第16章量子光学PPT讲稿.ppt

《第16章量子光学PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第16章量子光学PPT讲稿.ppt（69页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第16章量子光学第1页，共69页，编辑于2022年，星期日原子物理基础量子物理学基础凝聚态物理基础亚原子物理基础量子光学基础主题目录主题目录第2页，共69页，编辑于2022年，星期日近代物理诞生的前夜1895年仑琴发现X-射线W.K.仑琴(1845-1923)因发现X-射线获1901年首届诺贝尔物理奖。1895年，仑琴正在做阴极射线实验，为了避开光的影响，用黑纸把管子包了起来。他奇怪的发现，在不远的荧光屏上有微弱的光发出来，这决不是阴极射线的作用。以后，对这种未知射线（即X射线）连续地观察了七周，又发现它在磁场中不偏转；而且有强的穿透能力。1895年12月28日宣读了报告“论新的射线”。值的注

2、意的是，当时，阴极射线管已经用了30年，而且也有人发现过此现象，但未引起注意。正如恩格斯所说，他们是“当真理碰到鼻子尖上的时侯，还是没有得到真理的人”。第3页，共69页，编辑于2022年，星期日1896年贝克勒尔发现放射性H.A.贝克勒尔（1852-1908）因发现天然铀元素的放射性获1903年诺贝尔物理奖 在X射线发现不久，贝克勒尔很快想到，如果把荧光物质放在强光下，是否在发射荧光的同时，也发射X射线。于是，他把荧光物质用黑纸包起来，在太阳下暴晒。，发现在底片上有与荧光物质相同的形状感光。过几天后，他想再作实验，但是阴天无太阳出来，于是他随意地把铀化合物和底片一起放在了抽屉里。几天后惊奇发现

3、底片被感光了。后用铀化合物进一步实验，证明铀化合物放出一种人眼看不到的射线。第4页，共69页，编辑于2022年，星期日（1867-1936）（法籍波兰）继贝克勒尔后，1898年居里夫妇相继发现镨，镭及钍的放射性M.S.居里P.居里因发现元素镨，镭及钍的放射性获1903年诺贝尔物理奖第5页，共69页，编辑于2022年，星期日第6页，共69页，编辑于2022年，星期日第7页，共69页，编辑于2022年，星期日第8页，共69页，编辑于2022年，星期日实验室居里夫人与女儿第9页，共69页，编辑于2022年，星期日1897年汤姆逊发现电子J.J.汤姆逊(1856-1940)（英）测出电子的荷质比获19

4、06年诺贝尔物理奖 上述一系列新的物理现象使人们认识到，原子是由更小的粒子组成。原子的内部肯定存在着新的物理规律。揭示了原子的内部存在着更复杂的结构在十九世纪末物理学家面临的新课题。由此，揭开了物理学发展史上的新的一页。第10页，共69页，编辑于2022年，星期日第11页，共69页，编辑于2022年，星期日返回第十五章 量子光学 波动性 是电磁波 。干射，衍射，偏振等特性粒子性 光子。在与物质相互作用时表现出来称为光的波粒二象性。在高中物理中已经提到物理光学中关于光的性质的两种观点：光:本章在已有基础上深化研究：1 1900年，普朗克为解决黑体辐射问题中的矛盾，提出了能量子的概念，但仅局限于振

5、子的辐射过程。它成为物质结构问题的新的理论的起点。2 1905年，爱因斯坦首先突破了普朗克的认识，提出电磁波能量普遍地以能量子的形式存在，即光子或光量子。量子光学成为近代交叉科学的基础，例如，光物理学，光化学等。第12页，共69页，编辑于2022年，星期日 黑体热辐射规律 普朗克的量子假设 光电效应 康普顿效应 光的波粒二象性 内内 容容 提提 要要第13页，共69页，编辑于2022年，星期日第14页，共69页，编辑于2022年，星期日第一节 热辐射一 热辐射 物体在一定的温度下，都要辐射各种波长的电磁波，这种辐射与物体的温度有关，称为热辐射或温度辐射。某物体环境入射吸收反射热辐射 概括起来讲

