量子光学学习.pptx

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1、 19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了成功：1)机械运动方面 2)在分子物理方面:解释了温度、压强、气体的内能。3)在电磁学方面:一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。4)能量转化与守恒定律:-力、电、光、声等都遵循的规律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。第1页/共59页 正如1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到：即：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上述文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，

2、还有两朵令人不安的乌云，-”“在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”第2页/共59页这两朵乌云是指什么呢？普朗克量子力学的诞生（微观领域）（微观领域）相对论问世（高速领域）（高速领域）热辐射实验能量均分定理失效能量均分定理失效迈克尔逊-莫雷实验以太漂移以太漂移“零结果零结果”第3页/共59页1、黑体热辐射和、黑体热辐射和普朗克的能量子假设能量子假设2、光电效应光电效应和爱因斯坦的光量子光量子理论理论3、康普顿康普顿效应效应量子光学量子光学 -光的粒子性第4页/共59页15.1 15.1 热辐射热辐射:任何温度下物体都向外辐射电磁波。单任何温度下物体都向外辐

3、射电磁波。单位时间辐射能量和能量按波长的分布，与物体的温位时间辐射能量和能量按波长的分布，与物体的温度有关。这种与温度有关的电磁辐射叫做热辐射度有关。这种与温度有关的电磁辐射叫做热辐射.平衡热辐射:当一个物体单位时间内当一个物体单位时间内吸收的能吸收的能量恰好等于辐射消耗的能量量恰好等于辐射消耗的能量时时,物体的物体的温度保持恒定温度保持恒定,这种状态下的热辐射称平衡热辐射这种状态下的热辐射称平衡热辐射第5页/共59页单色辐射出射度：e(T,)W/m3 单位时间、单位面积、所辐射的波长在单位时间、单位面积、所辐射的波长在 附近单位附近单位波长区间波长区间的电磁波能量的电磁波能量 15.1.1

4、15.1.1 辐出度、吸收系数、反射系数总辐出度：E(T)W/m2 单位时间、单位面积单位时间、单位面积所辐射的电磁波能量所辐射的电磁波能量1 1、反映物体辐射能力的量：第6页/共59页单色反射系数：单色吸收系数：2 2、反映物体吸收和反射能力的量：设设单位时间单位时间投射到投射到单位面积单位面积的的波长在波长在 附近单位附近单位波长波长区间区间的的辐射能量为辐射能量为物体吸收了物体吸收了 ，物体反射了物体反射了对于不透明的物体，有：对于不透明的物体，有：第7页/共59页根据单色吸收系数 的不同，可区分灰体：选择性吸收体：对某波长或波段较大对某波长或波段较大绝对黑体：第8页/共59页 在同样的

5、温度下，各种不同的物体在同样的温度下，各种不同的物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收对相同波长的单色辐出度与单色吸收系数之比值都相等，且等于在该温度系数之比值都相等，且等于在该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。下黑体对同一波长的单色辐出度。物理含义：好的吸收体好的吸收体 也是也是 好的辐射体好的辐射体绝热恒温体绝热恒温体B1B2B3真空T=C15.1.3 15.1.3 基尔霍夫定律（Kirchhoffs Law）研究热辐射的中心问题是研究黑体的辐射问题第9页/共59页实验装置AL1B1PB2C黑体准直系统三棱镜测量系统15.1.4 15.1.4 黑体辐射的实验规律P:将不同波长折向不同方向，将

6、不同波长折向不同方向，B2:围绕围绕P转动，吸收不同波长的单色辐出度。转动，吸收不同波长的单色辐出度。第10页/共59页总结出：黑体辐射的实验规律6000K5000K4000K3000KA)A)Stafan-Boltzmann Stafan-Boltzmann定律 (1879,斯特藩)斯特藩斯特藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量B)Wien位移定律(1893)1884年玻尔兹曼理论证明 第11页/共59页 单位时间辐射能量 及 能量按波长分布 取决于温度 ：1400K800K1000K1200Kb)b)铁块的颜色变化铁块的颜色变化a)a)当你取出靠近时当你取出靠近时微热-热乎-很热-热浪逼人 当我们把

7、一块铁放到火炉中，随着时间的推移，铁块温度越来越高-单位时间辐射能量越来越多-能量按照波长的分布不同第12页/共59页注意：2 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 -高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。1 1）以上两规律适用于黑体，对非黑体只近似成立）以上两规律适用于黑体，对非黑体只近似成立例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在蓝、青色。应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。第13页/共59页例：太阳可以看成黑体，地球上测出其峰值波长例：太阳可以看成黑体，地球上测出其峰值波长为为 m m=5100=5100，

