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1、普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材大學物理（第三版）第五篇量子物理 第19章量子光學 制作者：史曉菲量子光學量子力學物理學與現(xiàn)代科學技術第19章第20章第21章第五篇量子物理第19章量子光學19.1黑體輻射19.2光電效應19.3康普頓效應第19章量子光學光的波動理論成功地解釋了光的干涉、衍射、偏振及在晶體中的行為。到了十九世紀末，人們發(fā)現(xiàn)了光與電子、原子相互作用的實驗現(xiàn)象，如黑體輻射、光電效應，它們的實驗規(guī)律用經(jīng)典物理理論不能給出圓滿的解釋。通過對這些現(xiàn)象的深入研究，引進了量子化的概念，指出
2、光存在另一種特性——粒子性，引發(fā)了量子理論的誕生和發(fā)展。量子理論的產(chǎn)生19.1黑體輻射19.1.1熱輻射實驗表明，一切物體均以電磁波的形式向外輻射能量。一、熱輻射熱輻射的特點：①消耗物體的內(nèi)能而實現(xiàn)電磁波的輻射；②固體和液體在任何溫度下都可以進行熱輻射；③單位時間內(nèi)輻射的能量與波長、溫度以及物體的性質關；④熱輻射的電磁波是連續(xù)的。平衡熱輻射:輻射和吸收的能量恰好相等時，物體和輻射場就處于溫度一定的平衡態(tài)，平衡態(tài)下的輻射稱為平衡熱輻射。三、單色輻出度：二、輻出度：單位時間、單位表面積上所輻射出的各
3、種波長的輻射總能量，用E（T)表示。單位時間、單位表面積上所輻射出的在波長附近單位波長區(qū)間內(nèi)的能量。19.1黑體輻射此時輻射輻出度與單色輻出度的關系為：19.1黑體輻射開一小孔對空腔加熱至某熱平衡溫度對空腔加熱至某熱平衡溫度不透明材料空腔不透明材料空腔TT19.1.2黑體的輻射定律吸收系數(shù)反射系數(shù)對于非透明物體一、物體的吸收與反射19.1黑體輻射實驗表明：不同的材料，輻射能力和吸收能力不同。輻射能力強的物體吸收能力也強。在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與吸收系數(shù)之比應該相同，是一個與材料和形狀無
4、關而僅與波長和溫度有關的普適函數(shù)：19.1黑體輻射對于黑體對某種物體，若有則稱該物體為黑體實際上黑體就是能在任何溫度下完全吸收輻射在它表面上的電磁波的物體。黑體的單色輻出度就是這個普適函數(shù)，研究黑體的單色輻出度規(guī)律目的是為了找出這個普適函數(shù)。19.1黑體輻射T熱電偶平行光管絕對黑體三棱鏡黑體單色輻出度按波長分布的實驗裝置二、黑體熱輻射的規(guī)律在平衡態(tài)下，黑體輻射的能量僅是溫度和波長的函數(shù)，利用分光技術可測出一定溫度下的單色輻出度的曲線。19.1黑體輻射黑體在不同溫度下的單色輻出度實驗曲線如圖170
5、0k1500k1300k實驗發(fā)現(xiàn)：當黑體的溫度升高時，單色輻出度最大值所對應的峰值波長?m向短波方向移動。?m19.1黑體輻射1、維恩位移定律在平衡態(tài)下黑體輻射單色輻出度的最大值所對應的波長與溫度之積是一常數(shù)。稱為維恩位移定律常數(shù)1700k1500k1300k?m19.1黑體輻射2、斯忒藩(Stefan)?-玻耳茲曼定律Stefan根據(jù)實驗得出黑體的輻出度與溫度有以下關系稱為斯忒藩?-玻耳茲曼常數(shù)19.1黑體輻射例15-1由測量得到太陽輻射譜的峰值處在計算太陽的表面溫度和單位表面積上所輻射的功率
6、；如太陽的輻射是常數(shù)，其直徑，求太陽在一年內(nèi)由于輻射而損失的質量。解：將太陽看作黑體由得太陽的表面溫度19.1黑體輻射太陽單位表面積上所輻射的功率即太陽輻出度一年內(nèi)輻射的能量由得太陽的質量19.1黑體輻射黑體輻射的理論研究涉及熱力學、統(tǒng)計物理學和電磁學，因而成為19世紀末物理學家研究的中心問題之一。許多物理學家都企圖從經(jīng)典理論導出黑體的單色輻出度的理論公式，但始終得不到滿意的結果。（1）維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學得出維恩曲線19.1黑體輻射維恩理論值在短波區(qū)域與實驗值符合得很好,長波方向與實驗值不符。瑞
7、利-金斯曲線（2）瑞利和金斯用能量均分定理和電磁理論得出該式只適于長波，趨于短波時偏離較大。T=1646k被稱為“紫外災難”。￥??)00Te，（時ll19.1黑體輻射19.1.3普朗克能量子假說德國物理學家普朗克為了解決上述問題，通過分析和深入研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典理論不適用于原子性的微觀振動,通過對實驗曲線的分析，給出了黑體單色輻出度公式該式的理論值與實驗值符合得非常很好。但是，該式要從理論上能夠導出，能量只能取分立值，即能量是不連續(xù)的，并且能量的最小單元?=h?。這在當時是與經(jīng)典物理學相矛盾的。1
8、9.1黑體輻射為了能從理論上將上式導出，普朗克提出了能量子假說。1、原子振動的能量是不連續(xù)的,只能取ε，2ε，3ε，……nε等離散值,其中ε稱為能量子.普朗克能量子假說2、能量子ε與振動頻率?成正比:?=h?其中h=6.63?10-34焦耳秒,稱為普朗克常數(shù)。3、振動的原子在輻射和吸收能量時,是以ε為單元一份一份地進行.19.1黑體輻射在普朗克能量子假說的基礎上，應用統(tǒng)計物理和經(jīng)典電動力學理論從理論上導出了黑體的單色輻出度公式其中k、c分別是玻爾茲曼常數(shù)和真空中的光速。19.1黑體輻射λ較小時可
