1.1光的波粒二相性ppt課件

1、第一章第一章 輻射理論基礎(chǔ)概要輻射理論基礎(chǔ)概要 與激光產(chǎn)生與激光產(chǎn)生 的條件的條件實(shí)驗(yàn)中采用大功率實(shí)驗(yàn)中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器釹玻璃激光器核聚變實(shí)驗(yàn)的六路真空靶室核聚變實(shí)驗(yàn)的六路真空靶室 光的發(fā)展簡(jiǎn)史1. 牛頓和惠更斯與光的理論學(xué)說(shuō) 牛頓在1669年提出光的“微粒說(shuō)”.他認(rèn)為光是從光源發(fā) 出的一種光微粒流,具有直線傳播的性質(zhì).光微粒流有彈性,并且能被某些物質(zhì)吸收.光微粒流遇到物質(zhì)時(shí),如果不被吸收,就會(huì)被彈回來(lái). 惠更斯在1678年提出光的“波動(dòng)說(shuō)”.他認(rèn)為光從一處傳播到另一處,是和水波類(lèi)似的波. 這兩學(xué)說(shuō)在相互爭(zhēng)論中發(fā)展,一直持續(xù)了200多年,牛頓的微粒說(shuō)能圓滿(mǎn)地解釋光的直線傳

2、播、反射等現(xiàn)象,因而在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)占統(tǒng)治地位.但后來(lái)人們又在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),微粒說(shuō)不能解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象.這就促使科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌拇鸢? 2. 麥克斯韋建立了光的電磁理論 19世紀(jì)初,電的發(fā)明和應(yīng)用,將人類(lèi)帶進(jìn)了電器時(shí)代。1863年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋，以庫(kù)侖、安培、法拉第在電學(xué)上的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)作了進(jìn)一步發(fā)展，創(chuàng)立了電磁波理論。其要點(diǎn)是：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，二者交替產(chǎn)生由近及遠(yuǎn)的傳播，既電磁波。并建立了著名的麥克斯韋方程。1887年赫茲用實(shí)驗(yàn)的方法產(chǎn)生了電磁波，證實(shí)了麥克斯韋的電磁波理論。1901年俄國(guó)物理學(xué)家列別捷夫用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了光壓，結(jié)果與電磁理論十分相互，從而進(jìn)一步

3、鞏固了光的電磁理論，麥克斯韋電磁波的傳播速度上有限的 ，其速度在真空中為每秒30萬(wàn)公里，與光速一樣，從而確認(rèn)了光波也是電磁波。 應(yīng)用光的電磁波理論,基本上能比較完滿(mǎn)地解釋光的發(fā)射、折射、干涉、衍射、偏振、雙折射等與光的傳播性有關(guān)的一系列重要現(xiàn)象。3. 愛(ài)因斯坦站在了巨人肩膀上 電磁波理論雖然使光的波動(dòng)說(shuō)一度占領(lǐng)了光學(xué)領(lǐng)域，但19世紀(jì)末，實(shí)踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許多 現(xiàn)象卻無(wú)法解釋?zhuān)绾隗w輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)等。1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)展了普朗克的量子家書(shū)假說(shuō)，在一種全新的物理意義上提出了光子學(xué)說(shuō)。 光在本質(zhì)上是由一些具有確定能量和動(dòng)量的物質(zhì)微粒光量子或光子所組成，而光

4、子的能量和動(dòng)量的數(shù)值，與一定的光的頻率或波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，即 hEchp 愛(ài)因斯坦認(rèn)為光子既是粒子、同時(shí)又是波。光在與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子性明顯，光在傳播中則波動(dòng)性突出。光的這種粒子性和波動(dòng)性相互對(duì)立又并存的性質(zhì)，叫做光的“波粒二象性”。一、光波一、光波波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為4000埃埃7600埃的電磁波埃的電磁波電磁波電磁波-電磁場(chǎng)是電磁場(chǎng)是E E和和B B的振動(dòng)由近及遠(yuǎn)傳播的過(guò)程的振動(dòng)由近及遠(yuǎn)傳播的過(guò)程uZXYEB習(xí)慣上常把電矢量叫做光矢量習(xí)慣上常把電矢量叫做光矢量,光波是橫波光波是橫波. 對(duì)電磁場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)-用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的MaxwellMaxwell方程組描述方程組描述11 光的波粒二象性