6、，在一定温度下，任何物体都在不断的与周围环境之间进行能量交换，其本质是电磁能量。达到热平衡时，物体温度不变。第15页，共69页，编辑于2022年，星期日 在一定的温度下，热辐射的波长范围是 热辐射时，辐射的波长范围从零到无限大，形成连续谱。如暖气片的辐射。二 关于热辐射的几个概念辐射体热辐射 1 单色辐出度辐射体的局部表面连续谱 设 为从辐射物体表面上单位面积上,单位时间所发射的波长在 和 范围内的辐射能量。则在波长 附近，单位波长内辐射能量第16页，共69页，编辑于2022年，星期日在一定温度下，物体的总辐出度为仅与物体的绝对温度有关。2 总辐出度 理解为在温度 时，单位时间内，从单位面积上

7、，波长为 的辐射能。是绝对温度和波长的函数。与物体的温度和波长都有关。单位为3 吸收比或吸收系数，反射比或反射系数吸收比或吸收系数反射比或反射系数二者的总和为一，即第17页，共69页，编辑于2022年，星期日绝对黑体模型：一定温度的空腔。吸收辐射三 黑体辐射绝对黑体 特点：能吸收一切波长的入射电磁波的物体。即吸收系数反射系数 十九世纪末，物理学家从实验和理论两个方面对热辐射进行了研究。尤其是对绝对黑体的热辐射规律的研究。第18页，共69页，编辑于2022年，星期日四 基尔霍夫定律空腔（由绝热材料组成）绝对黑体达到热平衡时，单色辐出度与单色吸收系数有或关键寻找绝对黑体的单色辐出度第19页，共69

8、页，编辑于2022年，星期日吉尔霍夫对热辐射的研究有特殊贡献。第20页，共69页，编辑于2022年，星期日 1 斯忒藩 玻耳兹曼定律 五 根据实验结果，得出了黑体热辐射的普遍定律.T实验装置示意图简单解释实验测量点其中常数 总辐射本领为与绝对温度的四次方正比。面积大小为值面积第21页，共69页，编辑于2022年，星期日2 维恩位移定律式中常数实验结果随温度的升高，单色辐射本领最大的波长向短波方向移动。第22页，共69页，编辑于2022年，星期日 W.维恩（德）1864-1928发现热辐射定律获1911年诺贝尔奖。第23页，共69页，编辑于2022年，星期日3 研究黑体热辐射时出现的矛盾及所遇到

9、的困难R-J curve瑞利-金斯曲线W-curve维恩曲线实验曲线经典理论与实验结果的矛盾与碰撞，引起人们的深思。根据严格的电磁理论，热力统计物理计算得出的理论曲线维恩公式瑞-金公式第24页，共69页，编辑于2022年，星期日六 普朗克的量子假设 普朗克公式 1900年，德国物理学家普郎克为了解决绝对黑体辐射问题中的矛盾。独辟蹊径，提出了与经典理论决然不同的理论和观点：普朗克假设：辐射物质中具有带电的线性谐振子（如分子，原子的振动），谐振子的能量只能是其中 为谐振子的频率。是一个普适衡量(常数)，称为普朗克衡量(常数).称 为能量子;谐振子只能处以一些特殊的能态。它们和周围的电磁场交换能量,

10、吸收和辐射的能量为能量子的整数倍，其中或第25页，共69页，编辑于2022年，星期日0核心：能量量子化能量量子化Step Energy类比第26页，共69页，编辑于2022年，星期日普朗克公式 在一定温度下，从物体单位表面积上，单位时间内，分布在波长附近单位波长间隔内辐射能为实验结果普朗克理论普朗克理论与实验结果的比较第27页，共69页，编辑于2022年，星期日提出能量量子化的假设，解释了电磁辐射的实验规律获得1918年诺贝尔奖。普朗克（德）18581947第28页，共69页，编辑于2022年，星期日第29页，共69页，编辑于2022年，星期日第30页，共69页，编辑于2022年，星期日普朗克

