量子光学-1PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,量子光学-1,2、近年来的发展,粒子物理：,量子电动力学、重整化方法,天体物理,：,太阳中微子短缺问题,引力波存在的问题,物体的速度能否超过光速的问题,生物物理,有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、,X,射线、电子能谱和核磁共振,技术等）。,非平衡热力学及统计物理,3、物理学发展的趋向,学科之间的大综合,相互渗透结合成边缘学科,4、,从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题,1887,年的迈克耳孙,莫雷实验否定了绝对参考系的存在；,1900,年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓,“,紫外灾难,”,；,1896,年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物质的基本单元，原子是可分的。,原子是构成物质的基本单元；,能量是连续变化的。,量子力学的实验基础,量子光学,第十五章,19世纪末20世纪初,光与物质的相互作用,热辐射,光电效应,康普顿效应,光,光在传播过程中的表现,干涉,衍射,偏振,光的波动性,用光的经典电磁理论可以很好的解释,用光的经典电磁理论无法解释，,？,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学理论.,量子力学,宏观领域,经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相 对 论,量子力学,微观世界的理论,起源于对波粒二相性的认识,第一节,热辐射,15-1,热辐射,一、热辐射,任何物体,在任何温度下,都能辐射电磁波,物体辐射能量的多少,辐射能量按波长的分布,一定时间内,与物体的温度有关,这种与温度有关的辐射称为,热辐射,热辐射,定性图述,先定性粗略描述,某铁球,单位时间,单位面积,发射的辐射能,随铁球的温度变化,其辐射能按波长的分布情况亦发生变化,炽热状态,温度逐渐下降,可见光,红外线,紫外线,波长,曲线覆盖面积示意单位时间、单位面积,发射的各种波长的总辐射能,设某物体,单位时间,单位面积,l+l,在某波长,微区域,的辐射能为,定义,该物体对波长 的,单色辐射出射度,简称,单色辐出度,是辐射体的辐射波长 和热力学温度 的函数，,且与物体的材料及表面情况有关。,在一定温度下,辐出度,设某物体,单位时间,单位面积,l+l,在某波长,微区域,的辐射能为,定义,该物体对波长 的,单色辐射出射度,简称,单色辐出度,是辐射体的辐射波长 和热力学温度 的函数，,且与物体的材料及表面情况有关。,单色辐出度,从物体单位表面上辐射的各种波长的总辐射功率为,称为物体的辐射出射度，,简称,辐出度,其单位为,其单位为,单位时间的辐射能,单位面积 单位波长,我们周围的物体在不断地向外辐射能量，为什么物体的温度没有下降？,当一个物体在单位时间内从外界吸收的能量恰好等于物体因辐射,而消耗的能量时，该物体的温度保持恒定，这种状态下的热辐射,称为平衡热辐射,为定量描述物体吸收和反射外来辐射能量的能力,引入吸收系数和反射系数,物体吸收的能量,入射到物体表面总能量,吸收系数,物体反射的能量,入射到物体表面总能量,反射系数,在一定温度下,定义,该物体对波长 的,单色吸收系数,简称,单色吸收系数,T,l,T,l,T,l,定义,该物体对波长 的,单色反射系数,简称,单色反射系数,T,l,对于不透明物体,依据,的不同，物体可分为：,1.选择性吸收体：,在一定温度下，只对某些 或某段波长范围的辐射有明显吸收，对其他波长吸收很少。有色反光体,2.灰体：,单色吸收系数是一个常数，但小于1.,它对各种波长的辐射有同等程度的吸收和 反射.,3.