量子光學(xué)-1-1

1、* *本章簡要介紹本章簡要介紹: :1.1.狹義相對(duì)論基本觀點(diǎn)狹義相對(duì)論基本觀點(diǎn); ;2.2.狹義相對(duì)論時(shí)空觀的狹義相對(duì)論時(shí)空觀的幾個(gè)重要結(jié)論幾個(gè)重要結(jié)論. . 狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論 總結(jié)總結(jié)一一.牛頓力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀牛頓力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀二二 愛愛因因斯斯坦坦二二點(diǎn)點(diǎn)基基本本假假設(shè)設(shè) 1.光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)?.愛因斯坦相對(duì)性原理愛因斯坦相對(duì)性原理三三. 洛倫茲的時(shí)空變換和速度變換洛倫茲的時(shí)空變換和速度變換22222/1/1cVxcVttzzyycVt Vxx22222/1/1cVxcVttzzyycVVtxx2222221/11/11u 1/11/112222x2222cVxzzcVxy

2、ycVxxcVxzzcVxyycVxxxucVuuucVuuuVuucVuuucVuuuVuu1.滿足光速不變?cè)頋M足光速不變?cè)?.這這組組變變換換在在低低速速下下能能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為伽伽利利略略的的變變換換。 洛侖茲變換揭露了時(shí)間、空間和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。洛侖茲變換揭露了時(shí)間、空間和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。 四四.狹義相對(duì)論時(shí)空觀的幾個(gè)重要結(jié)論狹義相對(duì)論時(shí)空觀的幾個(gè)重要結(jié)論1 長長度度相相對(duì)對(duì)性性 220/1cVLL2 2. .時(shí)時(shí)間間相相對(duì)對(duì)性性 220/1cttv運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)方向上長度縮短在運(yùn)動(dòng)方向上長度縮短 VxyzoSxyzoS同一地點(diǎn)發(fā)生二事件同一地點(diǎn)發(fā)生二事件220/1

3、cttv3 3. . 同同時(shí)時(shí)性性的的相相對(duì)對(duì)性性 4. 時(shí)序的相對(duì)性時(shí)序的相對(duì)性5 5. .質(zhì)質(zhì)量量的的相相對(duì)對(duì)性性( (質(zhì)質(zhì)速速關(guān)關(guān)系系) ) 220/1cVmm時(shí)間膨脹時(shí)間膨脹運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量運(yùn)動(dòng)質(zhì)量隨物運(yùn)動(dòng)質(zhì)量隨物體速度體速度v增大增大上上式式表表明明: :靜靜止止質(zhì)質(zhì)量量不不為為零零的的物物體體速速度度不不可可能能等等于于或或超超過過光光速速. . 0mmmk動(dòng)質(zhì)量動(dòng)質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量五五. . 狹義相對(duì)論中的動(dòng)力學(xué)方程狹義相對(duì)論中的動(dòng)力學(xué)方程1.1.牛頓定律牛頓定律: :2201)(CVVmdtddtVmddtPdFam物物體體在在恒恒力力作作用用下下, ,不

4、不會(huì)會(huì)獲獲得得恒恒定定加加速速度度. . 2. 動(dòng)能原理：動(dòng)能原理：2022200222011cmcVcmcVcmdWV動(dòng)能動(dòng)能動(dòng)量：動(dòng)量：VcVmVmP22012022201cmcVcmEk動(dòng)能動(dòng)能: :20)(cmmEk2002E cmmcE220/1cVmm總能量總能量動(dòng)能動(dòng)能靜止能量靜止能量0mmmk2cmEkk動(dòng)質(zhì)量動(dòng)質(zhì)量動(dòng)能動(dòng)能2mcE上上式式表表明明: :自自然然界界中中沒沒有有脫脫離離質(zhì)質(zhì)量量的的能能量量, ,一一個(gè)個(gè)系系統(tǒng)統(tǒng)有有能能量量的的變變化化必必伴伴隨隨質(zhì)質(zhì)量量變變化化。 cv2221222111ccvv20220211/11vv2mccmEK當(dāng)當(dāng)22202cpEE3.

