Ch21量子光學(xué)基礎(chǔ)

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1、第5篇量子物理學(xué)（§21.1引言）1.量子物理學(xué)的建立量子物理學(xué)是在20世紀(jì)初，物理學(xué)家們在研究微觀世界（原子、分子、原子核…）的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程中，逐步建立起來的。1900年，英國著名物理學(xué)家開爾文在贊美19世紀(jì)物理學(xué)成就的同時(shí)，指出：“在物理學(xué)美麗而晴陰的天空遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的、令人不安的烏云。”這兩朵烏云，指的是當(dāng)時(shí)的物理理論無法解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是黑體輻射實(shí)驗(yàn)的“紫外災(zāi)難”，另一個(gè)是邁克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)的“以太漂移”否定結(jié)果。正是這兩朵烏云導(dǎo)致了量子論與相對論的誕生。量子概念是19Q（L年（徳國物理學(xué)家）晝朗克首先提岀的。期間，經(jīng)過玻爾、徳布羅意、玻恩、海森堡、

2、薛定滂、狄拉克、愛因斯坦等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代，初步建立了一套完整的量子力學(xué)理論。2.研究對象科學(xué)家們把原子、分子、原子核、基本粒子等微觀世界所展現(xiàn)的特殊物理現(xiàn)彖稱為量子現(xiàn)象。量子世界除了其線度極其微小之外（10-,0-10-15m）,另一個(gè)主要特征是它們所涉及的許多宏觀世界所對應(yīng)的物理量往往不能取連續(xù)變化的值（如：坐標(biāo)、動(dòng)量、能量、角動(dòng)量、自旋等都是量子化的），甚至不能取確定的值。許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，量子世界滿足的物理規(guī)律不再是經(jīng)典的牛頓力學(xué)，而是量子物理學(xué)。3＞量子物理學(xué)的價(jià)值20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展表明，量子物理是人們認(rèn)識和理解微凹世界的基礎(chǔ)。量子物理和

3、相對論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。由于宏觀物體是由微觀世界建構(gòu)而成的，因此量子物理學(xué)不僅是研究微觀世界的工具，而且在深入研究宏觀物體的微結(jié)構(gòu)和特殊的物理性質(zhì)中也發(fā)揮著巨大作用。如原子能的利用、對超導(dǎo)現(xiàn)象的解釋等都是量子理論發(fā)展的直接結(jié)果。Ch.21量子光學(xué)基礎(chǔ)什么是“紫外災(zāi)難”；量子概念是如何提出的；愛因斯坦提出光的“波粒二象性”是如何促進(jìn)量子理論發(fā)展的；玻爾氫原子理論。§21.2量子概念的誕生一、熱輻射的度量1、熱輻射由于物體屮的分子、原子受熱激發(fā)，而發(fā)生電磁輻射的現(xiàn)彖稱為熱輻射。任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種頻率的電磁波。

4、不同溫度下發(fā)岀的各種電磁波強(qiáng)度按頻率有不同的分布，表現(xiàn)岀不同的顏色。2、單色發(fā)射本領(lǐng)(單色輻岀度)根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)物體的溫度一定時(shí)，單位吋間內(nèi)從物體表面單位面積上輻射出來的某一頻率范圍的電磁波能量是一定的。令dE,為單位時(shí)間內(nèi)從物體表面單位而積上發(fā)射出來的、頻率在v^v+dv內(nèi)的輻射能，則d?與di/Z比定義為單色發(fā)射本領(lǐng)，用e(vj)表示，心)=皿dv對于給定的物體，e(v,T)是頻率和溫度的函數(shù)。3、全發(fā)射本領(lǐng)(輻出度)當(dāng)物體的溫度一定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從物體表面單位面積上發(fā)射出來的含各種頻率的總輻射能量稱為全發(fā)射木領(lǐng)，用E(T)表示。E(T)=[e(vJ)dv4、吸收率與反射率

5、當(dāng)外來輻射能量入射到某一不透明物體表面上吋，一部分被吸收，一部分從物體表面上反射(如果物體是透明的，還有一部分透過物體)。如果用/(切、A(v9T).R(v9T)分別表示波長在v^v+dv內(nèi)的入射能量、吸收能量和反射的能量，則由能量守恒定律知，I(vJ)=A(vJ^R(vJ)血+叱=1/(匕門心T)定5C：a(vJ)=A(VyT)為溫度為卩的物體對波長為UTi/+d卩內(nèi)的單色輻射能的吸，(匕T)/(v,r)收率汀少,門=空也為溫度為卩的物體對波長為v^v+dv內(nèi)的單色輻射能的反射率。上式可寫成：tz(v,T)+r(v,7,)=1二、基爾霍夫定律1、絕對黑體如果某物體在任何溫度

6、下對任何波長的入射電磁波能量完全吸收而不反射，則這一物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。顯然對黑體有陶=1,rB=0o黑體模型：任意不透明材料制成一個(gè)空腔，在腔壁上只留一個(gè)小孔，射入小孔的光很難有機(jī)會從小孔中反射出來。這樣的小孔近似完全的吸收各種波長的電磁波而形成一個(gè)黑體。加熱這個(gè)空腔到不同溫度，就形成了不同溫度下的黑體。2、基爾霍夫定律1866年，基爾霍夫就發(fā)現(xiàn)，物體的單色輻出度與物體的吸收率Z間有內(nèi)在的聯(lián)系。他首先從理論上推知，吸收率a(v,T)較高的物體，其單色發(fā)射木領(lǐng)e(v,7)也較大，而比值e(vj)/a(vj)是一恒量。這一恒量與物體性質(zhì)無關(guān)，其大小僅決定于物體的溫度和光

7、的波長。具體地說，設(shè)有不同物體1,2,…和黑體B,它們在溫度廠下，其頻率為1/的單色發(fā)射木領(lǐng)分別為：弓少,門，e2(v,T),即(5相應(yīng)的吸收率為：再億門，勺少，門，…，勺=l定5C：a(vJ)=A(VyT)為溫度為卩的物體對波長為UTi/+d卩內(nèi)的單色輻射能的吸，(匕T)/(v,r)收率汀少,門=空也為溫度為卩的物體對波長為v^v+dv內(nèi)的單色輻射能的反射率。上式可寫成：tz(v,T)+r(v,7,)=1二、基爾霍夫定律1、絕對黑體如果某物體在任何溫度下對任何波長的入射電磁波能量完全吸收而不反射，則這