醫(yī)用物理學第十三章-光的粒子性-課件

第十三章光的粒子性§13-1黑體輻射§13-2光電效應§13-3波粒二象性§12-4激光第十三章光的粒子性§13-1黑體輻射

在上世紀(指20世紀--編者注）初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，這就是狹義相對論（1905年）、廣義相對論（1916年）和量子力學（1925年）。－楊振寧

經(jīng)典物理（18－19

世紀）

牛頓力學熱力學經(jīng)典統(tǒng)計力學經(jīng)典電磁理論

19世紀末趨于完善海王星的發(fā)現(xiàn)（Leverrier,1846）

“不必向天空看一眼就發(fā)現(xiàn)了這顆新行星”

“是在Leverrier的筆尖下看到的，····”電磁理論解釋了波動光學開爾文：大廈基本建成

···

兩朵烏云經(jīng)典物理（18－19世紀）海王星

M－M實驗黑體輻射相對論量子論

量子力學這兩朵烏云開出近代物理的鮮花可謂撥開烏云見鮮花M－M實驗相對論這兩朵烏云開出近代物理的鮮花可謂撥開烏近代物理（20世紀）

相對論

1905

狹義相對論

1916

廣義相對論－引力、天體

量子力學

A舊量子論的形成（沖破經(jīng)典－量子假說）

1900Planck

振子能量量子化

1905Einstein

電磁輻射能量量子化

近代物理（20世紀）

1913N.Bohr

原子能量量子化B、量子力學的建立（嶄新概念）

1923deBroglie

電子具有波動性

1926-27Davisson,G.P.Thomson

電子衍射實驗

1925Heisenberg

矩陣力學

1926Schroedinger

波動方程

1928Dirac

相對論波動方程1913N.Bohr原子能量量子化

C、量子力學的進一步發(fā)展（應用、發(fā)展）量子力學原子、分子、原子核、固體量子電動力學(QED)電磁場量子場論原子核和粒子進一步認識的問題．．．．

量子信息－－新的信息科學的興起C、量子力學的進一步發(fā)展（應用、發(fā)展）經(jīng)典理論遇到的挑戰(zhàn)由于分子熱運動導致物體輻射電磁波溫度不同時輻射的波長分布不同例如：鐵塊溫度

從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射熱輻射---熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程熱輻射19世紀末20世紀初德國尋找新能源經(jīng)典理論遇到的挑戰(zhàn)由于分子熱運動導致物體輻射電磁波例如：對熱輻射的初步認識任何物體任何溫度均存在熱輻射熱輻射譜是連續(xù)譜熱輻射譜與溫度有關(guān)溫度

發(fā)射的能量電磁波的短波成分如一個20瓦的白熾燈和一個200瓦的白熾燈昏黃色賊亮刺眼對熱輻射的初步認識任何物體任何溫度均存在熱輻射溫度發(fā)射的第一節(jié)黑體輻射

一、熱輻射的基本概念1.熱輻射：thermalradiation由熱運動引起的輻射現(xiàn)象稱為熱輻射任何物體在任何溫度下都在進行熱輻射物體當輻射出去的電磁波的能量（又稱輻射能）等于它同時間內(nèi)吸收的輻射能，物體的溫度保持不變，這種熱輻射稱為平衡熱輻射。

第一節(jié)黑體輻射一、熱輻射的基本概念

2、輻出度：又稱輻射本領(lǐng)(emissionpower)處于熱平衡態(tài)下的物體，在一定溫度下和一定時間間隔內(nèi)，從其表面的一定面積上發(fā)射的能量具有確定的量值。定義單位時間單位面積上的輻射能，稱輻出度，用M表之。輻出度不但與溫度有關(guān)，還與輻射的波長有關(guān)。對某一色光的輻出度稱為單色輻出度，記為M=M(T)。

若對于波長在—+d范圍內(nèi)的電磁波的輻出度為dM,則單色輻出度定義為2、輻出度：又稱輻射本領(lǐng)(emission3、物體的吸收本領(lǐng)，又稱吸收率a，單色吸收率a(T)(monochromaticabsorbingpower)3、物體的吸收本領(lǐng)，又稱吸收率a，單色吸收率a(T)如果一個物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對黑體，簡稱黑體Blackbody。如果一個物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱二、基爾霍夫定律(kirchhoff’’slawofradiation)1859年基爾霍夫發(fā)現(xiàn)：不同物體無論是輻射本領(lǐng)還是吸收本領(lǐng)可能存在很大的差異，但對某一物體而言，其輻射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng)的比值成簡單關(guān)系：即輻射本領(lǐng)大的物體其吸收本領(lǐng)也大，其比值與物體本身的性質(zhì)無關(guān)，對所有的物體，這個比值是波長和溫度的普適函數(shù)。二、基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律三、黑體輻射實驗定律三、黑體輻射實驗定律黑體輻射實驗分光儀器檢測加熱黑體輻射實驗分光儀器檢測加熱黑體輻射的能量分布曲線0123456(μm)6000K5000K4000K3000K黑體輻射的能量分布曲線01黑體輻射定律1、定律斯特藩-玻爾茲曼曲線下的總面積與溫度的四次方成正比2、維恩位移定律