5、能量與動(dòng)量的關(guān)系能量與動(dòng)量的關(guān)系:2022201cmcVcmEk光子光子 m0=02mcE 光子沒有靜止質(zhì)量光子沒有靜止質(zhì)量沒有靜止能量沒有靜止能量光子有動(dòng)質(zhì)量光子有動(dòng)質(zhì)量m有動(dòng)量有動(dòng)量*因?yàn)楣庾佑匈|(zhì)量因?yàn)楣庾佑匈|(zhì)量,當(dāng)光子經(jīng)過一個(gè)大星體附近時(shí)受萬有當(dāng)光子經(jīng)過一個(gè)大星體附近時(shí)受萬有引力作用使光線彎曲引力作用使光線彎曲,這已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)這已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí).光子有能量光子有能量*因?yàn)楣庾佑袆?dòng)量因?yàn)楣庾佑袆?dòng)量,當(dāng)光射到物體表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生光壓當(dāng)光射到物體表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生光壓.例如例如,慧星的尾跡就是受太陽光壓所致慧星的尾跡就是受太陽光壓所致. 收縮例四= 0.6 c系中一等腰直角三角形邊長的固有長度如圖所示問

6、： 觀察到的是怎樣的圖形？沿運(yùn)動(dòng)方向的邊長相對(duì)論長度為而垂直運(yùn)動(dòng)方向的邊長無縮短觀察到的圖形是1.640.8 由此還可進(jìn)一步算出角度和面積的變改。收縮例五天線天線長度、姿態(tài)天線在 系的軸向的投影在 系觀察：運(yùn)動(dòng)方向上有長度收縮效應(yīng)垂直運(yùn)動(dòng)方向上長度無收縮tan將已知數(shù)據(jù)代入解得0.791 (m),63 26量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)19世紀(jì)末世紀(jì)末20世紀(jì)初世紀(jì)初光與物質(zhì)的相互作光與物質(zhì)的相互作用用熱輻射熱輻射光電效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)光光光在傳播過程中的表現(xiàn)光在傳播過程中的表現(xiàn)干涉干涉衍射衍射偏振偏振光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性用光的經(jīng)典電磁理論可以很好的解釋用光的經(jīng)典電磁理論可以很好的解釋用光的

7、經(jīng)典電磁理論無法解釋，用光的經(jīng)典電磁理論無法解釋，？ 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歷史有一百多年的歷史. .其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到大師的創(chuàng)新努力，到 20 20 世紀(jì)世紀(jì) 30 30 年代，就建立了一年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論套完整的量子力學(xué)理論. .量子力學(xué)量子力學(xué)宏觀領(lǐng)域宏觀領(lǐng)域經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ)現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ)量子力學(xué)量子力學(xué)相相 對(duì)對(duì) 論論

8、量子力學(xué)量子力學(xué)微觀世界的理論微觀世界的理論起源于對(duì)波粒二相性的認(rèn)識(shí)起源于對(duì)波粒二相性的認(rèn)識(shí)第一節(jié)11 - 1熱輻射定性圖述輻出度1),(,TTa依據(jù)依據(jù),Ta的不同，物體可分為：的不同，物體可分為： 1. 選擇性吸收體：選擇性吸收體：在一定溫度下，只對(duì)某些在一定溫度下，只對(duì)某些 或某段波長范圍的輻射有明顯吸收，對(duì)其他波或某段波長范圍的輻射有明顯吸收，對(duì)其他波長吸收很少。長吸收很少。 有色反光體有色反光體2. 灰體：灰體：單色吸收系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，但小于單色吸收系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，但小于1. 它對(duì)各種波長的輻射有同等程度的吸收和它對(duì)各種波長的輻射有同等程度的吸收和 反射反射.3. 絕對(duì)黑體：絕對(duì)黑體