5、1. 線偏振光、自然光線偏振光、自然光 (1) 偏振光線偏振光）偏振光線偏振光）符號(hào)表示符號(hào)表示光振動(dòng)只沿某一固定方向的光光振動(dòng)只沿某一固定方向的光 .振動(dòng)面振動(dòng)面vE(2)(2)自然光自然光z傳播方向2. 光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系(a)(a)波長(zhǎng)波長(zhǎng): :振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。(b)(b)光速光速(c)(c)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)(d)(d)三者的關(guān)系三者的關(guān)系882.998 10/3 10/cm sm s T1在真空中 0c)(0c 各種介質(zhì)中傳播

6、時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度各不相同 3. 單色平面波單色平面波按照經(jīng)典電磁理論，光電磁波的運(yùn)按照經(jīng)典電磁理論，光電磁波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由麥克斯韋動(dòng)規(guī)律由麥克斯韋(C.Maxwell)方程決定。單色平面方程決定。單色平面波是麥克斯韋方程的一種特解。波是麥克斯韋方程的一種特解。波面相位相同的空間各點(diǎn)構(gòu)成的面平波面波面是彼此平行的平面,且在無(wú)吸收介質(zhì)中傳播時(shí),波的振幅保持不變。BEpZXYr單色平波面具有單一頻率的平面波。v I(v) 0 v0 實(shí)際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。當(dāng)vv0時(shí)，就叫準(zhǔn)單色波。 )(vI)(0vI2)(0vI任意電磁場(chǎng)可看作是一系列單色平面電磁波的線性疊

7、加 BEpZXYr簡(jiǎn)諧波理想單色平面波tpp00cos.簡(jiǎn)諧振子模型vtEtEE2cos cos00vtBtBB2cos cos00 兩式統(tǒng)一寫(xiě)成vtUtUU2cos cos00.簡(jiǎn)諧波方程)(cos) (cos00cztUtUU)22cos()(cos00zTtUcztUU光波具有時(shí)間周期性和空間周期性)22cos()(cos00zTtUcztUU分析： (a)z一定時(shí)，則U代表場(chǎng)矢量在該點(diǎn) 作時(shí)間上的周期振動(dòng) (c)z、t同時(shí)變化時(shí)，則U代表一個(gè)行波方程，代表兩個(gè)不同時(shí)刻 空間各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)。從下式可看出，光波具有時(shí)間周期性 和空間周期性。時(shí)間周期為T(mén)，空間周期為 ；時(shí)間頻率為 1/T，空

8、間頻率為1/(b)t一定時(shí)，則U代表場(chǎng)矢量隨位置的不同 作空間的周期變化 簡(jiǎn)諧波是具有單一頻率 的單色波，但通常原子發(fā)光的時(shí)間 約為108 s， 形成的波列長(zhǎng)度約等于3m，因此它的波列長(zhǎng)度有限即必然有一定的頻率寬度。 電磁波的傳播.平面波的復(fù)數(shù)表示法、光強(qiáng)) (0),(ztieUtUkz其中：U0代表振幅在空間的分布，其輻角（-k z代表相位在 空間的分布。光強(qiáng)：TTTTUdtkztUTdtUTI11202201122) (cos11.球面波及其復(fù)數(shù)表示法)(cos),(0crtrUtUr) (0),(rtierUtUkr.簡(jiǎn)諧波波矢空間角頻率0n2k波矢k是一個(gè)矢量，方向沿著光線傳播的方向。

