量子光学基础课件.pptx
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1、21-1 引引 言言 十九世纪末,十九世纪末,经典物理经典物理已发展得相当成熟,人们认已发展得相当成熟,人们认为,对物理现象本质的认识已经完成。为,对物理现象本质的认识已经完成。海王星的发现海王星的发现和和电磁理论对波动光学的成功解释,电磁理论对波动光学的成功解释,更使人感到经典更使人感到经典物理似乎可以解决所有问题物理似乎可以解决所有问题.。当时很多物理学家都认。当时很多物理学家都认为为:物理学的大厦已基本建成,后辈物理学家只要做:物理学的大厦已基本建成,后辈物理学家只要做些修补工作就行了。些修补工作就行了。然而在人类即将跨入然而在人类即将跨入20世纪的时候,却发现了某些无世纪的时候,却发现
2、了某些无法用经典理论解释的实验现象法用经典理论解释的实验现象:MM实验实验“零结果零结果”热辐射热辐射“紫外灾难紫外灾难”。1900年年,Kelvin在在新新千千年年的的祝祝词词中中把把此此称称为为是是晴晴朗朗的的物物理理学学天天空空中中出出现现的的“两两朵朵乌乌云云”。这这些些矛矛盾盾迫迫使使人人们们跳出传统的物理学框架,去寻找新的解决途径。跳出传统的物理学框架,去寻找新的解决途径。人类跨入人类跨入20世纪的时候,物理学也开始了新的纪世纪的时候,物理学也开始了新的纪元元从经典物理走向了近代物理。从经典物理走向了近代物理。量子概念是量子概念是 1900 1900 年普朗克首先提出的,距今已年普
3、朗克首先提出的,距今已有一百多年的历史有一百多年的历史.其间,经过爱因斯坦、玻尔、德其间,经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力,到大师的创新努力,到 20 20 世纪世纪 30 30 年代,就建立了一年代,就建立了一套完整的量子力学理论套完整的量子力学理论.黑体辐射实验黑体辐射实验量子理论诞生量子理论诞生迈克尔逊干涉仪实验迈克尔逊干涉仪实验相对论诞生相对论诞生-热能传递的重要方式之一。热能传递的重要方式之一。一、一、热辐射热辐射 一个具有一定温度的物体,受热就会发光,热量一个具有一定温度的物体,受热就会
4、发光,热量(或热能)会向四面八方发射(或热能)会向四面八方发射-辐射。温度越高辐辐射。温度越高辐射能量越多,称为射能量越多,称为热辐射。热辐射。1.热辐射的特点热辐射的特点热辐射的实质是电磁辐射热辐射的实质是电磁辐射温度不同时温度不同时,辐射的波长(或频率)也不同。辐射的波长(或频率)也不同。任何一种物质不仅能发射热辐射,同时还能吸收热任何一种物质不仅能发射热辐射,同时还能吸收热 辐射,两者同时进行。辐射,两者同时进行。吸收本领强的物质发射本领也强。吸收本领强的物质发射本领也强。21-2.普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说 低温物体发出的是低温物体发出的是红外光,红外光,炽热物体发出炽热物体
5、发出的是的是可见光,可见光,极高温物体发出的是极高温物体发出的是紫外光。紫外光。红外照相机拍摄的人的头部的红外照相机拍摄的人的头部的热图热图 热的地方显白色,冷的地方显黑色热的地方显白色,冷的地方显黑色维恩设计的黑体维恩设计的黑体 2.黑体:黑体:能能完全完全吸收吸收各种波长电磁波各种波长电磁波而无反射的物体,而无反射的物体,黑体是理想化模型,黑体是理想化模型,小孔空腔小孔空腔即使是煤黑、黑珐琅对太阳光的即使是煤黑、黑珐琅对太阳光的吸收吸收 也小于也小于 99%。电磁波射入小孔后,很难再从电磁波射入小孔后,很难再从小孔中射出。小孔中射出。单位时间内,从物体单位表面发出的频率单位时间内,从物体单
6、位表面发出的频率在在 附近单位频率间隔内附近单位频率间隔内的电磁波的能量。的电磁波的能量。单色辐出度单色辐出度 M :辐出度辐出度 温度温度 T 时单位时间内、单位面时单位时间内、单位面积整个频率范围内的辐射出能量。积整个频率范围内的辐射出能量。3.热辐射的描述方法热辐射的描述方法描写物体辐射本领的物理量。描写物体辐射本领的物理量。二二.黑体辐射谱(黑体辐射谱(M 关系)关系)的规律的规律 1.黑体辐射测量的实验装置黑体辐射测量的实验装置 会聚透镜会聚透镜黑体黑体平行光管平行光管棱镜棱镜热电偶热电偶测测M (T)2.黑体辐射谱的实验规律黑体辐射谱的实验规律0 4 810 5 6000K6000
