第十八章 量子光学基础.pptx

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1、第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系教学基本要求教学基本要求 一一 掌握掌握热辐射的两条实验定律：斯特藩热辐射的两条实验定律：斯特藩玻耳兹玻耳兹曼定律和维恩位移定律，以及经典物理理论在说明热辐曼定律和维恩位移定律，以及经典物理理论在说明热辐射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难.理解普朗克理解普朗克量子假设量子假设.二二 掌握掌握经典物理理论在说明光电效应的实验规律经典物理理论在说明光电效应的实验规律时所遇到的困难时所遇到的困难.理解爱因斯坦光子假设，掌握爱因斯理解爱因斯坦光子假设，掌握爱因

2、斯坦方程坦方程.三三 理解理解康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的光子理论对这个效应的解释光子理论对这个效应的解释.理解光的波粒二象性理解光的波粒二象性.第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 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

3、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.量子力学量子力学宏观领域宏观领域经典力学经典力学现代物理的理论基础现代物理的理论基础量子力学量子力学相相 对对 论论量子力学量子力学微观世界的理论微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识起源于对波粒二相性的认识第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系一、何谓热辐射一、何谓热辐射 物体在任一温度下都要发射各种波长的电磁波。物体在任一温度下都要发射各种波长的电磁波。18-1 18-1 热辐射热辐射 基尔霍夫定律基尔霍

4、夫定律第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系热辐射：物体在不同温度下发出的各种电磁波的热辐射：物体在不同温度下发出的各种电磁波的能量按波长的分布随温度而不同的电磁辐射能量按波长的分布随温度而不同的电磁辐射火火炉炉600度度1000度度400度度因辐射与温度有关，故称热辐射因辐射与温度有关，故称热辐射第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系1）热辐射过程的实质是）热辐射过程的实质是 物质以电磁波的形式向外辐物质以电磁波的形式向外辐射电磁波的过程。其辐射的能量称之为

5、辐射能。射电磁波的过程。其辐射的能量称之为辐射能。2）热辐射有平衡热辐射与非平衡热辐射：）热辐射有平衡热辐射与非平衡热辐射：当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的温度来描述，这种时，这时物体的状态可用一确定的温度来描述，这种热辐射称为平衡热辐射。反之称为非平衡热辐射称为平衡热辐射。反之称为非平衡 热辐射。热辐射。注意：注意：第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系二、单色辐射出射度、辐射出射度、单色吸收率、单色反射率二、单色辐射出射度、辐射出射度

6、、单色吸收率、单色反射率 实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（T）、辐射）、辐射的波长、时间的长短、发射的面积的波长、时间的长短、发射的面积1）单色辐射出射度（单色辐出度，单色发射本领）单色辐射出射度（单色辐出度，单色发射本领）单位时间内，温度为单位时间内，温度为T的物体的单位面积上发射波长在的物体的单位面积上发射波长在 +d 范围内的辐射能范围内的辐射能dW（T）与波长间隔）与波长间隔d 比值，用比值，用e(,)表示。表示。光源光源S=1显然，它是波长和温度的函数显然，它是波长和温度的函数第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理

7、理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系0 2 4 6 8 10 12钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线21210468太阳太阳可见可见光区光区 钨丝钨丝（58005800K K）太阳太阳（58005800K K）钨丝钨丝第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系2）辐射度（辐射出射度，总发射本领）辐射度（辐射出射度，总发射本领）单位时间内从物体单位面积上所辐射的各种波长的总的辐射单位时间内从物体单位面积上所辐射的各种波长的总的辐射能，用能，用M（T）表示。）表示。显然，它是温度的函数显然，它是温度的函

8、数光源光源S=1第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系实验表明实验表明:吸收与反射的能量与物体温吸收与反射的能量与物体温度有关、与辐射能的波长范围有关度有关、与辐射能的波长范围有关.3)3)单色吸收比、单色反射比单色吸收比、单色反射比不透明介质不透明介质A吸吸吸收吸收I入入射射入入射射R反反反反定义：定义：一束波长为一束波长为+d，强度为，强度为I 的的电磁辐射入射到温度为电磁辐射入射到温度为T的物体上时，的物体上时，若反射光的强度为若反射光的强度为R（T），吸收光的，吸收光的强度为强度为A（T），则定义：，则定义：单色吸收比