9、它表示2長(zhǎng)度內(nèi)含有的“完好波的數(shù)目.光波模光波模以某一波矢以某一波矢 為標(biāo)記的駐波為標(biāo)記的駐波0n2k在激光理論中，光波模是一個(gè)很重要的概念。在自由空間，具有任意波矢 的單色波都可以存在，但在一個(gè)有邊界條件限制的空間內(nèi)例如諧振腔），只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢k的平面單色駐波。0n2k一種模式是電磁波運(yùn)動(dòng)的一種類(lèi)型，不同模式以不同的k 區(qū)分。二、二、 光子光子引言：愛(ài)因斯坦斷言：光是由光子組成引言：愛(ài)因斯坦斷言：光是由光子組成（一）.光子的基本性質(zhì) 一定種類(lèi)的光子的能量,與一定的光的頻率相對(duì)應(yīng)= h v v 光的頻率 h 普朗克常數(shù) h=6.6310-34JS。 .一定種類(lèi)的光子的質(zhì)量可表

10、達(dá)為22chvcm考慮相對(duì)論要求201cmmm0 光子的靜止質(zhì)量 光子的速度對(duì)于光子 m0 = 0 =c.一定種類(lèi)的光子具有動(dòng)量P,與一定的光的頻率和傳播方向相聯(lián)系kP00nnchvmcn0 光子 行進(jìn)方向上的單位矢量2h02nkk 平面波的波矢，它表示平面波的波矢，它表示2長(zhǎng)度內(nèi)含有的長(zhǎng)度內(nèi)含有的“完好完好波波的數(shù)目的數(shù)目. 一定種類(lèi)的光子,具有一定的偏振狀態(tài).(同一狀態(tài)的 光子具有相同的偏振狀態(tài)。）. 光子具有自旋,并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。故光子是“玻色子。（即處于相同狀態(tài)的光子數(shù)目是無(wú)限制的。 但是，光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和經(jīng)典宏觀質(zhì)點(diǎn)有著本質(zhì)的區(qū)別，它受量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的制約。測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系表明：

11、微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定，位置測(cè)得越準(zhǔn)確，動(dòng)量就越測(cè)不準(zhǔn)。對(duì)于一維運(yùn)動(dòng)情況則不準(zhǔn)關(guān)系表示為 xPx h 上式意味著處于二維相空間面積元xPx h之內(nèi)的粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在物理上是不可區(qū)分的，因而它們應(yīng)屬于同一種狀態(tài)。 在經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全由其坐標(biāo)(x，y，z)和動(dòng)量(Px Py Pz)確定。我們可以用廣義笛卡兒(Cartesian)坐標(biāo)x、y、 z、Px Py Pz所 支撐的六維空間來(lái)描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種六維空間稱(chēng)為相空間，相空間內(nèi)的一點(diǎn)表示質(zhì)點(diǎn)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)宏觀質(zhì)點(diǎn)沿某一方向(例如：x軸)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的狀態(tài)變化對(duì)應(yīng)于二維相空間(x，Px)的一條連續(xù)曲線，如下圖。（二）.

12、 光子的狀態(tài).相空間由坐標(biāo)(x，y，z及動(dòng)量px ，py， pz ）所支撐的數(shù)學(xué)多維空間.一個(gè)宏觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著相空間中的一個(gè)點(diǎn).一個(gè) 光子狀態(tài)對(duì)應(yīng)著相空間中的一個(gè)相格由于光子具有波粒二象性，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，不能同時(shí)測(cè)量x和Px，受海森堡不等式 x Pxh 的限制，只能在相空間畫(huà)出面積 x Px = h 定為光子的一個(gè)狀態(tài)，滿(mǎn)足條件：x Px h即：在面積x Px = h 之內(nèi)的光子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在物理學(xué)上是不可 分的，因而屬于同一狀態(tài)。處于同一狀態(tài)內(nèi)的光子是，彼此之間是不能加以區(qū)別的。. 六維相空間中的相格相格是相空間中用任何實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小尺寸。在三維情況下，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系為3hpppzyx

