第16章.量子光學(xué)基礎(chǔ)ppt課件.ppt

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1、第十六章量子光學(xué)基礎(chǔ)前面講述了光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象充分證明光具有波動(dòng)性。到了20世紀(jì)初,當(dāng)實(shí)驗(yàn)涉及到光與原子、電子相互作用時(shí),光卻顯示出粒子性,從而使經(jīng)典物理學(xué)遇到了嚴(yán)重的困難。本章內(nèi)容提要：?光電效應(yīng)及愛(ài)因斯坦的光子理論?康普頓效應(yīng)?玻爾原子理論?激光和激光器原理§16-1光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)定律(1)飽和電流強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)入射光頻率一定時(shí),光電流I和兩極間電壓V的關(guān)系如圖16-2所示。圖16-2-VaVIo光強(qiáng)較大光強(qiáng)較小Is當(dāng)加速電壓增加到一定值時(shí),光電流達(dá)到一飽和

2、值Is。實(shí)驗(yàn)還表明:飽和電流值Is和光強(qiáng)成正比。AV電源圖16-1-IKA從圖16-2的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)可以看出，加速電壓為零時(shí)，光電流并不為零。僅當(dāng)加以反向電壓Va時(shí),光電流才等于零。這一電壓值Va稱(chēng)為截止電壓(又稱(chēng)遏止電壓)。顯然圖16-2-VaVIo光強(qiáng)較大光強(qiáng)較小Is(16-1)AV電源圖16-1-IKA(2)光電子的初動(dòng)能隨入射光的頻率線(xiàn)性增加，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。(3)存在紅限實(shí)驗(yàn)指出,對(duì)一給定的金屬,當(dāng)入射光的頻率小于某一頻率?o時(shí),無(wú)論入射光強(qiáng)如何,都沒(méi)有光電子從金屬中逸出(即沒(méi)有光電流)。這一頻率

3、?o稱(chēng)為光電效應(yīng)的紅限頻率。實(shí)驗(yàn)指出,不同物質(zhì)具有不同的紅限頻率。(4)立即發(fā)射，時(shí)延不超過(guò)10-9s。?波動(dòng)說(shuō)的困難以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果是光的經(jīng)典波動(dòng)圖像無(wú)法解釋的。按照光的波動(dòng)說(shuō),金屬在光的照射下,其中的電子受到電磁波中電場(chǎng)作用而作受迫振動(dòng),吸收光波的能量,從而逸出金屬表面。按照這種受迫振動(dòng)的理論，光強(qiáng)愈大，受迫振動(dòng)的振幅愈大，發(fā)射出的光電子的初動(dòng)能就應(yīng)愈大。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果是光電子的初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)，而與入射光的頻率成線(xiàn)性關(guān)系。同時(shí)，只要入射光強(qiáng)足夠大(入射能量足夠多)，金屬中的電子就能從光波中吸收足夠的能量并

4、積累到一定量值而逸出金屬表面，根本不應(yīng)存在紅限。但實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)入射光的頻率小于某一頻率?o時(shí),無(wú)論入射光強(qiáng)如何,都沒(méi)有光電子從金屬中逸出(即沒(méi)有光電流)。其次，按照波動(dòng)理論，能量的積累是需要一定時(shí)間的。不會(huì)立即發(fā)射。理論計(jì)算表明,在功率為1mW的入射光照射下,逸出功為1eV的金屬，從光開(kāi)始照射到釋放出電子,大約要等待16min,這同光電效應(yīng)瞬時(shí)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全不符合。2.愛(ài)因斯坦光子假設(shè)愛(ài)因斯坦認(rèn)為,光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)是以能量為h?的顆粒形式進(jìn)行的，而且以這種顆粒的形式以速度c在空間傳播。就是說(shuō)，一束光

5、就是以光速c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱(chēng)為光子。頻率為?的光的光子能量為E=h?(16-4)式中,h=6.63×10-34J·s，是普朗克常數(shù)。根據(jù)愛(ài)因斯坦光子理論，光電效應(yīng)方程為(16-6)1905年，愛(ài)因斯坦用光子理論成功地解釋了光電效應(yīng)。小結(jié)：光子的特性(1)光子的能量E=h?=hc/?(2)光子的質(zhì)量逸出功：(16-8)動(dòng)質(zhì)量：(16-11)靜質(zhì)量：mo=0(光子的速度?=c)(3)光子的動(dòng)量(16-12)c=??例題16-1已知銫的紅限波長(zhǎng)?o=6500?,今有波長(zhǎng)為?=4000?的光投射到

6、銫表面,試問(wèn):(1)由此發(fā)射出來(lái)的光電子的速度是多少?(2)要使光電流為零，遏止電勢(shì)差為多大?解(1)由光電效應(yīng)方程代入數(shù)據(jù)求得:?=6.5×105(m/s)(2)由公式c=??由此求得:Va=1.19(V)h=6.63×10-34例題16-2波長(zhǎng)為?的光投射到一金屬表面,由此發(fā)射出來(lái)的光電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中作半徑R的圓運(yùn)動(dòng),求此金屬的逸出功及遏止電勢(shì)差。解由公式得由得例題16-3以一定頻率的單色光照射到某金屬表面,測(cè)出其光電流的曲線(xiàn)如圖中實(shí)線(xiàn)所示；然后在光強(qiáng)度不變的條件下增大照射光的頻率，測(cè)出其光電流

7、的曲線(xiàn)如圖中虛線(xiàn)所示。滿(mǎn)足題意的圖是圖16-3VIo(A)VIo(B)VIo(C)VIo(D)(D)例題16-4一平面單色光的能流密度S=30(W/m2),垂直投射到某金屬表面，(1)求單位時(shí)間內(nèi)投射該金屬表面單位面積上的總動(dòng)量;(2)若金屬表面的反射率為1,求金屬表面受的光壓。解單位時(shí)間內(nèi)投射該金屬表面單位面積上的光子數(shù)為于是單位時(shí)間內(nèi)投射該金屬表面單位面積上的總動(dòng)量為=1.0×10-7(kg.m.s-1)=2.0×10-7(pa)由動(dòng)量定理:F?t=?p=2?p,于是光壓為§16-2康普頓散射1.散射向

8、一定方向傳播的光線(xiàn)通過(guò)不均勻物質(zhì)后，向各個(gè)方向傳播的現(xiàn)象，稱(chēng)為散射。按照經(jīng)典波動(dòng)理論，光波照射到物質(zhì)上，引起物質(zhì)分子作受迫振動(dòng)，分子振動(dòng)就向各個(gè)方向發(fā)出散射光。不過(guò)，各個(gè)方向的散射光與入射光的頻率和波長(zhǎng)是相同的，而散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)成反比。這個(gè)結(jié)論對(duì)一般波長(zhǎng)是正確的。如：我們看見(jiàn)的陽(yáng)光就是一種散射光。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波長(zhǎng)極短的X射線(xiàn)被輕元素(如石墨)散射后，散射光的波長(zhǎng)卻隨散射角?的增大而增大。這種改變波長(zhǎng)的散射，