绝对黑体：,在任何温度下均能全部吸收投射到它上面的辐射，即吸收系数为1，反射系数为0.,一般辐射的复杂性,不透明体,二、黑体辐射,外来各种波长的辐射能,反射某些波长的辐射能,吸收某些波长的辐射能,（随物而异）,发射各种波长的热辐射能,（故亦随物而异）,故一般物体的,研究显得较复杂。,实际物体热辐射的复杂性,但理论研究表明,各种同温物体,对同一波长辐射能的,单色吸收本领,单色发射本领,比值相同,而且都等于一个同温的,“黑体”对同一波长辐射,能的单色发射本领。,黑体辐射成为研究实际,物体热辐射问题的基础。,什么是黑体？,（随物而异）,黑体,不透明体,二、黑体辐射,外来各种波长的辐射能,反射某些波长的辐射能,吸收某些波长的辐射能,（随物而异）,（随物而异）,发射各种波长的热辐射能,（故亦随物而异）,故一般物体的,研究显得较复杂。,实际物体热辐射的复杂性,但理论研究表明,各种同温物体,对同一波长辐射能的,单色吸收本领,单色发射本领,比值相同,而且都等于一个同温的,“黑体”对同一波长辐射,能的单色发射本领。,黑体辐射成为研究实际,物体热辐射问题的基础。,什么是黑体？,假设有这样的物体,无任何反射,这种假设的物体称为黑体。,绝对理想的黑体,并不存在，但它是热辐射,的重要理论模型。,值得注意的是,实验室中常用的,黑体经典实验模型：,（随物而异）,能全部吸收入射各种波长的辐射能,二、黑体辐射,*,绝对黑体,：能100%吸收投射在它上面的外来辐射。,O,为什么引入绝对黑体模型？,*,基尔霍夫定律,a,b,c,d,a,b,c,d 是四个,温度不同的物体,封闭在真空容器,中它们只能通过,热辐射交换能量,实验表明,：经过一段时间后容器内,物体达到相同温度,即处于热平衡态.,这表明:,容器内的每一个物体单位时,间内辐射能量恰好等于吸收的能量.,即,单色辐出度,大的物体,单色吸收系,数,也大.,基尔霍夫定律:,在相同温度下,各种不同物体对,相同的波长的单色辐出度,和单色吸收系数的比,值都相等,等于同温度下,绝对黑体的单色辐出度.,黑体实验模型,黑体的实验模型,通过小孔进入腔内,的辐射能,几乎全被腔壁吸收,反射回小孔出射的机会极少，,小孔表面好比黑体,（吸收全部入射的辐射能而无反射）,对空腔加热,至某热平衡温度,对空腔加热,至某热平衡温度,从小孔表面出射的就是,处于某一热平衡温度 的,实验黑体的辐射能，,进而探索其能谱分布规律。,不透明材料空腔,不透明材料空腔,黑体辐射测量,黑体（小孔表面）,集光透镜,平行光管,分光元件,会聚透镜及探头,分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。,黑体辐射测量系统示意图,实验结果：,（1）绝对黑体的总辐出度,E,0,(T),随绝对温度,T,的升,高迅速地增大；,（2）随温度,T,增高,m,值向短波长方向移动。,（3）绝对黑体的辐射规律与空腔的形状及材料无关；,e,0,(,T,),(nm),0,T,2,T,3,T,1,m,T,3,T,2,T,1,黑体辐射规律,2 0 0 0 K,黑体辐射的基本规律,黑体的辐出度,s,=5.6710,Wm K,-2,-8,-4,斯特藩-玻耳兹曼定律,黑体单色辐出度的峰值波长,随 的升高而向短波方向移动,维恩位移定律,b,=,2.898 10 m K,-3,E,(T),Ol,黑体的单色辐出度,1 7 5 0 K,1 5 0 0 K,1 0 0 0 K,10 m,-6,1 2 3 4 5 6,波 长,l,0,斯特藩,于1879年根据实验曲线得出,玻尔兹曼,于1884年从理论上证明,1893年维恩根据实验得出,经典物理遇到的困难,由于基尔霍夫定律，使得“绝对黑体的单色辐出度”成,为热辐射的一个中心问题。,家为探寻绝对黑体的单色辐出度数学表达式付出了极大,的努力。他们从热力学、统计力学、电磁场理论等不同,角度,去寻找符合实验曲线的,数学表达式，,但均无成功，其中最具有代表性的是,瑞利琼斯,和,维恩,所做的工作。