8、则其表面温度和辐出度为多少？，则其表面温度和辐出度为多少？由解：第14页/共59页15.1.5 15.1.5 经典物理学遇到的困难 -黑体辐射的理论解释方面1 23 4 5 67 8 9 1）Rayleigh-Jeans formula18901890年瑞利-金斯kB=1.38065810-23J/K-“紫外灾难紫外灾难”第15页/共59页2）Wiens formula1896年德国维恩C C1 1、C C2 2须用实验确定须用实验确定1 23 4 5 67 8 9 第16页/共59页3）Plancks formula1900年德国物理学家普朗克普朗克普朗克h=6.6310-34Js 符合得很

9、好！1 23 456 789第17页/共59页15.1.6 Planck 15.1.6 Planck 能量量子化假设普朗克注意到:经典理论中把黑体中的原子和分子都看成可以吸经典理论中把黑体中的原子和分子都看成可以吸收收 或或 辐射电磁波的谐振子，且电磁波与谐振子辐射电磁波的谐振子，且电磁波与谐振子交换能交换能量时可以以任一大小量时可以以任一大小（从（从0 0到到 大）大）的份额进行的份额进行。普朗克当时大胆地放弃了这一概念，提出了能量普朗克当时大胆地放弃了这一概念，提出了能量的吸收与辐射的吸收与辐射只能按不连续的一份一份能量只能按不连续的一份一份能量进行。进行。第18页/共59页能量量子化假设

10、:1 1、辐射体是由许多带电谐振子组成，、辐射体是由许多带电谐振子组成，共同辐射的电磁波谱是连续的。共同辐射的电磁波谱是连续的。2 2、谐振子只能处于一些分立的能量、谐振子只能处于一些分立的能量状态状态 （如图）（如图）3 3、发射和吸收能量存在最小单元发射和吸收能量存在最小单元 这一理论导致了量子力学的诞生，普朗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，克也成为了量子力学的开山鼻祖，19181918年因年因此获得诺贝尔奖。此获得诺贝尔奖。第19页/共59页可导出可导出:1.1.维恩公式（短波）维恩公式（短波）2.瑞利金斯公式瑞利金斯公式（长波）长波）由普朗克公式由普朗克

11、公式第20页/共59页可导出可导出:1.1.维恩公式（短波）维恩公式（短波）2.瑞利金斯公式瑞利金斯公式（长波）长波）3.3.4 4.由普朗克公式由普朗克公式第21页/共59页 “能量子能量子”完全背离经典物理思想，受到当时许多人完全背离经典物理思想，受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗-洛仑兹。乃至洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除能量量子化。当时普朗克自已也想以某种方式来消除能量量子化。他写道：“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。我的一些试如何将作用量

12、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处，起初我只是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，而现在是确切地知道作用量子倾向于认为，而现在是确切地知道作用量子 将在将在物理中发挥出巨大作用物理中发挥出巨大作用”。第22页/共59页第15次作业:P192 18、19(新版书)第23页/共59页例：一频率为例：一频率为=0.5H=0.5HZ Z，振辐为，振辐为A=10cmA=10cm，劲度系，劲度系数为数为K=3.0N/mK=3.0N/m的谐振子：的谐振子：其能量其能量若能量

13、变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：不连续变化的比率：不连续变化的比率：若每相差一能量子画一直线X宏观看是连续的E第24页/共59页E宏观看是连续的宏观看是连续的 由此可见可以把经典物理看成由此可见可以把经典物理看成是量子物理在量子数很大时的特是量子物理在量子数很大时的特殊情况（只有殊情况（只有n n很小时，能量的不很小时，能量的不连续才显得很明显连续才显得很明显）19291929年波尔提出：年波尔提出：量子论对一个系统的描述，当量子数非常大时，即与经量子论对一个系统的描述，当量子数非常大时，即与经典物理的描述一致。典物理的描述一致。事实上