最大波長m與溫度成反比表式斯特藩玻爾茲曼定律維恩位移定律黑體輻射定律斯特藩玻爾茲曼定律維恩位移定律實驗值維恩瑞利--金斯紫外災難普朗克量子假設實驗值維恩瑞利--金斯紫外災難普朗克量子假設英國人LordRayleigh1842-1919氬的發(fā)現(xiàn)1904年諾貝爾物理學獎獲得者

——瑞利英國人1904年諾貝爾物理學獎獲得者

1911年諾貝爾物理學獎獲得者——維恩德國人WilhelmWien1864-1928熱輻射定律的發(fā)現(xiàn)維恩公式在高頻段與實驗曲線符合得很好，但在低頻段明顯偏離實驗曲線。1911年諾貝爾物理學獎獲得者——維恩德國人普朗克量子假設：1、諧振子能量的量子化假設分子、原子視為帶電的諧振子吸收和輻射電磁波。諧振子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，處于某一最小能量的整數(shù)倍E=n，最小能量與諧振子的頻率成正比。即＝h,

稱為能量子，簡稱量子,h稱為普朗克常數(shù)。普朗克量子假設：普朗克量子假設：

2、諧振子與外界能量交換的量子化假設在發(fā)射和吸收能量時，只能以能量子形式進行普朗克量子假設：

普朗克能量子假設重要意義在于第一次指出經(jīng)典理論不能應用于原子現(xiàn)象。假設的提出標志著人類對自然規(guī)律的認識從宏觀領(lǐng)域進入到微觀領(lǐng)域。醫(yī)用物理學第十三章-光的粒子性-課件M.V.普朗克(德國)研究輻射的量子理論，發(fā)現(xiàn)基本量子，1900年提出能量量子化的假設，揭開了近代物理的序幕，開創(chuàng)了近代物理新紀元。1918諾貝爾物理學獎M.V.普朗克(德國)1918諾貝爾物理學獎紅外夜視儀紅外夜視儀紅外夜視圖紅外夜視圖紅外照相機拍攝的人的頭部的熱圖熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色紅外照相機拍攝的人的頭部的熱圖熱的地方顯白色，冷的地運動時各部分溫度的分布運動時各部分溫度的分布5）普朗克的能量子假說—突破了經(jīng)典的框架1900.10.19

普朗克在德國物理學會會議上提出一個黑體輻射公式M.Planck

德國人1858－19475）普朗克的能量子假說—突破了經(jīng)典的框架1900.10.19光電效應光照射到金屬表面時，有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象光電子由K飛向A，回路中形成光電流。OOOOOOOO第二節(jié)光電效應一、光電效應photoelectriceffect

光電子逸出的電子phtoto-eletron

。光電效應光照射到金屬表面時，有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象光光電效應伏安特性曲線飽和電流光強較強光強較弱截止電壓實驗規(guī)律1、單位時間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)與入射光的強度成正比。2、存在遏止電勢差光電子初動能隨入射光頻率線性改變，與入射光強無關(guān)光電效應伏安特性曲線飽光強較強光強較弱截實驗規(guī)律對于給定的金屬，當照射光頻率小于金屬的紅限頻率，則無論光的強度如何，都不會產(chǎn)生光電效應。(4)光電效應瞬時響應性質(zhì)實驗發(fā)現(xiàn)，無論光強如何微弱，從光照射到光電子出現(xiàn)只需要的時間。對于給定的金屬，當照射光頻率小于金屬的紅限頻率，則無論光的強二、愛因斯坦光子假說光是以光速c運動的微粒流，稱為光量子（光子）(Lightquantum)photon光子的能量金屬中的自由電子吸收一個光子能量h以后，一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功A

，一部分轉(zhuǎn)化為光電子的動能。愛因斯坦光電效應方程二、愛因斯坦光子假說光是以光速c運動的微粒流，稱為光量子3.從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關(guān)系。愛因斯坦對光電效應的解釋2.電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以無須時間的累積。1.光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。3.從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率愛因斯坦對光電例根據(jù)圖示確定以下各量1、鈉的紅限頻率2、普朗克常數(shù)解：由愛因斯坦方程其中截止電壓與入射光頻關(guān)系鈉的截止電壓與入射光頻關(guān)系例根據(jù)圖示確定以下各量解：由愛因斯坦方程其中截止電壓與入從圖中得出從圖中得出鈉的截止電壓與入射光頻關(guān)系從圖中得出從圖中得出鈉的截止電壓與普朗克常數(shù)鈉的截止電壓與入射光頻關(guān)系普朗克常數(shù)鈉的截止電壓與三、光子的質(zhì)量與動量根據(jù)狹義相對論的質(zhì)能關(guān)系光子的質(zhì)量光子的動量光的波粒二象性三、光子的質(zhì)量與動量根據(jù)狹義相對論的質(zhì)能關(guān)系光子A.愛因斯坦對近代物理方面的貢獻，特別是闡明光電效應的定律1921諾貝爾物理學獎A.愛因斯坦1921諾貝爾物理學獎第三節(jié)光的波粒二象性一、康普頓效應二、光的波粒二象性三、實物粒子的波粒二象性第三節(jié)光的波粒二象性一、康普頓效應一、康普頓效應A.H.Comptoneffect