9、： 在任何溫度下均能全部吸收投在任何溫度下均能全部吸收投射到它上面的輻射，即吸收系數(shù)為射到它上面的輻射，即吸收系數(shù)為1，反射系數(shù)，反射系數(shù)為為0.一般輻射的復(fù)雜性黑體* *絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體：能：能100%100%吸收投射在它上面的外來輻射。吸收投射在它上面的外來輻射。O為什么引入絕對(duì)黑體模型？為什么引入絕對(duì)黑體模型？* *基爾霍夫定律基爾霍夫定律abcda,b,c,d a,b,c,d 是四個(gè)是四個(gè)溫度不同的物體溫度不同的物體封閉在真空容器封閉在真空容器中它們只能通過中它們只能通過熱輻射交換能量熱輻射交換能量實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)過一段時(shí)間后容器內(nèi)：經(jīng)過一段時(shí)間后容器內(nèi)物體達(dá)到相同溫度物體達(dá)到相同

10、溫度, ,即處于熱平衡態(tài)即處于熱平衡態(tài). . 這表明這表明: :容器內(nèi)的每一個(gè)物體單位時(shí)容器內(nèi)的每一個(gè)物體單位時(shí) 間內(nèi)輻射能量恰好等于吸收的能量間內(nèi)輻射能量恰好等于吸收的能量. .即即單色輻出度單色輻出度大的物體大的物體, ,單色吸收系單色吸收系數(shù)數(shù)也大也大. .,000TeTaTeTaTe基爾霍夫定律基爾霍夫定律: : 在相同溫度下在相同溫度下, ,各種不同物體對(duì)各種不同物體對(duì)相同的波長的單色輻出度相同的波長的單色輻出度和單色吸收系數(shù)的比和單色吸收系數(shù)的比值都相等值都相等, ,等于同溫度下等于同溫度下絕對(duì)黑體的單色輻出度絕對(duì)黑體的單色輻出度. .黑體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃隗w輻射測(cè)量黑體（小孔表面）集光透

11、鏡平行光管分光元件會(huì)聚透鏡及探頭 分光元件（如棱鏡或光柵等）將不同波長的輻射按一分光元件（如棱鏡或光柵等）將不同波長的輻射按一定的角度關(guān)系分開，轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不同波長輻射的強(qiáng)定的角度關(guān)系分開，轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不同波長輻射的強(qiáng)度分布。再推算出黑體單色輻出度按波長的分布。度分布。再推算出黑體單色輻出度按波長的分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1 1）絕對(duì)黑體的總輻出度）絕對(duì)黑體的總輻出度E 0(T) 隨絕對(duì)溫度隨絕對(duì)溫度T的升的升高迅速地增大；高迅速地增大；（2 2）隨溫度）隨溫度 T增高增高, m值向短波長方向移動(dòng)。值向短波長方向移動(dòng)。（3 3）絕對(duì)黑體的輻射規(guī)律與空腔的形狀及材料無關(guān)；）絕對(duì)黑體的

12、輻射規(guī)律與空腔的形狀及材料無關(guān)； e0(T, ) (nm)0T2T3T1 mT3 T2 T1 0,dTeTE黑體輻射規(guī)律2 0 0 0 Ks s 5.6710 Wm K - 2- 8- 4斯特藩斯特藩-玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律維恩位移定律維恩位移定律b = 2.898 10 m K - 3E ( T )OO黑體的單色輻出度黑體的單色輻出度1 7 5 0 K1 5 0 0 K1 0 0 0 K10 m- 61 2 3 4 5 6 波波 長長 0斯特藩斯特藩于于18791879年根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線得出年根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線得出玻爾茲曼玻爾茲曼于于18841884年從理論上證明年從理論上證明18931893年維恩

13、根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出年維恩根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出 經(jīng)典物理遇到的困難經(jīng)典物理遇到的困難由于基爾霍夫定律，使得由于基爾霍夫定律，使得 “ “絕對(duì)黑體的單色輻出度絕對(duì)黑體的單色輻出度”成成為熱輻射的一個(gè)中心問題。為熱輻射的一個(gè)中心問題。家為探尋絕對(duì)黑體的單色輻出度數(shù)學(xué)表達(dá)式付出了極大家為探尋絕對(duì)黑體的單色輻出度數(shù)學(xué)表達(dá)式付出了極大的努力。他們從熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、電磁場(chǎng)理論等不同的努力。他們從熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、電磁場(chǎng)理論等不同角度角度去尋找符合實(shí)驗(yàn)曲線的去尋找符合實(shí)驗(yàn)曲線的 數(shù)學(xué)表達(dá)式，數(shù)學(xué)表達(dá)式，,0Te但均無成功，其中最具有代表性的是但均無成功，其中最具有代表性的是瑞利瑞利瓊斯瓊斯和和維恩維恩所做的工作。所做的工