11、与爱因斯坦第31页，共69页，编辑于2022年，星期日例 151 一谐振子 求 1 能量 ，频率 2 能量子 ，能量对应的量子数3 振子发射一个能量子，能量的相对变化率？解12最大量子数3 可见，这样一个谐振子按量子论处理时，相邻能级间隔在宏观看来是无穷小量，故能量的变化是连续的，量子效应不明显。第32页，共69页，编辑于2022年，星期日第二节 光电效应(Photoelectric Effect)一 光电效应 1889年，哈尔瓦克斯发现。光照射在金属板上时，从金属上释放电子的现象,称为光电效应。第33页，共69页，编辑于2022年，星期日电子金属表面附近photoelectron光电子第34

12、页，共69页，编辑于2022年，星期日 结论：单位时间内释放的光电子数与光强成正比。光强不影响遏止电压，或电子的最大初动能。1 光电流与入射光强的关系二 光电效应的实验规律实验装置如右图（简单解释）入射光入射光光电管光电管实验曲线（伏-安特性曲线）饱合电流。遏止电压或电势差。光强小解释 由功能关系可知，电子的最大初动能与遏止电压的关系为光强大频率不变电子第35页，共69页，编辑于2022年，星期日2 光电子的初动能与入射光的频率的关系以金属铯做实验，实验结果曲线为由因故结论：光电子的初动能与入射光的频率成正比。是实现光电效应的最小频率，称为红限。不同材料的实验结果也表明，光电子的初动能与入射光

13、的频率成正比。但材料不同，红限亦不同。第36页，共69页，编辑于2022年，星期日3 光电效应和时间的关系瞬时性第37页，共69页，编辑于2022年，星期日 三 光的波动说遇到的困难及缺陷 根据光的电磁理论，当光照射金属时，光波的电场作用于电子，给电子以能量，使电子从低能量的束缚态跳过势垒，释放出来。应当是：1 光强越强释放出的电子的动能越大；而与电子的频率无关。2 由于电子的截面很小，电子吸受电磁波的能量很慢，须经光照射一段时间后，吸受了足够的能量，方可释放。而实验事实是：同一种频率，不同的光强的光的光电子的动能相同；光电子的初动能与入射光的频率成正比。光电效应是瞬时的；有阈值。3 不可能有

14、阈值。因而，光的电磁理论无法解释实验事实。第38页，共69页，编辑于2022年，星期日四 光子 爱因斯坦方程2 光子观点1 波的观点，波图像，如单色波能量动量质量光子静止质量为零，电量为零。是弥散在空间的物质 1905年，Einstein 把普朗克的能量子观点扩展到辐射场,建立了辐射场的量子化的观点。各种频率的电磁波都是一以能量为 的光“粒子，光子的体系。光子第39页，共69页，编辑于2022年，星期日金属表面附近金属内的电子光子光电子光子逸出功初动能用光子观点解释光电效应演示 一个电子吸收一个光子，据能量守恒律，有 称为爱因斯坦方程。爱因斯坦方程成功的解释了光电子的动能与光的频率的线性关系；

15、入射光的光强增加，光子数增加，光电子数增加，光电流增加；电子吸收一个光子瞬时完成。解释了全部实验事实。第40页，共69页，编辑于2022年，星期日求解光电效应题目公式：而红限为第41页，共69页，编辑于2022年，星期日He was awarded the 1921 Nobel Prize for the discovery of the law the photoelectric effect and contributions to mathematical physics.Albert Einstein(German)1905年，时年26岁的Albert Einstein在德国的“物理学