9、：单色吸收比：单色反射比：单色反射比：第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系单色单色吸收比：吸收比：单色单色反射比：反射比：显然，对不透明的物体：显然，对不透明的物体：同除同除I：？实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 三、黑体三、黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体电磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）

10、（黑体是理想模型）第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系注意：注意：1）黑体是对入射的辐射能全部吸收（不）黑体是对入射的辐射能全部吸收（不 管什么波长）管什么波长）的物体，也不反射。因此当其自身的热辐射很弱时，看上去是的物体，也不反射。因此当其自身的热辐射很弱时，看上去是黑洞洞的。黑洞洞的。2）黑体是理想化的模型，实际中的物体的吸收率）黑体是理想化的模型，实际中的物体的吸收率总是小于总是小于1。抛光的铜镜表面：抛光的铜镜表面：一般金属表面：一般金属表面：煤烟：煤烟：第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工

11、工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系3）一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成）一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成 理想的黑体。理想的黑体。如远处不点灯如远处不点灯的建筑物的建筑物若室内点灯若室内点灯（自身辐射不很弱）（自身辐射不很弱）第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系绝热恒温体绝热恒温体四四.基尔霍夫定律基尔霍夫定律（Kirchhoffs Law）T=C一个实验一个实验M1M2B真空真空 N个不同物体和一黑体置于个不同物体和一黑体置于一绝热恒温体内，经过热辐射交一绝热恒温体内，经过热辐射交换能量，达到热平

12、衡态换能量，达到热平衡态,物体与物体与容器具有相同温度且保持不变容器具有相同温度且保持不变。材质的辐出度不同，即每个材质的辐出度不同，即每个物体单位时间、单位面积辐射物体单位时间、单位面积辐射的能量不同的能量不同。要维持温度不变，物体吸收要维持温度不变，物体吸收的辐射能须等于辐射出的能量的辐射能须等于辐射出的能量.故要维持平衡热辐射，只有辐射能量故要维持平衡热辐射，只有辐射能量较多的物体吸收能量也多，反之亦然较多的物体吸收能量也多，反之亦然。第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系基尔霍夫定律基尔霍夫定律:同样的温度下，不同物体

13、对相同波长的同样的温度下，不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收率之比值都相等，等于该温度下单色辐出度与单色吸收率之比值都相等，等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度黑体对同一波长的单色辐出度。为黑体的单色辐出度为黑体的单色辐出度为黑体的单色吸收率为黑体的单色吸收率其中其中：物理意义物理意义:热平衡时热平衡时,强吸收体必然是强辐射体强吸收体必然是强辐射体.(.(好的好的吸收体也是好的辐射体。吸收体也是好的辐射体。)第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系推论推论I:(:(某某)物体若不能发射某波长的辐射物体若不能发射某波长的辐

14、射,那么它也不那么它也不能吸收这一波长的辐射能吸收这一波长的辐射,反之亦然反之亦然.推论推论II:相同温度相同温度,黑体吸收本领最大黑体吸收本领最大,其发射本领也最大其发射本领也最大研究热辐射的中心问题是研究黑体的辐射问题研究热辐射的中心问题是研究黑体的辐射问题第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 会聚透镜会聚透镜空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱镜棱镜热电偶热电偶测量黑体辐射出射度实验装置测量黑体辐射出射度实验装置18-2 18-2 绝对黑体的辐射定律绝对黑体的辐射定律第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京

15、理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系黑体辐射定律黑体辐射定律1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600KA)斯忒蕃斯忒蕃-玻尔兹曼定律：玻尔兹曼定律：黑体辐射出射度与绝对温黑体辐射出射度与绝对温度有如下关系：度有如下关系：斯忒蕃斯忒蕃-玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数含义：它说明对于黑体，温度越高，辐出度含义：它说明对于黑体，温度越高，辐出度M0B(T)越越大且随大且随T增高而迅速增大。增高而迅速增大。(1879年年斯特藩由实验数据分析得斯特藩由实验数据分析得出出,1884年玻耳兹曼年玻耳兹曼由热力学得出由热力学得出)第十八章第