14、，第一个认识到普朗克假说的伟大意义的是爱因斯坦。第25页/共59页1）青年阿尔伯特阿尔伯特爱因斯坦爱因斯坦（Albert Einstein）刚从苏黎世联邦工业大学（ETH）毕业，正在为将来的生活发愁。他旷课无数，被教授闵可夫斯基（Minkowski）痛骂。没人肯留他在校做理论或实验工作。2）在丹麦，15岁的尼尔斯尼尔斯玻尔玻尔（Niels Bohr）正在哥本哈根中学读书。玻尔在数学和科学方面天才毕露，但他的口才和文采却惨不忍睹。3）埃尔文埃尔文薛定谔薛定谔（Erwin Schrodinger）比玻尔小两岁，在维也纳著名高级中学Akademisches Gymnasium上学。薛定谔热爱古文、戏

15、剧和历史，成绩一流，帅气翩翩，非常受人欢迎。量子论不像牛顿力学或者爱因斯坦相对论那样几乎是单人创立的。相反，整整一代精英共同促成了它的光荣。以下是量子诞辰那天，量子物理学历史剧中的主要演员众生相：第26页/共59页 4）马克斯马克斯波恩波恩（Max Born）和薛定谔有着相似的教育背景，但相比薛定谔，波恩并不怎么喜欢拉丁文甚至代数，他那时梦想成为天文学家。5）路易斯路易斯德布罗意德布罗意（Louis de Broglie）当时8岁，正在他那显赫的贵族家庭里接受良好教育，对历史表现出浓厚的兴趣。6）沃尔夫冈沃尔夫冈恩斯特恩斯特泡利泡利（Wolfgang Ernst Pauli）才出生8个月，他的

16、中间名字“Ernst”是因其父崇拜著名科学家恩斯特马赫（Ernst Mach）而取的。7、8、9）再过12个月，维尔兹堡（Wurzberg）一位著名希腊文献教授就要迎来宝贝儿子小海森堡海森堡（Werner Karl Heisenberg）呱呱坠地。稍早前，罗马的一位公务员把他的孩子命名为恩里科恩里科费米费米（Enrico Fermi）。20个月后，保罗保罗狄拉克狄拉克（Paul Dirac）也将出生在英国的布里斯托尔港。第27页/共59页好，演员到齐。好戏该上演了！第28页/共59页15.2 15.2 光电效应、爱因斯坦的光量子理论 18871887年，年，德国德国HertzHertz在做验证

17、在做验证电磁波的实验时，发现有光照射电磁波的实验时，发现有光照射的电极之间更容易出现火花。的电极之间更容易出现火花。经证实，是两极之间发射出经证实，是两极之间发射出电子的缘故。电子的缘故。第29页/共59页VA 金属受光照射时，其内部电子吸收光能而逸出金属表面的现象 -光电效应“光电子”第30页/共59页15.2.1 15.2.1 光电效应的实验规律3)截止频率（红限）与与光强无关光强无关与与材料有关材料有关.1)饱和电流（光强）2)遏止电压 与光强 I 无关4)4)瞬时性 1010-9-9 s s 第31页/共59页 按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时按经典理论，电子逸出金属

18、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表面为止。间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止。3)3)红限问题4)4)瞬时性问题 按经典理论，无论何种频率的入射光，只要其强度足够大，按经典理论，无论何种频率的入射光，只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属。就能使电子具有足够的能量逸出金属。15.2.2 15.2.2 经典理论遇到的困难2)遏止电压(光电子初动能)与光强 I 无关 按经典理论按经典理论,电子吸收光能逸出金属。光强大则电子初电子吸收光能逸出金属。光强大则电子初动能大动能大第32页/共59页15.2.3 15.2.3 爱因斯坦的光量子理论190

19、5年提出年提出“光量子光量子”假设：假设：不仅在吸收和发射时光的能量不仅在吸收和发射时光的能量是一份一份的，而光本身就是有是一份一份的，而光本身就是有一个个集中存在的、不可分割的一个个集中存在的、不可分割的能量子所组成，频率为能量子所组成，频率为的能量子的能量子的能量为的能量为 h。“光量子”“光子”“能量子”第33页/共59页光电效应方程逸出功（材料有关）逸出功（材料有关）2）对同一种金属，一定，与光强无关电子初动能电子初动能解释实验：1）光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，光电流越大.（时）即 遏止电压与光强 I 无关第34页/共59页3）逸出功产生光电效应条件（截止

20、频率）4）光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一次性被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出，无需时间积累（瞬时性）.光电效应方程1921年爱因斯坦因此获诺贝尔物理奖第35页/共59页 1916年Milikan对 的测定实验获获19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 光电效应和基本电荷实验光电效应和基本电荷实验“NaNa的遏止电压和入射光频率的关系的遏止电压和入射光频率的关系”光电效应方程式的验证光电效应方程式的验证值与实验结果在值与实验结果在0.5%0.5%精度内符合精度内符合第36页/共59页 光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.光电倍增管放大器接