7、K3000K3000K不同温度下的黑体辐不同温度下的黑体辐曲线如图曲线如图 19世纪末,许多物理世纪末,许多物理学家欲从理论上导出学家欲从理论上导出 黑黑体的单色辐射出度体的单色辐射出度 M 和和的关系式。的关系式。三三.经典物理学遇到的困难经典物理学遇到的困难 著名公式之一:著名公式之一:维恩公式维恩公式1896年年维恩维恩从热力学理论及实验数从热力学理论及实验数据的分析得据的分析得:,为常量为常量19111911年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖获得者学奖获得者维恩维恩德国人德国人1864-19281864-1928热辐射定律的发现热辐射定律的发现维恩公式在高频段与实维恩公式在高频段与实验曲线符
8、合得很好,验曲线符合得很好,但在但在低频段明显偏离低频段明显偏离实验曲线。实验曲线。维恩公式维恩公式实验曲线实验曲线10-14Hz6543210M(10-9W/(m2.HZ)1 2 3 著名公式之二:著名公式之二:瑞利瑞利 金斯公式金斯公式 1900年年瑞利瑞利和和金斯金斯从经典电动力学和从经典电动力学和统计物理学理论(能量均分)推导得统计物理学理论(能量均分)推导得:19041904年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖获得者学奖获得者 瑞利瑞利英国人英国人1842-19191842-1919实验曲线实验曲线10-14Hz6543210M(10-9W/(m2.HZ)1 2 3 瑞利瑞利-金斯公式金斯公
9、式“紫外灾难紫外灾难”!该公式在低频段与实该公式在低频段与实验曲线符合得很好。验曲线符合得很好。但在但在高频段不符。高频段不符。10-14Hz6543210M(10-9W/(m2.HZ)T=2000K实验曲线和普朗克公式实验曲线和普朗克公式维恩公式维恩公式瑞利瑞利金斯公式金斯公式 1 2 3 由经典理论导出的由经典理论导出的 M (T)公式都与实验曲线不公式都与实验曲线不完全符合!完全符合!这正所谓是这正所谓是“物理学晴朗天空中的一朵乌云物理学晴朗天空中的一朵乌云!”1900 1900年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相一致的公式,一致的公式,摒弃了
10、经典物理能量连续概念,摒弃了经典物理能量连续概念,提出了提出了一个与经典物理学概念截然不同的一个与经典物理学概念截然不同的“能量子能量子”假设假设.四四.普朗克的量子论的诞生普朗克的量子论的诞生普朗克公式普朗克公式该公式在全波段与实验结果惊人地符合!该公式在全波段与实验结果惊人地符合!他指出他指出:辐射物质中存在着带电谐振子,这些谐振辐射物质中存在着带电谐振子,这些谐振子吸收或辐射的能量是子吸收或辐射的能量是间断的不连续间断的不连续的,辐射的,辐射“能量子能量子”的能量的能量普朗克由此导出了的辐射公式普朗克由此导出了的辐射公式 普朗克公式的得出,是理论和实验结合的典范。普朗克公式的得出,是理论
11、和实验结合的典范。量子论是不附属于经典物理的量子论是不附属于经典物理的全新的理论,全新的理论,它的发展它的发展在此后又经过了十几年的曲折和反复。在此后又经过了十几年的曲折和反复。1918年年Planck 60岁时获得了岁时获得了诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。1900.12.14.Planck把把“关于正常谱中能量分布的理关于正常谱中能量分布的理论论”的论交到了德国自然科学会,这一天后来被定为的论交到了德国自然科学会,这一天后来被定为“量子论的诞生日量子论的诞生日”。普朗克普朗克德国人德国人(1858-1947)发现能量子发现能量子一一 光电效应实验的规律光电效应实验的规律1.实验装置实验装置2.