16、杂志”发表了三篇文章：1“论运动物体的电动力学”提出了狭义相对论。2“关于光的发生和转变的一个新观点”。提出光子，解释了光电效应。3“从热的分子运动论看静止液体中悬浮颗粒的运动”。当时有人认为，每一遍文章都够的上诺贝尔奖。第42页，共69页，编辑于2022年，星期日 例 152 用波长 为的紫光照射金属表面，产生的光电子的最大速度为 ，求红限频率。解：例 153 一实验用的光电管阴极是铜做的，逸出功为 用波长为 的光照射阴极，若使其不产生光电流，则加得遏止电压多大?解：第43页，共69页，编辑于2022年，星期日一 伦琴射线的散射实验 1923年，康普顿研究了伦琴射线经金属，石墨等物质散射后的

17、光谱成分。第 三 节 康 普 顿 效 应(Compton Effect)实验装置如下射线源石墨射线射线射线射线散射光射线射线射线射线散射角第44页，共69页，编辑于2022年，星期日 2 实验结果表明，经验公式Ao0241.0=L与入射光波的波长及散射物质无关。在不同散射角方向上进行测量，实验结果如下：1 沿不同散射角方向测量发现，既有与入射光相同的波长的光，也有大于入射光波长的散射光，前者可用波动观点解释（电子在入射光的作用下，发生受迫振动，而向各个方向发出的子波引起的受迫振动的频率与散射光的频率都应和入射光的频率相同），而后者不能，且随散射角不同而不同。强度二 经典电磁理论在解释上述事实时

18、所遇到的困难（略）。第45页，共69页，编辑于2022年，星期日 而固体中的被束缚的电子离开固体表面仅须几个电子伏特（即前面提到的逸出功），相比之下,X射线的光子与电子作用时，可将原子中的电子所受的此束缚能略去，视为自由电子，并看做是光子与自由电子的碰撞。另外，原子中的电子因热运动而具有的能量远小于 射线的光子的能量，所以可忽略电子的动能。三 用光子观点解释康普顿效应 康普顿假设：接受了爱因斯坦的光量子观点，假设进入散射体的 射线不是波而是能量为 的一束光子流。射线波长短，约 0.1埃左右，因而光子能量大，约 数量级。把光子与电子的碰撞视光子与静止的电子完全弹性碰撞。此外，碰撞后的电子即反冲电

19、子速度可能很大，因而，要用相对论力学来讨论这一物理过程。第46页，共69页，编辑于2022年，星期日电子（静止）光子散射光子电子光子电子作用前作用后光子与电子作用中，遵守两个守恒定律：动量守恒律和能量守恒律。演示第47页，共69页，编辑于2022年，星期日1 能量守恒定律2 动量守恒定律矢量图入射光子的动量散射光子的动量分量式联立得把能量守恒式平方再减去上式，得第48页，共69页，编辑于2022年，星期日 与实验相符。结论，康普顿效应确是光子与电子的作用。又因整理后得而 同样，可用光子观点解释散射光中为何还有波长不变的光。当光子与哪些与原子联系不太紧密的电子作用时，电子是“自由的”，如上讨论，

20、光子与原子中的电子交换能量。当光子与哪些与原子联系紧密的电子作用时，电子是“非自由的”，光子与整个原子碰撞交换能量，而原子质量远远大于光子，按碰撞理论，光子能量乎不变。原子光子第49页，共69页，编辑于2022年，星期日A.H.Compton18921962He was awarded the 1927 Nobel Prize for the discovery of the effect named after him康普顿第50页，共69页，编辑于2022年，星期日第51页，共69页，编辑于2022年，星期日第52页，共69页，编辑于2022年，星期日点评可见光的光子能量几个 与固体对电子

21、的束缚能（几个电子伏特）同级。因此，光子把全部的能量给电子，才回使电子逸出固体的表面，被“击出”电子能量小，速度低，可用经典力学的动能来表示。另外，电子在固体内的热运动能约为在光子与电子作用时，热运动能可不计。因而，可见光主要是光电效应，而不是康普顿效应。第55页，共69页，编辑于2022年，星期日 例 155 一个波长为 的光子与电子碰撞，碰撞后光子以与入射光方向成 角反射回来，求碰撞后光子的波长和反冲电子的动能?解：第56页，共69页，编辑于2022年，星期日 例 156 在康普顿效应中入射地伦琴射线的波长为 ，散射射线与入射的射线垂直，求,1 反冲电子的动能，2 反冲电子的方向。动量守恒

