高二物理競(jìng)賽量子光學(xué) 課件

量子光學(xué)

量子力學(xué)

物理學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)

第19章第20章第21章第五篇量子物理第19章量子光學(xué)19.1黑體輻射19.2光電效應(yīng)19.3康普頓效應(yīng)

第19章量子光學(xué)

光的波動(dòng)理論成功地解釋了光的干涉、衍射、偏振及在晶體中的行為。到了十九世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)了光與電子、原子相互作用的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如黑體輻射、光電效應(yīng)，它們的實(shí)驗(yàn)規(guī)律用經(jīng)典物理理論不能給出圓滿的解釋。通過對(duì)這些現(xiàn)象的深入研究，引進(jìn)了量子化的概念，指出光存在另一種特性——粒子性，引發(fā)了量子理論的誕生和發(fā)展。量子理論的產(chǎn)生

19.1黑體輻射19.1.1熱輻射

實(shí)驗(yàn)表明，一切物體均以電磁波的形式向外輻射能量。一、熱輻射

熱輻射的特點(diǎn)：①消耗物體的內(nèi)能而實(shí)現(xiàn)電磁波的輻射；②固體和液體在任何溫度下都可以進(jìn)行熱輻射；③單位時(shí)間內(nèi)輻射的能量與波長(zhǎng)、溫度以及物體的性質(zhì)關(guān)；④熱輻射的電磁波是連續(xù)的。

平衡熱輻射:輻射和吸收的能量恰好相等時(shí)，物體和輻射場(chǎng)就處于溫度一定的平衡態(tài)，平衡態(tài)下的輻射稱為平衡熱輻射。三、單色輻出度：二、輻出度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位表面積上所輻射出的各種波長(zhǎng)的輻射總能量，用

E（T)

表示。

單位時(shí)間、單位表面積上所輻射出的在波長(zhǎng)附近單位波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的能量。

19.1黑體輻射此時(shí)輻射輻出度與單色輻出度的關(guān)系為：

19.1黑體輻射開一小孔對(duì)空腔加熱至某熱平衡溫度對(duì)空腔加熱至某熱平衡溫度不透明材料空腔不透明材料空腔TT19.1.2黑體的輻射定律吸收系數(shù)

反射系數(shù)對(duì)于非透明物體一、物體的吸收與反射

19.1黑體輻射

實(shí)驗(yàn)表明：不同的材料，輻射能力和吸收能力不同。輻射能力強(qiáng)的物體吸收能力也強(qiáng)。

在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與吸收系數(shù)之比應(yīng)該相同，是一個(gè)與材料和形狀無關(guān)而僅與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)的普適函數(shù)：

19.1黑體輻射對(duì)于黑體對(duì)某種物體，若有則稱該物體為黑體

實(shí)際上黑體就是能在任何溫度下完全吸收輻射在它表面上的電磁波的物體。

黑體的單色輻出度就是這個(gè)普適函數(shù)，研究黑體的單色輻出度規(guī)律目的是為了找出這個(gè)普適函數(shù)。

19.1黑體輻射T熱電偶平行光管絕對(duì)黑體三棱鏡

黑體單色輻出度按波長(zhǎng)分布的實(shí)驗(yàn)裝置二、黑體熱輻射的規(guī)律

在平衡態(tài)下，黑體輻射的能量?jī)H是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，利用分光技術(shù)可測(cè)出一定溫度下的單色輻出度的曲線。

19.1黑體輻射

黑體在不同溫度下的單色輻出度實(shí)驗(yàn)曲線如圖1700k1500k1300k

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)m向短波方向移動(dòng)。m

19.1黑體輻射1、維恩位移定律

在平衡態(tài)下黑體輻射單色輻出度的最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度之積是一常數(shù)。稱為維恩位移定律常數(shù)1700k1500k1300km

19.1黑體輻射

2、斯忒藩(Stefan)-玻耳茲曼定律Stefan根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出黑體的輻出度與溫度有以下關(guān)系稱為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)