12、实验规律实验规律红限频率(截止)红限频率(截止)几种几种纯金属的纯金属的截止截止频率频率 仅当仅当 0 时时才发生光电效应,截止频率与才发生光电效应,截止频率与材料有材料有关关与与光强无关光强无关 .金属金属截止频率截止频率4.5455.508.065 11.53铯铯 钠钠 锌锌 铱铱 铂铂 19.29光电子在电场作用下形成光电子在电场作用下形成光电流光电流。光电效应:光电效应:光照射某些金属时,光照射某些金属时,能从表面释放出电子的效应。能从表面释放出电子的效应。产生的电子称为产生的电子称为“光电子光电子”。21-3 爱因斯坦的光量子假说爱因斯坦的光量子假说-光电效应光电效应AV遏止电压遏止
13、电压U0:加反向电压,当电压加反向电压,当电压达到某一值达到某一值 U0 时,光电流恰为时,光电流恰为 0。U0叫遏止电压叫遏止电压 瞬时性瞬时性 遏止电压与入射光频率具有线性遏止电压与入射光频率具有线性关系关系.与光强无关。与光强无关。当光照射到金属表面上时,几乎立即就有光电子逸出当光照射到金属表面上时,几乎立即就有光电子逸出光强度大光强度大光强度小光强度小光电流与光强的关系光电流与光强的关系 不变不变 一定时,电流饱和值一定时,电流饱和值 与与入射光的强度成正比入射光的强度成正比光电子的最大初动能随入射光频率光电子的最大初动能随入射光频率的增加而线性增大,的增加而线性增大,与光强无关。与光
14、强无关。按经典理论,电子逸出金属所需的能量,需要有按经典理论,电子逸出金属所需的能量,需要有一定的时间来积累,一直积累到足以使电子逸出金属一定的时间来积累,一直积累到足以使电子逸出金属表面为止表面为止.与实验结果不符与实验结果不符 .3.3.经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 红限问题红限问题 瞬时性问题瞬时性问题 按经典理论按经典理论,无论何种频率的入射光无论何种频率的入射光,只要其强度只要其强度足够大,就能使电子具有足够的能量逸出金属足够大,就能使电子具有足够的能量逸出金属 .与实与实验结果不符验结果不符.光电子初动能光电子初动能只与光频率只与光频率 成正比,而与入射光强成正比,而与入射
15、光强无关无关无法解释无法解释。二、二、爱因斯坦的光量子理论爱因斯坦的光量子理论每个光子能量每个光子能量 当普朗克还在寻找他的能量子的经典理论的根源当普朗克还在寻找他的能量子的经典理论的根源时,爱因斯坦却大大发展了能量子的概念。时,爱因斯坦却大大发展了能量子的概念。1.爱因斯坦光量子假设(爱因斯坦光量子假设(1905):):一束光就是以速率一束光就是以速率 c 运动的粒子运动的粒子组成的粒子组成的粒子流,这流,这些粒子叫些粒子叫光量子光量子(简称(简称光子光子)。光强光强N:光子数:光子数(流通流通)量量2.2.爱因斯坦爱因斯坦光电效应方程光电效应方程 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量,
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