,十九世纪末期，许多物理学,*瑞利-琼斯公式:,1890年，瑞利和琼斯将经典的电磁,理论和分子运动论中的能均分定理应用到热辐射中，,但沿用经典物理概念（如经典电磁辐射理论和能量均分定理）去推导一个符合实验规律的黑体单色辐出度函数 均遇到困难。瑞利琼斯推导结果是,（,瑞利琼斯公式,）,当,时，即波长向短波（紫外）方向不断变短时,，,则,经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论，物理学史上称之为,“紫外灾难”,。,黑体辐射问题所处的困境成为十九世,末“物理学天空中的一朵乌云”，但它却孕育着一个新物理概念的诞生。,*维恩公式:,应用类似于麦克斯韦速率分布方法.,在短波区域与实验相附合,在长波区有较大偏离.,实验,瑞利-琼斯,维恩理论值,T=1646k,用经典理论解释热辐射的问题碰到了困难-向物理学理,论大厦飞来的一朵乌云!,为了摆脱困境，普朗克提出了与经典理论相背离的,“辐射体能量量子化”假设,在此基础上终于找到了与实,验结果完全符合的绝对黑体单色辐出度的数学表达式。,将同温度下的实验曲线、瑞利琼斯公式和维恩公式的函数曲线绘制于同一图中,普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947),德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。,普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，1900年12月14日他在德国物理学会上，宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。,1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。,三、普朗克公式及能量子假说,普朗克,普朗克,Max Planck,Max Planck,1858-1947,(1858-1947),能量子假设,普朗克的能量子假设,1900年12月24日，普朗克在关于正常光谱的能量分布定律的理论一文中提出能量量子化假设，量子论诞生。,组成黑体腔壁的分子或原子可视为带电的线性谐振子；,称为普朗克常量,这些谐振子和空腔中的辐射场相互作用过程中吸收和发射的能量是量子化的，只能取一些分立,值：,e,2,e,，,n,e,;,频率为,的谐振子，吸收和发射能量的最小值,e=,h,n,称为能量子（或量子）,h,=,6.6310,J s,-,34,普朗克公式,1900年10月19日，德国物理学家普朗克提出了一个描述黑体单色辐出度分布规律的数学公式，,光在真空中的速率,玻耳兹曼常量,普朗克常量,数值为 6.6310 J s,-34,并很快被检验与实验结果相符。,其波长表达式为,理论曲线,波 长,l,10 m,-6,0,0,2,4,3,1,E,(T),ol,10 W m m,11,-1,-2,1 2 3 4 5,2 0 0 0 K,1 7 5 0 K,1 5 0 0 K,1 0 0 0 K,E,(,T,),=,o,l,2,p,hc,l,5,2,e,hc,k,l,T,1,1,单色辐出度函数及曲线,线,普朗克的黑体,瑞利-琼斯公式和维恩公式是,普朗克公式,在长波和短波,区域的极限.,实验,维恩理论值,T=1646k,瑞利-琼斯,普朗克理论值,证明:当波长很长时,瑞利琼斯公式,当波长很短时,普朗克公式简化为,维恩公式,根据普朗克的观点，谐振子的能量是量子化的。但是,经典力学在处理宏观振子能量时,均按连续分布来处理，,为什么没有出现错误呢,？,例题,一个弹簧振子，振子的质量M为1.0kg,弹簧的,据普朗克能量量子化条件，求量子数n.；若量子数n改,变一个单位，系统的能量改变的百分比有多大？,劲度 K等于20N/m，系统振动的振幅A等于1.0cm，根,根据普朗克能量量子化条件，振子的能量,联立式,得量子数,解:弹簧的固有频率,按经典力学观点，振子的能量,可以看出，相对于宏观振子，其量子数n甚大、,能级,差很小,振动系统能量的分立特性不明显。