21、控件机构光光控继电器示意图第37页/共59页 光的波粒二象性描述光的 粒子性 描述光的 波动性没有静止质量没有静止质量,也没有静止能量也没有静止能量;（2 2）粒子性：（1 1）波动性：光的干涉和衍射P186 (14.4.1)有：有：运动能量、运动能量、动量、动量、动质量动质量第38页/共59页例：根据图示确定以下各量1、钠的红限频率2、普朗克常数3、钠的溢出功解：由爱因斯坦方程其中遏制电压与入射光频关系钠的遏制电压与入射光频关系第39页/共59页从图中得出从图中得出钠的遏制电压与入射光频关系第40页/共59页钠的遏制电压与入射光频关系普朗克常数钠的溢出功第41页/共59页例：在铝中移出一个电

22、子需要4.2eV的能量，波长为200nm的光射到其表面，求：1、光电子的最大动能2、遏制电压3、铝的截止波长解：第42页/共59页光的粒子性的一个重要的实验光的粒子性的一个重要的实验 1922-19331922-1933年间 康普顿（A.H.ComptonA.H.Compton）观察X X射线通过物质散射时，发现散射的波长发生变化的现象19271927诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖15.3 15.3 康普顿效应第43页/共59页一 实验装置X光管光管测波长测波长散射物质散射物质二 实验结果 散射光中除了和入射光波长散射光中除了和入射光波长0 0 相相同的射线之外，还出现一种波长同的射线之外，还出

23、现一种波长 大于大于0 0 的新的射线。的新的射线。改变波长的散射康普顿散射康普顿效应散射X 射线的波长中有两个峰值 和第44页/共59页（相对强度）（波长）石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应第45页/共59页 我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：原子量小的物质康普顿散射较强，成分多；原子量大的物质康普顿散射较弱；成分少当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。第46页/共59页三、经典电磁理论在解释时遇到的困难根据经典电磁波理论，当电磁波通过散射物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。

24、无法解释波长改变和散射角的关系。第47页/共59页 康普顿利用光子理论成功而简单地解释了康普顿利用光子理论成功而简单地解释了这一问题。这一问题。四、光子理论对康普顿效应的解释光子电子 电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.入射光子（X 射线或 射线）能量大 .固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.电子光子 电子热运动能量 ，可近似为静止电子.范围为：第48页/共59页 理论分析能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒由得:由得:第49页/共59页由 得:第50页/共59页 康普顿公式实验公式理论:符合的相当好符合的相当好!第51页/共59页 散射光波长的改变量 仅与 有关 散射光子能量减小康普顿公

25、式 结论:第52页/共59页 若 则则 ,可见光观察可见光观察不不到康普顿效应到康普顿效应.与与 的关系的关系与物质无关与物质无关，是光子与近自由电子，是光子与近自由电子间的相互作用间的相互作用.散射中散射中 的散射光是因的散射光是因光子光子与散射物质与散射物质中的中的紧束缚电子紧束缚电子（原子核）的作用（原子核）的作用.康普顿公式原子量大，束缚电子数目多，散射中 成分多第53页/共59页 物理意义 光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.康普顿公式第54页/共59页(书)例 波长 的X射线与静止 的自由电子作弹性碰撞,在与入射角成 角 的方向上观察,问

26、（2）在碰撞中，光子的能量损失了多少？（1）散射波长的改变量 为多少？（3）反冲电子得到多少动能？第55页/共59页第16次作业:P.192 25、27、29（新版书）第56页/共59页总总 结结一一.热辐射热辐射1.描述热辐射物理量描述热辐射物理量:辐出度辐出度总辐出度总辐出度单色辐出度单色辐出度单色吸收系数单色吸收系数单色反射系数单色反射系数绝对黑体绝对黑体3.普朗克的能量量子化假设普朗克的能量量子化假设（2）维恩位移定律）维恩位移定律2.二条实验定律二条实验定律:（1）斯特藩）斯特藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律4.普朗克公式普朗克公式:第57页/共59页二二.光电效应光电效应三三.康普顿效应康普顿效应1.光电效应实验规律光电效应实验规律:3.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设2.光的波动说遇到困难光的波动说遇到困难1.实验规律实验规律2.如何解释如何解释 成分出现成分出现?光量子光量子动量守恒、能量守恒动量守恒、能量守恒第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页