16、十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系B)维恩位移定律：黑体维恩位移定律：黑体 温度增高时，其单色温度增高时，其单色 辐出度的峰值波长向辐出度的峰值波长向 短波方向传播，且有短波方向传播，且有 如下关系：如下关系：峰值波长峰值波长T：绝对温度：绝对温度火火炉炉1000度度2000度度800度度炉火纯青炉火纯青1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系1）以上两规律只适用于黑

17、体，对非黑体只近似）以上两规律只适用于黑体，对非黑体只近似成立。成立。2）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用-高高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。注意：注意：第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 例例1 1（1 1）温度为室温温度为室温 的黑体，其单色辐的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？出度的峰值所对应的波长是多少？（2 2）若使一黑体若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为

18、多少？其温度应为多少？（3 3）以上两辐出度之比为多少？以上两辐出度之比为多少？解解（2 2）取取（1 1）由维恩位移定律由维恩位移定律（3 3）由由斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 例例2 2 太阳的单色辐出度的峰值波长太阳的单色辐出度的峰值波长 ，试由此估算太阳表面的温度试由此估算太阳表面的温度.解解由维恩位移定律由维恩位移定律 对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测这种方法进行推测第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京

19、京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系18.3 普朗克公式普朗克公式 一、经典理论的困难一、经典理论的困难：人们企图用经典理论解释黑人们企图用经典理论解释黑体辐射的实验曲线，却得到两个与曲线不符的式子体辐射的实验曲线，却得到两个与曲线不符的式子：1 1）维恩公式维恩公式（Wiens formula）1896年德国维恩年德国维恩（Wien）从热力学理论出发，将黑从热力学理论出发，将黑体谐振子能量按频率分布类同于体谐振子能量按频率分布类同于Maxwell速度分布，速度分布，由经典理论导出：由经典理论导出：c1、c2用实验确用实验确定。定。此公式在长波此公式在长波方面与实验数方面与

20、实验数据不符据不符。1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系2 2）瑞利瑞利金斯公式金斯公式（Rayleigh-jeans formula）1900年瑞利年瑞利-金斯利用经典电动力学和统计力学金斯利用经典电动力学和统计力学（把腔内的电磁场看作是具有一定数目本征振动的把腔内的电磁场看作是具有一定数目本征振动的驻波场驻波场,然后据能均分定理然后据能均分定理)可得可得一公式一公式：c3为常数为常数 此公式在短波此公式在短波区域与实验不符，区域与实验不符，趋于无穷趋于无穷!理

21、论理论上却找不出错误上却找不出错误-“紫外灾难紫外灾难”,像乌云遮住了像乌云遮住了物理学睛朗的天物理学睛朗的天空空。热辐射热辐射实实 验验1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系维恩公式维恩公式（c1和c2为经验参数）瑞利瑞利-金斯公式金斯公式瑞利瑞利-金斯线金斯线“紫外灾难紫外灾难”4012356789维恩线维恩线18-3 18-3 普朗克公式普朗克公式经经典典物物理理的的困困难难第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用

22、用 物物 理理 系系 当时的理论把腔壁中的原子当时的理论把腔壁中的原子分子看成可吸收或辐射电磁波分子看成可吸收或辐射电磁波的谐振子，可按任一大小的分的谐振子，可按任一大小的分额交换能量额交换能量，普朗克，普朗克放弃放弃了这了这一概念，提出能量一概念，提出能量的吸收与辐的吸收与辐射只能按射只能按不连续不连续的的一份一份一份一份的的进行进行.这些谐振子只能处于某些特殊状态。它们的能量这些谐振子只能处于某些特殊状态。它们的能量只能是某些能量子只能是某些能量子 的整数倍的整数倍。为为谐振子频率谐振子频率普朗克量子假设：普朗克量子假设：量子数量子数电电磁磁波波能能量量腔腔壁壁上上的的原原子子二、普朗克假