因此在经,典力学中，可视宏观振子的能量是连续变化的。,当量子数n改变一个单位，振动系统的能量改变的百,分比为,由于普朗克公式与实验结果完全相符，这说明普朗克,的“能量量子化”假设是正确的，即辐射体的能量是量,子化的。普朗克的“能量量子化”假设不仅圆满地解释,后来人们将普朗克提交论文的（1900年12月14日）,章量子论从此诞生了。,了黑体辐射的实验规律，同时为物理学开创了新的篇,贝尔物理学奖.,这一天定为量子力学的诞辰日。于1918年普朗克获诺,普朗克在处理绝对黑体的热辐射问题上，其方法是十分,成功的。但是还存在着一个需要解决的矛盾，,思考：是什么矛盾？,辐射体与辐射场之间是以量子化的形式交换能量,但辐射场的能量却又是连续变化.,爱因斯坦看到了这种不协调，于1905年提出电磁场,能量量子化假设，从而揭露了,光的波粒二象性。,当人们面对普朗克提出“能量子”这个史无前例的全新,概念还无法接受之时，爱因斯坦却应用并推广了普朗克,的量子概念，进一步提出了辐射场能量量子化的设想，,即电磁波是由“光量子”构成的（普朗克的“能量子”,和爱,因斯坦的“光量子”后来被统一命名为“光子”）。,根据“光量子”的假设，很成功地解释了光电效应的实,验规律。,黑体例一,实验测得,490 nm,太阳单色辐出度,峰值对应的波长,若将太阳当作黑体,估算：,太阳表面温度,太阳辐出度,解法提要：,由维恩位移定律,2.89810,_,3,49010,_,9,5.9110,3,(K),由斯特藩-玻耳兹曼定律,5.6710 (5.9110 ),_,8,3,4,7,6.9210,(W m ),_,2,第二节,15-2,光电效应,麦克斯韦的电磁理论预言电磁波存在,1887年赫兹用实,验证实了电磁波存在。在实验中赫兹发现一种现象：当,用紫外光照射检波器上其中一个小球时,二个小球之间出,现跳火.这一现象引起物理学界许多人的兴趣.,验电器,锌片,(负电),紫外光照射 中性,放电,金属(电中性),光,带正电,光电效应实验,一、光电效应,实验现象与规律,加速电势差,光电流,光电子,石英窗,阴极,金属板,阳极,外接极性反向,测遏止电势差,光强,光频率,光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为,光电效应,。,光强较强,光强较弱,频率 相同,饱和光电流,饱和光电流,即光电子恰被遏止，不能到达阳极。光电子最大初动能可用遏止电势差与电子电荷乘积的大小来量度。,U,=,-,U,i,=,0,a,时,实验基本规律,基本规律,饱和光电流,与光强成正比。在饱和状态下，单位时间由阴极发出的光电子数与光强成正比。,光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为,光电效应,。,光强较强,光强较弱,频率 相同,饱和光电流,一、光电效应,实验现象与规律,加速电势差,光电流,光电子,石英窗,阴极,金属板,阳 极,外接极性反向,测遏止电势差,光强,光频率,饱和光电流,U,=,-,U,i,=,0,a,时,光,即光电子恰被遏止，不能到达阳极。光电子最大初动能等于 反向电场力的功,轴截距 称为,截止频率,或,红限,，入射光频率小于截止频率时无论光 强多大都不能产生光电效应。每种金属有自己的截止频率。,时无论光强多弱，光照与电子逸出,几乎同时,发生,。,遏止电势差,的大小与入射光的频率成线性关系，与光强无关。,与材料,与材料,无关的普适常量,有关的常量,即,光电子最大初动能随入射光频率增大而线性增大，与光强无关。,波动理论的困难,光的波动理论与光电效应实验规律相矛盾,光的波动理论,光电效应实验规律,应与光强有关,电子从具有一定振幅的光波中吸收,与光强 无关,不论什么频率，只要光足够强，总可,连续供给电子足够的能量而逸出。,金属材料的截止频率,时，无论 多强，均无电子逸出。