第21章_量子光學基礎

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1、第21章量子光學基礎???§21-1引言十九世紀末，經(jīng)典物理已發(fā)展得相當成熟，人們認為，對物理現(xiàn)象本質的認識已經(jīng)完成。海王星的發(fā)現(xiàn)和電磁理論對波動光學的成功解釋，更使人感到經(jīng)典物理似乎可以解決所有問題.。當時很多物理學家都認為：物理學的大廈已基本建成，后輩物理學家只要做些修補工作就行了。然而在人類即將跨入20世紀的時候，卻發(fā)現(xiàn)了某些無法用經(jīng)典理論解釋的實驗現(xiàn)象：M－M實驗“零結果”熱輻射“紫外災難”。1900年，Kelvin在新千年的祝詞中把此稱為是晴朗的物理學天空中出現(xiàn)的“兩朵烏云”。這些矛盾迫使人們跳出傳統(tǒng)的物理學框架，去尋找新的解決途徑。人類跨入20世紀的時候，物理學也開始了新的紀元

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)過愛因斯坦、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30年代，就建立了一套完整的量子力學理論.黑體輻射實驗量子理論誕生邁克爾遜干涉儀實驗相對論誕生-----熱能傳遞的重要方式之一。一、熱輻射一個具有一定溫度的物體，受熱就會發(fā)光，熱量（或熱能）會向四面八方發(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①熱輻射的實質是電磁輻射②溫度不同時,輻射的波長（或頻率）也不同。③任何一種物質不僅能發(fā)射熱輻射，同時還能吸收熱輻射，兩者同時進行。④

3、吸收本領強的物質發(fā)射本領也強?！?1-2.普朗克的能量子假說低溫物體發(fā)出的是紅外光，熾熱物體發(fā)出的是可見光，極高溫物體發(fā)出的是紫外光。紅外照相機拍攝的人的頭部的熱圖熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色維恩設計的黑體2.黑體：能完全吸收各種波長電磁波而無反射的物體，黑體是理想化模型，——小孔空腔即使是煤黑、黑琺瑯對太陽光的吸收也小于99%。電磁波射入小孔后，很難再從小孔中射出。單位時間內，從物體單位表面發(fā)出的頻率在?附近單位頻率間隔內的電磁波的能量。①單色輻出度M?：②輻出度溫度T時單位時間內、單位面積整個頻率范圍內的輻射出能量。3.熱輻射的描述方法描寫物體輻射本領的物理量。二.黑體輻射譜（M?～

4、?關系）的規(guī)律1.黑體輻射測量的實驗裝置會聚透鏡黑體平行光管棱鏡熱電偶測M?(T)2.黑體輻射譜的實驗規(guī)律0481056000K3000K不同溫度下的黑體輻曲線如圖19世紀末，許多物理學家欲從理論上導出黑體的單色輻射出度M?和υ的關系式。三.經(jīng)典物理學遇到的困難▲著名公式之一：維恩公式1896年維恩從熱力學理論及實驗數(shù)據(jù)的分析得:?，?為常量1911年諾貝爾物理學獎獲得者—維恩德國人1864-1928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。維恩公式實驗曲線??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)典電動力學和統(tǒng)計物理學理論（能量均分）推導得:1904年諾貝爾物理學獎獲得者—瑞利英國人1842-1919實驗曲線??10-14Hz6543210M?／(10-9W/(m2.HZ)123瑞利--金斯公式“紫外災難”！該公式在低頻段與實驗曲線符合得很好。但在高頻段不符。??10-14Hz6543210M?／(10-9W/(m2.HZ)T=2000K實驗曲線和普朗克公式維恩公式瑞利—金斯公式123由經(jīng)典理論導出的M?(T)～?公式都與實驗曲線不完全符合！這正所謂是“物理學晴朗天空中的一朵烏云!”1900年德國物理學家普朗克為了得到與實驗曲線相一致的公式，摒棄了經(jīng)

6、典物理能量連續(xù)概念，提出了一個與經(jīng)典物理學概念截然不同的“能量子”假設.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驗結果驚人地符合！他指出：輻射物質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出了的輻射公式▲普朗克公式的得出，是理論和實驗結合的典范?！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)過了十幾年的曲折和反復。▲1918年Planck60歲時獲得了諾貝爾物理獎?！?900.12.14.Planck把“關于正常譜中能量分布的理論”的論交到了德國自然科學會，這一天后來被定為“量子論的誕生日”。普朗克德國人(1

7、858-1947)發(fā)現(xiàn)能量子一光電效應實驗的規(guī)律1.實驗裝置2.實驗規(guī)律紅限頻率（截止）幾種純金屬的截止頻率僅當?>?0時才發(fā)生光電效應，截止頻率與材料有關與光強無關.金屬截止頻率4.5455.508.06511.53銫鈉鋅銥鉑19.29光電子在電場作用下形成光電流。光電效應：光照射某些金屬時，能從表面釋放出電子的效應。產(chǎn)生的電子稱為“光電子”。21-3愛因斯坦的光量子假說------光電效應AV遏止電壓U0:加反向電壓