13、zyx在六維相空間中，一個(gè)光子態(tài)對(duì)應(yīng)的相空間體積元為3hpppzyxzyx 光子的某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能定域在一個(gè)相格中，但不能確定它在相格內(nèi)部的對(duì)應(yīng)位置。 于是我們看到，微觀粒子和宏觀質(zhì)點(diǎn)不同，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在相空間中不是對(duì)應(yīng)一點(diǎn)而是對(duì)應(yīng)一個(gè)相格。這表明微觀粒子運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性。 僅當(dāng)所考慮的運(yùn)動(dòng)物體的能量和動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由普朗克常數(shù)h所標(biāo)志的量hv，以致量子化效應(yīng)可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)運(yùn)動(dòng)才過(guò)渡到經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)。.相格的空間體積zyxppphzyx3.光波模等效于光子態(tài)一個(gè)光波模在相空間也占有一個(gè)相格.因此,一個(gè)光波模等效一個(gè)光子態(tài).一個(gè)光波?；蛞粋€(gè)光子態(tài)在坐標(biāo)空間占有相同的體積。 三、光子的相干性

14、為了把光子態(tài)和光子的相干性?xún)蓚€(gè)概念聯(lián)系起來(lái)，下面對(duì)光源的相干性進(jìn)行討論。 在一般情況下，光的相干性理解為：在不同的空間點(diǎn)上、在不同的時(shí)刻的光波場(chǎng)的某些特性(例如光波場(chǎng)的相位)的相關(guān)性。在相干性的經(jīng)典理論中引入光場(chǎng)的相干函數(shù)作為相干性的度量。但是，作為相干性的一種粗略描述，常常使用相干體積的概念。如果在空間體積V c內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性，則V c稱(chēng)為相干體積。V c又可表示為垂直于光傳播方向的截面上的相干面積A c和沿傳播方向的相干長(zhǎng)度L c的乘積 V c=A c L c 也可表示為另一形式； Vc=Acc c 式中c為光速， cL cc是光沿傳播方向通過(guò)相干長(zhǎng)度L c所需的時(shí)間，稱(chēng)

15、為相干時(shí)間。 普通光源發(fā)光，是大量獨(dú)立振子(例如發(fā)光原子)的自發(fā)輻射。每個(gè)振子發(fā)出的光波是由持續(xù)一段時(shí)間t或在空間占有長(zhǎng)度ct的波列所組成如下圖所示。不同振子發(fā)出的光波的相位是隨機(jī)變化的。對(duì)于原子譜線來(lái)說(shuō)，t即為原子的激發(fā)態(tài)壽命(t10-8s秒)。對(duì)波列進(jìn)行頗譜分析，就得到它的頻帶寬度 v1/t v是光源單色性的量度。物理光學(xué)中已經(jīng)闡明，光波的相干長(zhǎng)度就是光波的波列長(zhǎng)度 L cctc/v于是，相干時(shí)間c與光源頻帶寬度v的關(guān)系為 ct= 1/v 上式說(shuō)明，光源單色性越好，則相干時(shí)間越長(zhǎng)。 物理光學(xué)中曾經(jīng)證明：在圖中，由線度為x的光源A照明的S1和S2兩點(diǎn)的光波場(chǎng)具有明顯空間相干性的條件為 (x

16、L x/ R) 式中為光源波長(zhǎng)。距離光源R處的相干面積Ac可表示為 Ac L x 2(R/x)2 如果用表示兩縫間距對(duì)光源的張角，則式(x L x/ R) 可寫(xiě)為 (x)2(/)2上式的物理意義是：如果要求傳播方向(或波矢k)限于張角之內(nèi)的光波是相干的，則光源的面積必須小于(/)2。因此，(/)2就是光源的相干面積，或者說(shuō)，只有從面積小于(/)2的光源面上發(fā)出的光波才能保證張角在之內(nèi)的雙縫具有相干性根據(jù)相干體積定義，可得光源的相干體積為此式可同樣理解為：如要求傳播方向限于之內(nèi)并具有頻帶寬度v的光波相干，則光源應(yīng)局限在空間體積Vcs之內(nèi)。 現(xiàn)在再?gòu)墓庾佑^點(diǎn)分析圖由面積為(x)2的光源發(fā)出動(dòng)量P限于立體角內(nèi)的光子，因此光子具有動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)量，在很小的情況下其各分