14、作。十九世紀(jì)末期，許多物理學(xué)十九世紀(jì)末期，許多物理學(xué)* *瑞利瑞利-瓊斯公式瓊斯公式: :18901890年，瑞利和瓊斯將經(jīng)典的電磁年，瑞利和瓊斯將經(jīng)典的電磁理論和分子運(yùn)動(dòng)論中的能均分定理應(yīng)用到熱輻射中，理論和分子運(yùn)動(dòng)論中的能均分定理應(yīng)用到熱輻射中， 但沿用經(jīng)典物理概念（如經(jīng)典電磁輻射理論和能量均分定理）去推導(dǎo)一個(gè)符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律的黑體單色輻出度函數(shù) 均遇到困難。瑞利瓊斯推導(dǎo)結(jié)果是（瑞利瓊斯公式）當(dāng)時(shí)，即波長向短波（紫外）方向不斷變短時(shí)，則 經(jīng)典物理概念竟然得出如此荒唐的結(jié)論，物理學(xué)史上稱之為 “ 紫外災(zāi)難 ” 。 黑體輻射問題所處的困境成為十九世末“物理學(xué)天空中的一朵烏云”，但它卻孕育著一個(gè)新物

15、理概念的誕生。* *維恩公式維恩公式: : 應(yīng)用類似于麥克斯韋速率分布方法應(yīng)用類似于麥克斯韋速率分布方法. .TcecTe2510,在短波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)相附合在短波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)相附合, ,在長波區(qū)有較大偏離在長波區(qū)有較大偏離. .),(0Te實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)瑞利瑞利- -瓊斯瓊斯維恩理論值維恩理論值T=1646k用經(jīng)典理論解釋熱輻射的問題碰到了困難用經(jīng)典理論解釋熱輻射的問題碰到了困難-向物理學(xué)理向物理學(xué)理論大廈飛來的一朵烏云論大廈飛來的一朵烏云! !為了擺脫困境，普朗克提出了與經(jīng)典理論相背離的為了擺脫困境，普朗克提出了與經(jīng)典理論相背離的“輻射體能量量子化輻射體能量量子化” ” 假設(shè)假設(shè), ,在此基礎(chǔ)上終于找

16、到了與實(shí)在此基礎(chǔ)上終于找到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合的絕對(duì)黑體單色輻出度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。驗(yàn)結(jié)果完全符合的絕對(duì)黑體單色輻出度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 將同溫度下的實(shí)驗(yàn)曲線、瑞利瓊斯公式和維恩公式的函數(shù)曲線繪制于同一圖中 普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947)德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。人。 普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，19001900年年1212月月1414日他在德國物理學(xué)會(huì)上，宣讀日他在德國物理學(xué)會(huì)上，宣讀了以了以關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論關(guān)于正常光譜中

17、能量分布定律的理論為題的論文，提出了能量的量子化假設(shè)，并為題的論文，提出了能量的量子化假設(shè)，并導(dǎo)出了黑體輻射的能量分布公式。這是物理導(dǎo)出了黑體輻射的能量分布公式。這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。勞厄稱這一天為理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。勞厄稱這一天為“量量子論的誕生日子論的誕生日”。19181918年普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了年普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)金。諾貝爾獎(jiǎng)金。能量子假設(shè)19001900年年1212月月2424日，普朗克在日，普朗克在關(guān)于正常光譜的能量分布定律的理論關(guān)于正常光譜的能量分布定律的理論一文中