23、设二、普朗克假设 普朗克公式普朗克公式（Plancks formula）第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系*对于频率为对于频率为 的振子，振子能量不的振子，振子能量不是连续的，而是分立的，它的取值是是连续的，而是分立的，它的取值是某一最小能量某一最小能量 h h 的整数倍。的整数倍。普朗克假定（普朗克假定（19001900）h h 普朗克常量普朗克常量经典经典能量能量 =h=h 量子量子*振子辐射（或吸收）能量时，振子辐射（或吸收）能量时，从一个能量状态跳变到另一从一个能量状态跳变到另一个状态个状态 吸收吸收 辐射辐射第十

24、八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 “我试图将我试图将 h 纳入经典理论范围，但一切尝试都失败了，纳入经典理论范围，但一切尝试都失败了，这个量非常顽固这个量非常顽固.”后来后来,他又说他又说：“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将能量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧。将能量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧。但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，

25、而现在是确切地知道能量子处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道能量子将将在物理中发挥出巨大作用在物理中发挥出巨大作用”。事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，了量子力学的开山鼻祖，19181918年因此而获得诺贝尔奖。年因此而获得诺贝尔奖。普朗克这一思想完全背离经典物理，并受到当时许多人的普朗克这一思想完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的泰斗洛仑兹。这给普朗克造成很大怀疑和反对，包括当时的泰斗洛仑兹。这给普朗克造成很大压力。压力。第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京

26、京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系1900年德国人普朗克推导出新的黑体辐射公式年德国人普朗克推导出新的黑体辐射公式c 为光速为光速k:玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数该公式与实验数该公式与实验数据符合得很好据符合得很好！(n m)1.02.0 3.04.0 5.0 6.07.0 8.0 9.0第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系4012356789普朗克公式普朗克公式选取一定的选取一定的h h 值在全波段与值在全波段与实验结果惊人符合！实验结果惊人符合！结合玻尔兹曼分布律，结合玻尔兹曼分布律，普朗克得到：普朗克

27、得到：*普朗克公式可以解释普朗克公式可以解释斯特藩斯特藩玻耳兹曼定玻耳兹曼定律和维恩位移定律。律和维恩位移定律。*普朗克公式短波和长波普朗克公式短波和长波极限下退化到极限下退化到维恩公式维恩公式和和瑞利瑞利-金斯公式金斯公式。第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系M.V.普朗克普朗克 研究辐射的量子研究辐射的量子理论，提出能量理论，提出能量量子化的假设量子化的假设1918诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系1911诺贝尔物理学奖诺

28、贝尔物理学奖W.维恩维恩 热辐射定律的热辐射定律的导出和研究导出和研究第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系光电效应：光电效应：18-4 18-4 光电效应光电效应 爱因斯坦方程爱因斯坦方程18881888年年HertzHertz发现：当一束光照射在金属表面发现：当一束光照射在金属表面上时，金属电荷发生变化上时，金属电荷发生变化表面有电子逸出表面有电子逸出的现象的现象光电子光电子 光电效应光电效应第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系一一 光电效应实验的规律光

29、电效应实验的规律VA 1 实验装置及现象实验装置及现象 2 实验规律实验规律 （1）光电流强度与光电流强度与入射光强成正比入射光强成正比.第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系（2）截止频率（红限）截止频率（红限）截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关光强无关.对某种金属来说，只有入射光的频率对某种金属来说，只有入射光的频率大于某一频率大于某一频率 0时，电子才会从金属表面时，电子才会从金属表面逸出逸出.0称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率.第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工

30、大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 遏止电势差与入射光频率具有线性关系遏止电势差与入射光频率具有线性关系.（4）瞬时性瞬时性 使光电流降为零使光电流降为零所外加的反向电势差所外加的反向电势差称为称为遏止电势差遏止电势差 ，对不同的金属对不同的金属，的的量值不同量值不同.（3）遏止电势差遏止电势差O第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 按经典理论按经典理论,电子逸出金属所需的能量，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累需要有一定的时间来积累,与实验结果不符与实验结果不符.3 经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难

