量子光學(xué)基礎(chǔ).ppt

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1、大學(xué)物理學(xué)第二十一章量子光學(xué)基礎(chǔ)上海交通大學(xué)物理系§21.1引言§21.2普朗克的能量子假說§21.4氫原子光譜玻爾的氫原子理論§21.3愛因斯坦的光量子假設(shè)§21.5激光器的工作原理大學(xué)物理學(xué)：量子光學(xué)基礎(chǔ)2大學(xué)物理學(xué)：量子光學(xué)基礎(chǔ)3熱輻射黑體輻射基爾霍夫定律斯特潘-玻耳茲曼定律維恩位移定律維恩公式瑞利-金斯公式普朗克量子假設(shè)愛因斯坦光量子假設(shè)光電效應(yīng)康普頓散射光的粒子性光的波粒二象性光的波動(dòng)性⑴黑體輻射問題→“紫外災(zāi)難”；⑵光電效應(yīng)→n

2、性；⑸固體分子的比熱問題:Ｃｖ＝３Ｒ→Ｃｖ＝0；經(jīng)典物理的幾個(gè)困難：兩大新理論的誕生：①狹義和廣義相對(duì)論；②量子力學(xué)大學(xué)物理學(xué)：引言4§21.1引言量子概念是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(jì)30年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.量子力學(xué)宏觀領(lǐng)域經(jīng)典力學(xué)現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ)量子力學(xué)相對(duì)論量子力學(xué)微觀世界的理論起源于對(duì)波粒二相性的認(rèn)識(shí)大學(xué)物理學(xué)：引言5所有物體在任何溫度下都要發(fā)射電磁波，這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射(heatradiation)。

3、熱輻射的電磁波的波長(zhǎng)、強(qiáng)度與物體的溫度有關(guān)，還與物體的性質(zhì)表面形狀有關(guān)?！?1-2普朗克的能量子假說1.熱輻射的基本概念一、熱輻射現(xiàn)象False-colourinfraredimageofWhirlpoolgalaxyThermogramofman大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說6單色輻出度M?：為了描述物體輻射能量的能力，定義物體單位表面在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的波長(zhǎng)在?附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的電磁波的能量，為單色輻出度M?，即輻出度M(T):物體從單位面積上發(fā)射的所有各種波長(zhǎng)的輻射總功率稱為物體的總輻出度M(T)大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說7單色吸收比:當(dāng)輻射從外界入射到

4、物體表面時(shí)，在?到?+d?的波段內(nèi)吸收的能量“E?吸收d?”與入射的總能量“E?入射d?”之比:吸收比:當(dāng)輻射從外界入射到物體表面時(shí)，吸收能量與入射總能量之比:吸收能力的量度大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說8同一個(gè)物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)有內(nèi)在聯(lián)系室溫下的反射光照片1100K的自身輻射光照片2.基爾霍夫定律大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說9基爾霍夫定律：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溫度一定時(shí)物體在某波長(zhǎng)λ處的單色輻出度與單色吸收比的比值與物體及其物體表面的性質(zhì)無關(guān)，即一個(gè)好的發(fā)射體一定也是好的吸收體。大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說10黑體:能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無反射的物體顯然，

5、黑體的吸收比和單色吸收比為100%黑體是最理想模型，（如圖）在不透明材料圍成的空腔上開一個(gè)小孔。該小孔的可認(rèn)為是黑體的表面。黑體能吸收各種頻率的電磁波，也能輻射各種頻率的電磁波。思考：黑色的物體是黑體嗎？大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說11二、黑體輻射的基本規(guī)律測(cè)定黑體輻出度的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖PL2B2AL1B1CA為黑體B1PB2為分光系統(tǒng)C為熱電偶大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說12實(shí)驗(yàn)結(jié)果:024681012鎢絲和太陽的單色輻出度曲線21210468太陽可見光區(qū)鎢絲（5800K）太陽（5800K）鎢絲醫(yī)學(xué)物理學(xué)：黑體輻射130100020001.00.5黑體輻射規(guī)律:可

6、見光區(qū)3000K6000K（1）斯忒藩—玻爾茲曼定律斯忒藩—玻爾茲曼常量（2）維恩位移定律常量峰值波長(zhǎng)大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說14大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說15以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)定律是遙感、高溫測(cè)量和紅外追蹤等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。（3）維恩定律（c2和c3為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)）4012356789維恩線大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說16（4）瑞利-金斯定律4012356789瑞利-金斯線大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說17經(jīng)典理論在短波區(qū)域的失敗成為“紫外災(zāi)難”。（5）普朗克經(jīng)驗(yàn)公式4012356789大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說18近代偉大的德國(guó)物理學(xué)家，量子論的奠基人，

7、一九一八年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。(1858~1947)大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說19在長(zhǎng)波情況下：瑞利-金斯公式大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說20在短波情況下：維恩公式大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說21三、普朗克的能量子假設(shè)普朗克常量能量子為單元來吸收或發(fā)射能量.普朗克認(rèn)為：金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子，它吸收或者發(fā)射電磁輻射能量時(shí)，不是過去經(jīng)典物理認(rèn)為的那樣可以連續(xù)的吸收或發(fā)射能量，而是以與振子的頻率成正比的普朗克黑體輻射公式空腔壁上的帶電諧振子吸收或發(fā)射能量應(yīng)為大學(xué)物理學(xué)：普朗克的能量子假說22經(jīng)典理論的基本觀點(diǎn)：（1）電磁輻射來源于帶電粒子的振動(dòng)，

8、電磁波的頻