19.1黑體輻射

例15-1由測(cè)量得到太陽(yáng)輻射譜的峰值處在計(jì)算太陽(yáng)的表面溫度和單位表面積上所輻射的功率；如太陽(yáng)的輻射是常數(shù)，其直徑，求太陽(yáng)在一年內(nèi)由于輻射而損失的質(zhì)量。解：將太陽(yáng)看作黑體由

得

太陽(yáng)的表面溫度

19.1黑體輻射太陽(yáng)單位表面積上所輻射的功率即太陽(yáng)輻出度一年內(nèi)輻射的能量由得太陽(yáng)的質(zhì)量

19.1黑體輻射

黑體輻射的理論研究涉及熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和電磁學(xué)，因而成為19世紀(jì)末物理學(xué)家研究的中心問題之一。

許多物理學(xué)家都企圖從經(jīng)典理論導(dǎo)出黑體的單色輻出度的理論公式，但始終得不到滿意的結(jié)果。

（1）維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出維恩曲線

19.1黑體輻射

維恩理論值在短波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)值符合得很好,長(zhǎng)波方向與實(shí)驗(yàn)值不符。瑞利-金斯曲線

（2）瑞利和金斯用能量均分定理和電磁理論得出

該式只適于長(zhǎng)波，趨于短波時(shí)偏離較大。T=1646k被稱為“紫外災(zāi)難”。￥??)00Te，（時(shí)ll

19.1黑體輻射19.1.3普朗克能量子假說

德國(guó)物理學(xué)家普朗克為了解決上述問題，通過分析和深入研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典理論不適用于原子性的微觀振動(dòng),通過對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線的分析，給出了黑體單色輻出度公式

該式的理論值與實(shí)驗(yàn)值符合得非常很好。但是，該式要從理論上能夠?qū)С?，能量只能取分立值，即能量是不連續(xù)的，并且能量的最小單元=h

。這在當(dāng)時(shí)是與經(jīng)典物理學(xué)相矛盾的。

19.1黑體輻射為了能從理論上將上式導(dǎo)出，普朗克提出了能量子假說。1、原子振動(dòng)的能量是不連續(xù)的,只能取ε，2ε，3ε，……nε等離散值,其中ε稱為能量子.普朗克能量子假說

2、能量子ε與振動(dòng)頻率成正比:=h

其中h=6.6310-34焦耳秒,稱為普朗克常數(shù)。

3、振動(dòng)的原子在輻射和吸收能量時(shí),是以ε為單元一份一份地進(jìn)行.

19.1黑體輻射

在普朗克能量子假說的基礎(chǔ)上，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論從理論上導(dǎo)出了黑體的單色輻出度公式其中k、c分別是玻爾茲曼常數(shù)和真空中的光速。

19.1黑體輻射λ較小時(shí)可以得出維恩公式λ較大時(shí)可以得出瑞利—金斯公式

19.1黑體輻射

普朗克能量子的假說圓滿地解釋了黑體的輻射問題。

普朗克在能量子假設(shè)的基礎(chǔ)上給出的上式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常符合。實(shí)驗(yàn)曲線T=1646k普朗克曲線

19.1黑體輻射

19.2光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律紫外光真空陰極陽(yáng)極石英窗UGAKkk1、實(shí)驗(yàn)裝置2、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)紫外線照射在陰極時(shí)，電路接通后有電流通過，稱為光電流IS

。3、實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)當(dāng)入射頻率不變時(shí)，飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正。IS=Ne（2）光電子的初動(dòng)能與入射光頻率有關(guān)。Ua3Ua2Ua1312UIIS0相同入射光強(qiáng)度，不同頻率。

存在遏止電壓Ua。-Ua12UIIS20相同頻率，不同入射光強(qiáng)度。光強(qiáng)光弱IS1

19.2光電效應(yīng)

對(duì)于給定金屬，實(shí)驗(yàn)指出遏止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系。金屬普適常量與金屬有關(guān)常量（3）對(duì)給定金屬，當(dāng)時(shí)，IS=0無光電效應(yīng)。（4）光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性，大約在10-9秒。紅限頻率0CSNaCa銫鈉鈣

19.2光電效應(yīng)*經(jīng)典認(rèn)為飽和電流應(yīng)該與光強(qiáng)成正比，光強(qiáng)越大，飽和電流應(yīng)該越大，光電子的初動(dòng)能也該越大，與光的頻率無關(guān)。但實(shí)驗(yàn)表明飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。二、經(jīng)典理論的困難：*只要頻率高于紅限頻率ν0

