. Выше уже говорилось, что классическая теория даёт лишь приближённое описание процессов И. (весь физический мир в принципе является «квантовым»). Однако существуют и такие физические системы, И. которых невозможно даже приближённо описать в согласии с опытом, оставаясь на позициях классической теории. Важная особенность таких квантовых систем, как атом или молекула, заключается в том, что их внутренняя энергия не меняется непрерывно, а может принимать лишь определённые значения, образующие дискретный набор. Переход системы из состояния с одной энергией в состояние с другой энергией (см. Квантовые переходы ) происходит скачкообразно; в силу закона сохранения энергии система при таком переходе должна терять или приобретать определённую «порцию» энергии. Чаще всего этот процесс реализуется в виде испускания (или поглощения) системой кванта И. — фотона . Энергия кванта e_g = ћ w, где ћ — Планка постоянная (ћ = 1,05450×10^-27 эрг ×сек ), w — круговая частота. Фотон всегда выступает как единое целое, испускается и поглощается «целиком», в одном акте, имеет определённую энергию, импульс и спин (проекцию момента количества движения на направление импульса), т. е. обладает рядом корпускулярных свойств. В то же время фотон резко отличается от обычных классических частиц тем, что у него есть и волновые черты. Такая двойственность фотона представляет собой частное проявление корпускулярно-волнового дуализма .

  Последовательной квантовой теорией И. является квантовая электродинамика (см. Квантовая теория поля ). Однако многие результаты, относящиеся к процессам И. квантовых систем, можно получить из более простой полуклассической теории И. Формулы последней, согласно соответствия принципу , при определённом предельном переходе должны давать результаты классической теории. Таким образом, устанавливается глубокая аналогия между величинами, характеризующими процессы И. в квантовой и классической теориях.

  И. атома. Система из ядра и движущегося в его кулоновском поле электрона должна находиться в одном из дискретных состояний (на определённом уровне энергии). При этом все состояния, кроме основного (т. е. имеющего наименьшую энергию), неустойчивы. Атом, находящийся в неустойчивом (возбуждённом) состоянии, даже если он изолирован, переходит в состояние с меньшей энергией. Этот квантовый переход сопровождается испусканием фотона; такое И. называется спонтанным (самопроизвольным). Энергия, уносимая фотоном e_g = ћ w, равна разности энергии начального i и конечного j состояний атома (e_i > e_j , e_g = e_i — e_j ); отсюда вытекает формула Н. Бора для частот И.:

               (6)

  Важно отметить, что такие характеристики спонтанного И., как направление распространения (для совокупности атомов — угловое распределение их спонтанного И.) и поляризация, не зависят от И. других объектов (внешнего электромагнитного поля).

  Формула Бора (6) определяет дискретный набор частот (и следовательно, длин волн) И. атома. Она объясняет, почему спектры И. атомов имеют хорошо известный «линейчатый» характер — каждая линия спектра соответствует одному из квантовых переходов атомов данного вещества.

  Интенсивность И. В квантовой теории, как и в классической, можно рассматривать электрические дипольное и высшие мультипольные И. Если излучатель нерелятивистский, основным является электрическое дипольное И., интенсивность которого определяется формулой, близкой к классической:

             (7)

Величины d_ij , являющиеся квантовым аналогом электрического дипольного момента, оказываются отличными от нуля лишь при определённых соотношениях между квантовыми числами начального i и конечного j состояний (правила отбора для дипольного И.). Квантовые переходы, удовлетворяющие таким правилам отбора, называются разрешенными (фактически имеется в виду разрешенное электрическое дипольное И.). Переходы же высших мультипольностей называются запрещенными. Этот запрет относителен: запрещенные переходы имеют относительно малую вероятность, т. е. отвечающая им интенсивность И. невелика. Те состояния, переходы из которых «запрещены», являются сравнительно устойчивыми (долгоживущими). Они называются метастабильными состояниями .

  Квантовая теория И. позволяет объяснить не только различие в интенсивностях разных линий, но и распределение интенсивности в пределах каждой линии; в частности, ширину спектральных линий .

  Источниками электромагнитного И. могут быть не только атомы, но и более сложные квантовые системы. Общие методы описания И. таких систем те же, что и при рассмотрении атомов, но конкретные особенности И. весьма разнообразны. И. молекул, например, имеет более сложные спектры, чем И. атомов. Для И. атомных ядер типично, что энергия отдельных квантов обычно велика (g-кванты), интенсивность же И. сравнительно низка (см. Гамма-излучение , Ядро атомное ).

  Электромагнитное И. часто возникает и при взаимных превращениях элементарных частиц (аннигиляции электронов и позитронов, распаде нейтрального пи-мезона и т. д.).

  Вынужденное И. Если частота внешнего И., падающего на уже возбуждённый атом, совпадает с одной из частот возможных для этого атома согласно (6) квантовых переходов, то атом испускает квант И., в точности такой же, как и налетевший на него (резонансный) фотон. Это И. называется вынужденным. По своим свойствам оно резко отличается от спонтанного — не только частота, но и направление распространения, и поляризация испущенного фотона оказываются теми же, что у резонансного. Вероятность вынужденного И. (в отличие от спонтанного!) пропорциональна интенсивности внешнего И., т. е. количеству резонансных фотонов. Существование вынужденного И. было постулировано А. Эйнштейном при теоретическом анализе процессов теплового И. тел с позиций квантовой теории и затем было подтверждено экспериментально. В обычных условиях интенсивность вынужденного И. мала по сравнению с интенсивностью спонтанного. Однако она сильно возрастает в веществе, в котором в метастабильном состоянии находится больше атомов, чем в одном из состояний с меньшей энергией (в которое возможен квантовый переход). При попадании в такое вещество резонансного фотона испускаются фотоны, в свою очередь играющие роль резонансных. Число излучаемых фотонов лавинообразно возрастает; результирующее И. состоит из фотонов, совершенно идентичных по своим свойствам, и образует когерентный поток (см. Когерентность ). На этом явлении основано действие квантовых генераторов и квантовых усилителей И.

  Роль теории излучения. Практическое и научно-прикладное значение теории И. огромно. На ней основывается разработка и применение лазеров и мазеров , создание новых источников света, ряд важных достижений в области радиотехники и спектроскопии. Понимание и изучение законов И. важно и в другом отношении: по характеру И. (энергетическому спектру, угловому распределению, поляризации) можно судить о свойствах излучателя. И. — пока фактически единственный и весьма многосторонний источник информации о космических объектах. Например, анализ И., приходящего из космоса, привёл к открытию таких необычных небесных тел, как пульсары . Изучение спектров далёких внегалактических объектов подтвердило теорию расширяющейся Вселенной . Одновременно изучение И. позволяет проникнуть в область явлений микромира. Именно теории И. принадлежит особая роль в формировании всей современной физической картины мира: преодоление трудностей, возникших в электродинамике движущихся сред, привело к созданию относительности теории ; исследования М. Планка , посвященные тепловому излучению , положили начало квантовой теории и квантовой механике . Дальнейшее развитие теории И. должно привести к ещё более глубокому познанию материи.