第21章_量子光學(xué)基礎(chǔ)

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1、第21章量子光學(xué)基礎(chǔ)???§21-1引言十九世紀(jì)末，經(jīng)典物理已發(fā)展得相當(dāng)成熟，人們認(rèn)為，對(duì)物理現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)完成。海王星的發(fā)現(xiàn)和電磁理論對(duì)波動(dòng)光學(xué)的成功解釋，更使人感到經(jīng)典物理似乎可以解決所有問(wèn)題.。當(dāng)時(shí)很多物理學(xué)家都認(rèn)為：物理學(xué)的大廈已基本建成，后輩物理學(xué)家只要做些修補(bǔ)工作就行了。然而在人類即將跨入20世紀(jì)的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)了某些無(wú)法用經(jīng)典理論解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：M－M實(shí)驗(yàn)“零結(jié)果”熱輻射“紫外災(zāi)難”。1900年，Kelvin在新千年的祝詞中把此稱為是晴朗的物理學(xué)天空中出現(xiàn)的“兩朵烏云”。這些矛盾迫使人們跳出傳統(tǒng)的物理學(xué)框架，去尋找新的解決途徑。人類跨入20世紀(jì)的時(shí)候，物理學(xué)也開(kāi)始了新的紀(jì)元

2、——從經(jīng)典物理走向了近代物理。量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的歷史.其間，經(jīng)過(guò)愛(ài)因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.黑體輻射實(shí)驗(yàn)量子理論誕生邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)相對(duì)論誕生-----熱能傳遞的重要方式之一。一、熱輻射一個(gè)具有一定溫度的物體，受熱就會(huì)發(fā)光，熱量（或熱能）會(huì)向四面八方發(fā)射----輻射。溫度越高輻射能量越多，稱為熱輻射。1.熱輻射的特點(diǎn)①熱輻射的實(shí)質(zhì)是電磁輻射②溫度不同時(shí),輻射的波長(zhǎng)（或頻率）也不同。③任何一種物質(zhì)不僅能發(fā)射熱輻射，同時(shí)還能吸收熱輻射，兩者同時(shí)進(jìn)行。④

3、吸收本領(lǐng)強(qiáng)的物質(zhì)發(fā)射本領(lǐng)也強(qiáng)?！?1-2.普朗克的能量子假說(shuō)低溫物體發(fā)出的是紅外光，熾熱物體發(fā)出的是可見(jiàn)光，極高溫物體發(fā)出的是紫外光。紅外照相機(jī)拍攝的人的頭部的熱圖熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色維恩設(shè)計(jì)的黑體2.黑體：能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無(wú)反射的物體，黑體是理想化模型，——小孔空腔即使是煤黑、黑琺瑯對(duì)太陽(yáng)光的吸收也小于99%。電磁波射入小孔后，很難再?gòu)男】字猩涑觥挝粫r(shí)間內(nèi)，從物體單位表面發(fā)出的頻率在?附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁波的能量。①單色輻出度M?：②輻出度溫度T時(shí)單位時(shí)間內(nèi)、單位面積整個(gè)頻率范圍內(nèi)的輻射出能量。3.熱輻射的描述方法描寫物體輻射本領(lǐng)的物理量。二.黑體輻射譜（M?～

4、?關(guān)系）的規(guī)律1.黑體輻射測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)聚透鏡黑體平行光管棱鏡熱電偶測(cè)M?(T)2.黑體輻射譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律0481056000K3000K不同溫度下的黑體輻曲線如圖19世紀(jì)末，許多物理學(xué)家欲從理論上導(dǎo)出黑體的單色輻射出度M?和υ的關(guān)系式。三.經(jīng)典物理學(xué)遇到的困難▲著名公式之一：維恩公式1896年維恩從熱力學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得:?，?為常量1911年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者—維恩德國(guó)人1864-1928熱輻射定律的發(fā)現(xiàn)維恩公式在高頻段與實(shí)驗(yàn)曲線符合得很好，但在低頻段明顯偏離實(shí)驗(yàn)曲線。維恩公式實(shí)驗(yàn)曲線??10-14Hz6543210M?／(10-9W/(m2.HZ)123▲著名公式之二：瑞利—

5、金斯公式1900年瑞利和金斯從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論（能量均分）推導(dǎo)得:1904年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者—瑞利英國(guó)人1842-1919實(shí)驗(yàn)曲線??10-14Hz6543210M?／(10-9W/(m2.HZ)123瑞利--金斯公式“紫外災(zāi)難”！該公式在低頻段與實(shí)驗(yàn)曲線符合得很好。但在高頻段不符。??10-14Hz6543210M?／(10-9W/(m2.HZ)T=2000K實(shí)驗(yàn)曲線和普朗克公式維恩公式瑞利—金斯公式123由經(jīng)典理論導(dǎo)出的M?(T)～?公式都與實(shí)驗(yàn)曲線不完全符合！這正所謂是“物理學(xué)晴朗天空中的一朵烏云!”1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克為了得到與實(shí)驗(yàn)曲線相一致的公式，摒棄了經(jīng)

6、典物理能量連續(xù)概念，提出了一個(gè)與經(jīng)典物理學(xué)概念截然不同的“能量子”假設(shè).四.普朗克的量子論的誕生——普朗克公式該公式在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人地符合！他指出：輻射物質(zhì)中存在著帶電諧振子，這些諧振子吸收或輻射的能量是間斷的不連續(xù)的，輻射“能量子”的能量普朗克由此導(dǎo)出了的輻射公式▲普朗克公式的得出，是理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的典范?！孔诱撌遣桓綄儆诮?jīng)典物理的全新的理論，它的發(fā)展在此后又經(jīng)過(guò)了十幾年的曲折和反復(fù)。▲1918年P(guān)lanck60歲時(shí)獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)?！?900.12.14.Planck把“關(guān)于正常譜中能量分布的理論”的論交到了德國(guó)自然科學(xué)會(huì)，這一天后來(lái)被定為“量子論的誕生日”。普朗克德國(guó)人(1

7、858-1947)發(fā)現(xiàn)能量子一光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律1.實(shí)驗(yàn)裝置2.實(shí)驗(yàn)規(guī)律紅限頻率（截止）幾種純金屬的截止頻率僅當(dāng)?>?0時(shí)才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無(wú)關(guān).金屬截止頻率4.5455.508.06511.53銫鈉鋅銥鉑19.29光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。光電效應(yīng)：光照射某些金屬時(shí)，能從表面釋放出電子的效應(yīng)。產(chǎn)生的電子稱為“光電子”。21-3愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)------光電效應(yīng)AV遏止電壓U0:加反向電壓