1923年間康普頓觀察X射線通過物質(zhì)散射時，發(fā)現(xiàn)散射的波長發(fā)生變化的現(xiàn)象。X射線管光闌石墨體（散射物）θ探測器一、康普頓效應A.H.Comptoneffect石墨的康普頓效應........................................................................................(a)(b)(c)(d)(埃)0.7000.7501.散射X射線的波長中有兩個峰值與散射角有關(guān)3.不同散射物質(zhì)，在同一散射角下波長的改變相同。4.波長為的散射光強度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而減小。石.............................光子理論對康普頓效應的解釋高能光子和低能自由電子作彈性碰撞的結(jié)果。

1、若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,光子的能量減少，因此波長變長，頻率變低。2、若光子和內(nèi)層電子相碰撞時，碰撞前后光子能量幾乎不變，故波長有不變的成分。3、因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。光子理論對康普頓效應的解釋高能光子和低能自由電子作彈性碰撞的醫(yī)用物理學第十三章-光的粒子性-課件醫(yī)用物理學第十三章-光的粒子性-課件醫(yī)用物理學第十三章-光的粒子性-課件意義：說明了光量子理論能很好地解釋康普頓效應現(xiàn)象；證明了光子和實物粒子一樣具有能量和動量，具有粒子性。意義：1927諾貝爾物理學獎A.H.康普頓

發(fā)現(xiàn)了X射線通過物質(zhì)散射時，波長發(fā)生變化的現(xiàn)象1927諾貝爾物理學獎A.H.康普頓二、光的波粒二象性表示粒子特性的物理量波長、頻率是表示波動性的物理量表示光子不僅具有波動性，同時也具有粒子性，即具有波粒二象性。光子是一種基本粒子，在真空中以光速運動二、光的波粒二象性表示粒子特性的物理量波長、頻率是表示波動性三、物質(zhì)的波粒二象性德布羅意假設1924年提出：在光學的研究中只注重了它的波動性，而忽視了它的粒子性。而在實物粒子的問題中是否會發(fā)生相反的錯誤，即過分注重了它的粒子性，而忽略了它的波動性呢？他認為：實物粒子也應有波粒二象性。且也滿足下面二式：三、物質(zhì)的波粒二象性德布羅意假設實物粒子的波粒二象性公式實物粒子的醫(yī)用物理學第十三章-光的粒子性-課件一些粒子在不同速度時的波長一些粒子在不同速度時的波長電子衍射

1927年C.Davision和L.Germer用電子束作鎳單晶散射實驗時觀察到了類似于X射線衍射的電子衍射，證實了電子的波動性。同年G.P.Thomson用600eV的電子束入射厚為10-7m的金箔得到了電子的衍射圖樣。電子衍射L.V.德布羅意電子波動性的理論研究1929諾貝爾物理學獎L.V.德布羅意1929諾貝爾物理學獎C.J.戴維孫通過實驗發(fā)現(xiàn)晶體對電子的衍射作用1937諾貝爾物理學獎C.J.戴維孫1937諾貝爾物理學獎三、物質(zhì)波的統(tǒng)計解釋物質(zhì)波是什么波？如何定量描述它？1926年M.Born提出了他的統(tǒng)計解釋：物質(zhì)波是概率波，對它可以用波函數(shù)Ψ來描述。Ψ是概率幅。

三、物質(zhì)波的統(tǒng)計解釋

M.玻恩對量子力學的基礎研究，特別是量子力學中波函數(shù)的統(tǒng)計解釋1954諾貝爾物理學獎M.玻恩1954諾貝爾物理學獎定態(tài)薛定諤方程薛定諤方程定態(tài)薛定諤方程薛定諤W.海森堡創(chuàng)立量子力學，并導致氫的同素異形的發(fā)現(xiàn)1932諾貝爾物理學獎W.海森堡1932諾貝爾物理學獎E.薛定諤量子力學的廣泛發(fā)展1933諾貝爾物理學獎E.薛定諤1933諾貝爾物理學獎48個Fe原子形成“量子圍欄”，圍欄中的電子形成駐波.48個Fe原子形成“量子圍欄”，圍欄中的電子形成駐波.第四節(jié)激光laser一、激光的產(chǎn)生機制二、激光的特性三、激光的生物效應四、激光的醫(yī)學應用第四節(jié)激光laser一、激光的產(chǎn)生機制激光器-----受激輻射光放大器LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLASER1917年愛因斯坦首先提出分子、原子的受激輻射概念，奠定了激光器的理論基礎1958年美國第一臺紅寶石激光器誕生1960年我國第一臺紅寶石激光器誕生激光器-----受激輻射光