18、提出能量量子化假設(shè)，量子論誕生。一文中提出能量量子化假設(shè)，量子論誕生。組成黑體腔壁的分子或原子可視為帶電的線性組成黑體腔壁的分子或原子可視為帶電的線性諧振子；諧振子；稱為普朗克常量稱為普朗克常量這些諧振子和空腔中的輻射場(chǎng)相互作用過程中吸這些諧振子和空腔中的輻射場(chǎng)相互作用過程中吸收和發(fā)射的能量是量子化的，只能取一些分立收和發(fā)射的能量是量子化的，只能取一些分立值：值：e e , 2 2 e e , ，n e e ;頻率為頻率為的諧振子，吸收和發(fā)射能量的最小值的諧振子，吸收和發(fā)射能量的最小值 e e h n n稱為能量子（或量子）稱為能量子（或量子）h = 6.6310 J s - 34 1900年

19、10月19日，德國物理學(xué)家普朗克提出了一個(gè)描述黑體單色輻出度分布規(guī)律的數(shù)學(xué)公式，光在真空中的速率玻耳茲曼常量普朗克常量數(shù)值為 6.6310 J s - 34并很快被檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。其波長表達(dá)式為理論曲線波波 長長 10 m- 6002431E ( T )oo10 W m m11-1-21 2 3 4 5 2 0 0 0 K1 7 5 0 K1 5 0 0 K1 0 0 0 KE (T) = o 2phc52ehck T11單色輻出度函數(shù)及曲線單色輻出度函數(shù)及曲線線線普朗克的黑體普朗克的黑體112,520pkThcehcTe瑞利瑞利-瓊斯公式和維恩公式是瓊斯公式和維恩公式是普朗克公式普朗克公

20、式在長波和短波在長波和短波區(qū)域的極限區(qū)域的極限. .),(0Te實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)維恩理論值維恩理論值T=1646k瑞利瑞利- -瓊斯瓊斯普朗克理論值普朗克理論值證明證明: : 當(dāng)波長很長時(shí)當(dāng)波長很長時(shí), ,kThcnnnkThckThkTheekThkThc1111kTckThchcTe4520212,pp瑞利瑞利瓊斯公式瓊斯公式112,520pkThcehcTe當(dāng)波長很短時(shí)當(dāng)波長很短時(shí), ,1kThkThceen普朗克公式簡化為普朗克公式簡化為pTckThcecehcTe2515202,維恩公式維恩公式khcchcc221;2p112,520pkThcehcTe根據(jù)普朗克的觀點(diǎn)，諧振子的能量是量子化

21、的。但是根據(jù)普朗克的觀點(diǎn)，諧振子的能量是量子化的。但是經(jīng)典力學(xué)在處理宏觀振子能量時(shí)經(jīng)典力學(xué)在處理宏觀振子能量時(shí), ,均按連續(xù)分布來處理，均按連續(xù)分布來處理， 為什么沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤呢為什么沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤呢？ 例題例題 一個(gè)彈簧振子，振子的質(zhì)量一個(gè)彈簧振子，振子的質(zhì)量M M為為1.0kg , 1.0kg , 彈簧的彈簧的據(jù)普朗克能量量子化條件，求量子數(shù)據(jù)普朗克能量量子化條件，求量子數(shù)n.n.；若量子數(shù)；若量子數(shù)n n改改變一個(gè)單位，系統(tǒng)的能量改變的百分比有多大？變一個(gè)單位，系統(tǒng)的能量改變的百分比有多大？ 勁度勁度 K K等于等于20N/m20N/m，系統(tǒng)振動(dòng)的振幅，系統(tǒng)振動(dòng)的振幅A A等于等于1.0c

22、m1.0cm，根，根根據(jù)普朗克能量量子化條件，振子的能量根據(jù)普朗克能量量子化條件，振子的能量nnhEn聯(lián)立式聯(lián)立式得量子數(shù)得量子數(shù)JkAE32100 . 121nnhEn303432101 . 271. 010626. 6100 . 121nhkAn 解解: : 彈簧的固有頻率彈簧的固有頻率Hzmk71. 021pn按經(jīng)典力學(xué)觀點(diǎn)，振子的能量按經(jīng)典力學(xué)觀點(diǎn)，振子的能量JkAE32100 . 121可以看出，相對(duì)于宏觀振子，其量子數(shù)可以看出，相對(duì)于宏觀振子，其量子數(shù)n n甚大、甚大、 能級(jí)能級(jí)差很小差很小, , 振動(dòng)系統(tǒng)能量的分立特性不明顯。因此在經(jīng)振動(dòng)系統(tǒng)能量的分立特性不明顯。因此在經(jīng)典力學(xué)中