22、图解：(1)(2)第57页，共69页，编辑于2022年，星期日 四 光电效应和康普顿效应 光电效应和康普顿效应有力的支持了爱因斯坦的光子观点。是光子与物质的作用。由式 可以看出，由于 与入射光波长无关，对波长较短的波，大，康普顿效应明显；而对波长长的光；因 小，而不明显。如对X光，波长约 ，对可见光，波长在 ，而 最大为不足 ，相对变化 ，很小，故在康普顿效应中，不用可见光。第58页，共69页，编辑于2022年，星期日五 光化学光化反应和分子的光解离光电离臭氧（ozone）层破坏,臭氧与紫外光的作用,吸收紫外光第59页，共69页，编辑于2022年，星期日俘获过程其它过程第60页，共69页，编辑

23、于2022年，星期日第四节 光的波粒二象性 光的波动说建立以来，光在传播过程中的波动性已为大量实验事实所证明，在发现光的粒子性之后，这些实事并未并推翻。在干涉，衍射等实验中，光的行为仍然可以确认为电磁波。这些行为是不能按照具有确定轨道的粒子的性质去理解的。光在不同条件下分别表现出粒子性和波的行为，而这种情况，是经典物理学所不能包容的。然而，光的波粒二象性可以用新的观点把二者统一起来。第61页，共69页，编辑于2022年，星期日046波振幅最大处幕单色波光的波动观点狭缝 1 波动观点释光强意义：，光强 在幕上的分布与波的振幅的平方幕上的空间分布成正比。光子 2 粒子（光子）观点释光强意义：光强

24、的幕上分布与光子在幕上的密度 分布（出现多少）成正比 。光子密度最大处光的量子观点 3 单个光子独自运动时到达各处的概率正好形成干涉条纹的图样，或者说，光子积累的效果就形成干涉条纹的图样，这表明，第62页，共69页，编辑于2022年，星期日 4 统一两种观点：光子在某一点附近一定体积内出现的几率 大小与光波振幅的平方 成正比。光波是概率波。5 电磁波不是经典意义下的波，而是一种具有统计意义的波。光的波动性是大量光子的统计平均行为。每个光子也有波动性质。引出并解释：一个光子在某处出现的概率与该处的光强成正比。第63页，共69页，编辑于2022年，星期日1 光子是一种基本粒子自旋量为粒子反粒子3

25、正负电子对湮没产生一对光子2 光子是场粒子 量子论把电磁波看作光子，通过电磁作用，带电粒子辐射吸收电磁波，也就是放出和吸收光子。光子光子正电子负电子+第64页，共69页，编辑于2022年，星期日 4 当一个高能量的光子经过原子核电场时，光子会自动湮没，转化为一个电子和一个正电子，即一个电子对。原子核光子光子电子对产生第65页，共69页，编辑于2022年，星期日5 光子与物质的相互作用电子能 级虚 能 级 多光子过程近代理论与实验证明，当光强大于 时,多光子吸收过程发生。此时原子或分子吸收几个相同能量的光子，跃迁到高能态，以至被电离，或释放电子。光电子 传统的光电效应的解释是一个电子只吸收一个光子，而且有阈值。而按多光子吸收和电离看，强光作用下，光电效应无阈值。对光电效应的新认识：演示第66页，共69页，编辑于2022年，星期日墙角数枝梅，凌寒独自开。遥知不是雪，为有暗香来。王安石下一章返回第67页，共69页，编辑于2022年，星期日下一章返回墙角数枝梅，凌寒独自开。遥知不是雪，为有暗香来。王安石第68页，共69页，编辑于2022年，星期日夜坐万卷堆中种眼花，睡魔亦厌夜深茶。平生不草，岂有黄金送酒家。（唐）鲍慎由第69页，共69页，编辑于2022年，星期日