，既使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于紅限頻率時(shí)，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。而經(jīng)典認(rèn)為有無光電效應(yīng)不應(yīng)與頻率有關(guān)。

*瞬時(shí)性。經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，輻射到金屬表面。吸收能量需要時(shí)間，即能量需要一個(gè)積累的過程。

19.2光電效應(yīng)三、愛因斯坦的光量子理論1、愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論

認(rèn)為光不僅在與物質(zhì)相互作用時(shí)（發(fā)射和吸收）具有粒子性，而且在傳播過程中也具有粒子性。一個(gè)頻率為的光子具有的能量

光的能流密度：不僅取決于單位面積上的光子數(shù)n，還與入射光的頻率有關(guān)。

一束光就是一束以光速c運(yùn)動(dòng)著的粒子流。這些粒子稱為光量子，簡(jiǎn)稱光子。按照愛因斯坦的光量子理論可以圓滿解釋光電效應(yīng)。

19.2光電效應(yīng)2、光電效應(yīng)--------愛因斯坦解釋⑴光照射金屬，金屬中電子與光子發(fā)生相互作用，一個(gè)電子可一次性吸收一個(gè)光子的能量，不存在能量的積累，符合光電效應(yīng)的瞬時(shí)響應(yīng)性質(zhì)。⑵電子吸收光子的能量后，一部分用來克服逸出金屬表面時(shí)逸出功，另一部分成為逸出金屬后的初動(dòng)能，與頻率有關(guān)，與入射光強(qiáng)無關(guān)。愛因斯坦方程

19.2光電效應(yīng)⑷當(dāng)頻率一定時(shí)，由S=nhν得，光強(qiáng)越大，光電子數(shù)越多，即飽和電流與入射光強(qiáng)成正比。⑶由愛因斯坦方程，產(chǎn)生光電效應(yīng)的最小能量為在紅限頻率以下，無論光強(qiáng)有多大，都不會(huì)有電子逸出。

19.2光電效應(yīng)四、光的波粒二象性

光既有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。其波動(dòng)性用λ、ν表述，而粒子性用E、m、P表述。由光子假設(shè)：相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系：光子的能量、動(dòng)量和質(zhì)量為光子的質(zhì)量：光子的動(dòng)量：

19.2光電效應(yīng)

例15-2用波長(zhǎng)λ=589.3nm的鈉黃光照射在金屬銫上，可產(chǎn)生光電效應(yīng)。已知銫的逸出功A=1.9eV,試計(jì)算（1）鈉黃光光子的能量、質(zhì)量和動(dòng)量；（2）光電子的最大初速度；（3）銫的遏止電壓。解：（1）

19.2光電效應(yīng)（2）（3）

19.2光電效應(yīng)

19.3康普頓效應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)裝置X射線源7.1nm探測(cè)器石墨晶體準(zhǔn)直系統(tǒng)散射角C1C2A1A2WBS光譜儀I=0o0I=90o波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射稱為康普頓散射I=135o正常散射二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律

19.3康普頓效應(yīng)

*波長(zhǎng)的增加量與散射角有關(guān)。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

*康普頓散射的強(qiáng)度與散射物質(zhì)有關(guān)。原子量小的散射物質(zhì)，康普頓散射較強(qiáng).

經(jīng)典電磁理論只能說明有正常散射存在，即散射光的頻率與入射光頻率相等，而無法解釋波長(zhǎng)的變化。

經(jīng)典物理遇到的困難：

19.3康普頓效應(yīng)3、康普頓效應(yīng)的光子理論（3）忽略電子的熱運(yùn)動(dòng)，則電子可以認(rèn)為是靜止的。（2）光與物質(zhì)的相互作用可以看成是光子與電子的完全彈性碰撞。（1）頻率為v的X射線，可看成是光子流，其能量為

19.3康普頓效應(yīng)系統(tǒng)能量守恒：

系統(tǒng)動(dòng)量守恒：（1）(2)。。m0vm

19.3康普頓效