23、，可視宏觀振子的能量是連續(xù)變化的。典力學(xué)中，可視宏觀振子的能量是連續(xù)變化的。 當(dāng)量子數(shù)當(dāng)量子數(shù)n n改變一個(gè)單位，振動(dòng)系統(tǒng)的能量改變的百改變一個(gè)單位，振動(dòng)系統(tǒng)的能量改變的百分比為分比為303010101 . 21nnEE由于普朗克公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符，這說明普朗克由于普朗克公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符，這說明普朗克的的“能量量子化能量量子化”假設(shè)是正確的，即輻射體的能量是量假設(shè)是正確的，即輻射體的能量是量子化的。普朗克的子化的。普朗克的“能量量子化能量量子化”假設(shè)不僅圓滿地解釋假設(shè)不僅圓滿地解釋后來人們將普朗克提交論文的（后來人們將普朗克提交論文的（19001900年年1212月月1414日）日）

24、章章量子論從此誕生了。量子論從此誕生了。了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，同時(shí)為物理學(xué)開創(chuàng)了新的篇了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，同時(shí)為物理學(xué)開創(chuàng)了新的篇貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). . 這一天定為量子力學(xué)的誕辰日。于這一天定為量子力學(xué)的誕辰日。于19181918年普朗克獲諾年普朗克獲諾 普朗克在處理絕對(duì)黑體的熱輻射問題上，其方法是十分普朗克在處理絕對(duì)黑體的熱輻射問題上，其方法是十分成功的。但是還存在著一個(gè)需要解決的矛盾，成功的。但是還存在著一個(gè)需要解決的矛盾，思考：是什么矛盾？思考：是什么矛盾？ 輻射體與輻射場(chǎng)之間是以量子化的形式交換能量輻射體與輻射場(chǎng)之間是以量子化的形式交換能量, ,但輻射場(chǎng)的能量卻又是連續(xù)變化但

25、輻射場(chǎng)的能量卻又是連續(xù)變化. .愛因斯坦看到了這種不協(xié)調(diào)，于愛因斯坦看到了這種不協(xié)調(diào)，于19051905年提出電磁場(chǎng)年提出電磁場(chǎng)能量量子化假設(shè)，從而揭露了能量量子化假設(shè)，從而揭露了光的波粒二象性。光的波粒二象性。當(dāng)人們面對(duì)普朗克提出當(dāng)人們面對(duì)普朗克提出“能量子能量子”這個(gè)史無前例的全新這個(gè)史無前例的全新概念還無法接受之時(shí)，愛因斯坦卻應(yīng)用并推廣了普朗克概念還無法接受之時(shí)，愛因斯坦卻應(yīng)用并推廣了普朗克的量子概念，進(jìn)一步提出了輻射場(chǎng)能量量子化的設(shè)想，的量子概念，進(jìn)一步提出了輻射場(chǎng)能量量子化的設(shè)想，即電磁波是由即電磁波是由“光量子光量子”構(gòu)成的（普朗克的構(gòu)成的（普朗克的“能量子能量子”和愛和愛因斯坦的

26、因斯坦的“光量子光量子”后來被統(tǒng)一命名為后來被統(tǒng)一命名為“光子光子”）。）。 根據(jù)根據(jù)“光量子光量子”的假設(shè)，很成功地解釋了光電效應(yīng)的實(shí)的假設(shè)，很成功地解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。驗(yàn)規(guī)律。黑體例一490 nm2.89810_349010_95.91103( K )5.6710 (5.9110 )_83 476.9210( W m )_2第二節(jié)11 - 2麥克斯韋的電磁理論預(yù)言電磁波存在麥克斯韋的電磁理論預(yù)言電磁波存在,1887,1887年赫茲用實(shí)年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波存在。在實(shí)驗(yàn)中赫茲發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象：當(dāng)驗(yàn)證實(shí)了電磁波存在。在實(shí)驗(yàn)中赫茲發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象：當(dāng)用紫外光照射檢波器上其中一個(gè)小球時(shí)用紫外光照射