31、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,只只要强度足够大，就能使电子逸出金属要强度足够大，就能使电子逸出金属.与实与实验结果不符验结果不符.第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系二二 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程1 “光量子光量子”假设假设 光光可可看看成成是是由由光光子子组组成成的的粒粒子子流流，单单个个光光子的能量为子的能量为 .2 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 逸出功与逸出功与材料有关材料有关第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南

32、京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系理论解释理论解释:几种金属逸出功的近似值几种金属逸出功的近似值(eV)钠钠 铝铝 锌锌 铜铜 银银 铂铂2.46 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35 光强越大，光子数越多，单位时间内光强越大，光子数越多，单位时间内产产生光电子数目越多生光电子数目越多,光电流越大光电流越大.(时）时）第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 遏止电势差遏止电势差VA 外加外加反向反向的遏止电的遏止电势差势差 恰能阻碍光电恰能阻碍光电子到达阳极子到达阳极,即即第十八章第十八章

33、量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光电效应现象电效应现象.（截止频率）（截止频率）频率限制频率限制:只有只有时才会发生时才会发生 瞬时性：瞬时性：光子射至金属表面，光子射至金属表面，一个一个光子的能量光子的能量 将一次性被一个电子吸收，将一次性被一个电子吸收，若若 ，电子立即逸出，无需时间积累，电子立即逸出，无需时间积累.第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用

34、光控继电器、自动控制、光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自动报警等.光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系光的波粒二象性光的波粒二象性描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性 光子光子 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系（2 2）粒子性：粒子性：（光电效应等）（光电效应等）（1 1）波动性：波动性：光的干涉和衍射光的干涉和衍射第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大

35、 学学 应应 用用 物物 理理 系系例例例例1.1.1.1.波长为波长为波长为波长为450450450450的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面上.求求求求(1)这种光的光子能量和动量这种光的光子能量和动量;(2)光电子逸出表面时的动能光电子逸出表面时的动能;(钠的逸出功钠的逸出功 W=2.28eV)(3)若光子的能量为若光子的能量为2.40eV,其波长为多少其波长为多少?解解 (1)=2.76eV=1.4710-27kgms-1(2)钠的逸出功钠的逸出功 W=2.28eV；Ek=2.76-2.28=0.48eV(3)=518nm第十八

36、章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系例例2.2.设有一半径为设有一半径为1.010-3m的薄圆片的薄圆片,它距光源它距光源1.0m.此光源的功率为此光源的功率为1W,发射波长为发射波长为589nm的单色的单色光光.假定光源向各个方向发射的能量相同假定光源向各个方向发射的能量相同,试计算在试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数单位时间内落在薄圆片上的光子数.解解 圆片的面积为圆片的面积为 S=(1.010-3)2=10-6m2单位时间落到圆片上的能量为单位时间落到圆片上的能量为代入数据有代入数据有光子数为光子数为=7.41011 s

37、-1第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系例用波长例用波长4000A的光照射铯感光层，求铯所放出的的光照射铯感光层，求铯所放出的光电子速度及遏止电压。（红限波长为光电子速度及遏止电压。（红限波长为6600A）第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 1920 1920年，美国物理学家康普顿在观察年，美国物理学家康普顿在观察X X射线被物质散射线被物质散射时，发现射时，发现散射散射线中含有线中含有波长波长发生发生变化变化了的成分了的成分.18-5 18-5 康普顿效应康普顿效应第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系A.H.康普顿康普顿 发现发现“康普顿康普顿效应效应”1927诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖第十八章第十八章 量子光学基础量子光学基础南南 京京 理理 工工 大大 学学 应应 用用 物物 理理 系系 经典电磁经典电磁理论预言，散理论预言，散射辐射具有和射辐射具有和入射辐射一样入射辐射一样的频率的频率.经典经典理论无法解释理论无法解释波长变化波长变化.（相对强度）（相对强度）（波长）（波长）经典理论的困难经典理论的困难