第二十章 量子光學基礎

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1、6第二十章量子光學基礎第二十章量子光學基礎§20－1熱輻射基爾霍夫定律一．熱輻射1．熱輻射：在一定時間內(nèi)輻射能量的多少及能量按波長的分布都與物體的溫度有關(guān)，故稱電磁輻射為熱輻射（溫度輻射）；輻射能()，如爐子,酒精燈…2．平衡熱輻射：相同時間內(nèi)輻射與吸收的能量相等，T不變二．輻出度(輻射出射度,發(fā)射本領(lǐng))1．單色輻出度：單位時間內(nèi)從物體表面單位面積上向各個方向所發(fā)射的波長在范圍內(nèi)輻射能量和波長間隔的比值2．輻出度：單位時間內(nèi)從物體表面單位面積上向各個方向所發(fā)射的各種波長的輻射總能量。三．吸收比、反射

2、比1．吸收比：單色吸收比：2．反射比：單色反射比：不透明物體：四．絕對黑體（黑體）1．定義：的物體是理想模型，可用一帶有小孔的空腔近似黑色物體：吸收所有入射可見光黑洞：且2．灰體：6第二十章量子光學基礎一．基爾霍夫定律熱平衡狀態(tài)時，任何物體的單色輻出度與單色吸收比之比，等于同溫度條件下絕對黑體的單色輻出度因此，“絕對黑體的單色輻出度”，是當時研究的尖端課題。推論：①若TA＝TB，則輻射多的吸收也多，不能輻射亦不能吸收；②一定時，絕對黑體輻射和吸收的能量比同溫度下的其它物體都多。例1：溫度分別為和的A

3、、B兩物體處于絕熱容器內(nèi)，若，試分析A、B兩物體的熱輻射情況例2．的兩個環(huán)境中，分別置入物體A、B，若，試分析A、B兩物體的熱輻射情況§20－2絕對黑體的輻射定律一．實驗研究1．裝置2．結(jié)果二．實驗定律1．維恩位移定律2．斯特藩－玻爾茲曼定律例：地球距離太陽,太陽直徑，太陽表面的溫度。若太陽可看成絕對黑體，問在地球表面受陽光垂直照射時每平方米的面積上每秒鐘得到的輻射能是多少？6第二十章量子光學基礎§20－3普朗克公式一．前人的工作1．瑞利－金斯的工作：經(jīng)典的電磁場理論＋能量均分原理；此公式長波段與實

4、驗符合得很好2．維恩的工作：經(jīng)典的電磁場理論＋玻爾茲曼－麥克斯韋分布；此公式短波段與實驗符合得很好,“把物理學直接引到了量子物理的大門口”,獲1911年諾貝爾獎二．普朗克公式此公式獲得了巨大的成功：1．圓滿解釋了實驗曲線；2．可導出斯特藩－玻爾茲曼定律3．可導出維恩位移定律。三．普朗克假設：1．空腔黑體可用一些線性諧振子來代表；2．諧振子只能處于某些特殊的不連續(xù)的狀態(tài)中，它們的能量只能是的整數(shù)倍；3．發(fā)射和吸收的能量只能是的整數(shù)倍。四．歷史回顧1894年起，普朗克從熱力學研究中轉(zhuǎn)到黑體輻射問題上，那

5、里“風平浪靜”。他的目標是追求熵原理與電動力學的協(xié)調(diào)一致1897~1899年,五篇報告總題目為“不可逆輻射過程”-柏林科學院；維恩公式，他很快接受，并用更系統(tǒng)的方法推導之1900年2月得知維恩公式有長波段偏差顯著1900.10.7，魯本斯夫婦訪問了他，并告知一重要信息：瑞利公式在長波段與實驗符合得很好，當天即用內(nèi)插法獲得新的輻射公式…1900.12.14，在德國赫姆霍茲研究所召開的德國物理學會會議上報告了他的革命性的發(fā)現(xiàn)：《正常光譜中能量分布律的理論》物理學史上公認這一天為量子論的誕生日：自然科學新

6、紀元的開端1918獲諾貝爾獎6第二十章量子光學基礎§20－4光電效應愛因斯坦方程一．光電效應：可見光或紫外光射到某些金屬表面上時，有電子從表面逸出的現(xiàn)象。實驗裝置：如圖二．光電效應的實驗規(guī)律1．光電子數(shù)與入射光強度間的關(guān)系－光電效應第一定律；即：單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)與入射光的強度成正比2．光電子的最大初動能與入射光頻率間的關(guān)系:光電效應第二定律即：光電子的最大初動能隨入射光的頻率增大而線性增大，與入射光的強度無關(guān)。3．紅限頻率,光電效應第三定律，才會產(chǎn)生光電效應（P．222表20－1，

7、各種常用金屬的紅限頻率）光電效應第三定律：當光射到某一給定的金屬時，無論入射光的強度如何，當其頻率小于時，則不會產(chǎn)生光電效應；4．光電效應的時間：三．光電效應與光的波動理論的矛盾1．光子的初動能：按波動說，應取決于入射光強2．光電效應的時間：按波動說，入射光越弱，其積累能量的時間越長，……電子獲得足夠的能量才能逸出。四．光子假設愛因斯坦方程（1905年）逸出功：電子逸出物體表面所需的最小能量。1．光子假設→光具有粒子性①光是運動著的粒子流→光子②每個光子的能量為如：③光的能流密度：：單位時間內(nèi)通過垂

8、直于傳播方向單位面積的光子數(shù)。2．愛因斯坦方程6第二十章量子光學基礎金屬中的電子吸收一個光子的能量→逸出功＋光電子的初動能解釋：①：光子數(shù)光電子數(shù)②：遏止電壓，：逸出電位③光電子動能不小于零④：光子能量電子，無須能量積累時間1．愛因斯坦理論的驗證1916年，密立根進行了精密的測量，證明確為直線，且直線的斜率為。1923年獲獎4.光子的能量、質(zhì)量和動量一．對光的波粒二象性的理解1．同時具有，都是光的本性；2．不同時顯現(xiàn)；1921年，愛因斯坦因?qū)ξ锢韺W的貢獻，特別是光電效