27、檢波器上其中一個(gè)小球時(shí), ,二個(gè)小球之間出二個(gè)小球之間出現(xiàn)跳火現(xiàn)跳火. .這一現(xiàn)象引起物理學(xué)界許多人的興趣這一現(xiàn)象引起物理學(xué)界許多人的興趣. .驗(yàn)驗(yàn)電電器器鋅片鋅片( (負(fù)電負(fù)電) )紫外光照射紫外光照射 中性中性放電放電金屬金屬( (電中性電中性) )光光帶正電帶正電光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 光束射到金屬表面使光束射到金屬表面使電子從金屬中脫出的現(xiàn)電子從金屬中脫出的現(xiàn)象稱為象稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱光強(qiáng)較弱頻率頻率 相同相同飽和光電流飽和光電流飽和光電流飽和光電流 即光電子恰即光電子恰被遏止，不能到達(dá)陽極。光電子被遏止，不能到達(dá)陽極。光電子最大初動(dòng)能可用遏止電勢(shì)差與電最大初動(dòng)能可用

28、遏止電勢(shì)差與電子電荷乘積的大小來量度。子電荷乘積的大小來量度。U = - U i = 0a時(shí)時(shí) 實(shí)驗(yàn)基本規(guī)律 飽和光電流飽和光電流與光強(qiáng)成正比。與光強(qiáng)成正比。在飽和狀態(tài)下，單位時(shí)間由陰極在飽和狀態(tài)下，單位時(shí)間由陰極發(fā)出的光電子數(shù)與光強(qiáng)成正比。發(fā)出的光電子數(shù)與光強(qiáng)成正比。 光束射到金屬表面使電子從金屬中脫出的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱頻率 相同飽和光電流飽和光電流U = - U i = 0a時(shí) 光 即光電子恰被遏止，不能到達(dá)陽極。光電子最大初動(dòng)能等于 反向電場(chǎng)力的功 軸截距軸截距 稱為稱為截止頻率截止頻率或或紅限紅限， ，入射光頻，入射光頻率小于截止頻率時(shí)無論光率小于截止頻率時(shí)無論光 強(qiáng)

29、多強(qiáng)多大都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。每種大都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。每種金屬有自己的截止頻率。金屬有自己的截止頻率。 時(shí)無論光強(qiáng)多弱，時(shí)無論光強(qiáng)多弱，光照與電子逸出光照與電子逸出幾乎同時(shí)幾乎同時(shí)發(fā)生發(fā)生。 遏止電勢(shì)差遏止電勢(shì)差的大小與入射光的大小與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。與材料與材料與材料與材料無關(guān)的普適常量無關(guān)的普適常量有關(guān)的常量有關(guān)的常量即即 光電子最大初動(dòng)能隨入射光頻率光電子最大初動(dòng)能隨入射光頻率增大而線性增大，與光強(qiáng)無關(guān)。增大而線性增大，與光強(qiáng)無關(guān)。波動(dòng)理論的困難光量子理論光子能、質(zhì)、動(dòng)量式光電效應(yīng)方程00WhAn紅限、逸出功數(shù)據(jù)表金 屬 截止頻率（10 Hz）14逸出功（eV)金 屬 截止頻率（10 Hz）14逸出功（eV)某些金屬和半導(dǎo)體的截止頻率（紅限）及逸出功某些金屬和半導(dǎo)體的截止頻率（紅限）及逸出功 鎢 W 10.97 4.54 鈣 Ca 6.55 2.71 鈉 Na 5.53 2.29 鉀 K 5.43 2.25 銣 Rb 5.15 2.13 銫 Cs 4.69 1.94 鈾 U 8.76 3.63 鉑 Pt 15.28 6.33 銀 Ag 11.5