,初动能与光强有关,无红限,有红限,初动能与光强无关,瞬时响应,响应快慢取决光强,光强越弱，电子从连续光波中吸收,并累积能量到逸出所需的时间越长。,只要 不论光强多弱，,几乎同时观察到光电效应。,（小于 ）,能量而逸出其初动能,光量子理论,爱因斯坦的光量子（光子）理论,一个光子的能量 与其辐射频率 的关系是,式中,为普朗克常数，,为角频率，,光，是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光量子或光子。,辐射频率越高的光子其能量越大。,一束频率为 的单色平行光的光强，,等于单位时间垂直通过单位横截面积,的光子数目与每一光子能量 的乘积。,光子能、质、动量式,能量,光子的,将相对论的质能关系和动量概念用于在真空中运动的光子,质量,动量大小,动量矢量式,则光子的,光子的,光子的,式中,为光传播方向的单位矢量，,称为波矢。,光电效应方程,爱因斯坦光电效应方程,金属中一个电子吸收一个光子的能量,频率为 的光,一个光子的能量为,照射金属表面,一部分变为,逸出电子（光电子）,的初动能,一部分用于,电子逸出金属表面,需做的功（逸出功）,能量守恒,亦即,联系光电效应实验规律,可见,是一个与金属材料无关的常量,实验得知,与金属材料有关,故 亦然，,也可由 求,不同金属材料的红限，可用,求得。,由 可求,则 又可表成,红限、逸出功数据表,金 属,截止频率,（10 Hz）,14,逸出功,（eV),金 属,截止频率,（10 Hz）,14,逸出功,（eV),某些金属和半导体的截止频率（红限）及逸出功,钨,W,10.97 4.54,钙,C,a,6.55 2.71,钠,N,a,5.53 2.29,钾 K,5.43 2.25,銣 Rb,5.15 2.13,銫 Cs,4.69 1.94,铀 U,8.76 3.63,铂 Pt,15.28 6.33,银 Ag,11.55 4.78,铜 Cu,10.80 4.47,锗 Ge,11.01 4.56,硅 Si,9.90 4.10,硒 Se,11.40 4.72,铝,Al,9.03 3.74,锑,Sb,5.68 2.35,锌,Zn,8.06 3.34,光子论的成功解释,光子理论成功地解释了光电效应实验规律,频率 一定，,光强 越大则单位时间打在金属表面的光子数就越多,，产生光电效应时单位时间被激发而逸出的光电子数也就越多，故饱和电流 与光强 成正比。,每一个电子所得到的能量只与单个光子的能量 有关,，即只与光的频率 成正比，故光电子的初动能与入射光的频率 成线性关系，与光强 无关。,一个电子同时吸收两个或两个以上光子的概率几乎为零,，因此，若金属中电子吸收光子的能量 即入射光频率 时，电子不能逸出，不产生光电效应。,光子与电子发生作用时，,光子一次性将能量 交给电子,，不需要持续的时间积累，故光电效应瞬时即可产生。,爱因斯坦因此而获得了1921年诺贝尔物理学奖,E,H,逸出功,与材料有关,截止频率,美国物理学家密立根用了十年时间从实验上验证了,爱因,斯坦,光电效应方程式。,4.39,6.0,1.0,0,0.65,2.20,a,b,c,(10,14,Hz),V,a,1926年,普朗克的,能量子,爱因斯坦,光量子,统一命名为,光子,康普顿效应进一步证实了爱因斯坦光子假设是正确的。,光电效应例题,用波长,l=0.35,m,m,的紫外光照射金属钾做光电效应实验，求,（1）紫外光子的能量、质量和动量；,（2）逸出光电子的最大初速度和相应的遏止电势差。,(2)由,爱因斯坦方程,查表,钾的逸出功,A=2.25 eV,6.7610 (m s ),5,-,1,代入后解得,由,截止电势差概念,及爱因斯坦方程解得,1.3(V),解法提要：,(1),由,爱因斯坦光子理论,光子能量,光子质量,光子动量,5.6810,(J),-,19,6.3110 (Kg),-,36,1.8910,(Kg m s ),-,27,-,1,作业:,P.192 (18)、（21）、,（25）、（26）,