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1、同同 学学 们们 好好量子现象和量子规律量子现象和量子规律第16章场的量子性第17章量子力学基本原理第18章量子力学应用简介普朗克能量子理论爱因斯坦光量子理论玻尔氢原子理论激光原理原子结构固体能带理论*超导*液晶物质波波函数不确定关系德布罗意公式人类对光的本性的认识 :早期牛顿：微粒说惠更斯：波动说（光是以太中的机械波）经典光学麦克斯韦电磁说（光是电磁波）近代光学爱因斯坦光子说（光是光量子流 ）现代光学信息光学来自经典光学（夫琅和费衍射 ）强光光学来自近代光学（激光 ）第十七章第十七章 场的量子性场的量子性上章介绍 夫琅和费衍射信息光学本章线索 ：经典光学的困难旧量子论激光重点：爱因斯坦光子论
2、，激光结构框图黑体辐射的 实验规律普朗克能量 子假设光与物质的 相互作用爱因斯坦光 子理论激光 原理*非线性 光学简介氢原子光谱 实验规律玻尔氢原 子理论学时： 617-117-1 热辐射热辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说一、黑体辐射的实验规律 1.热辐射 一切物体都以电磁波形式向外辐射能量，其功率和 波长取决于物体的温度，称为热辐射 固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K不同的原子辐射谱线的颜 色（频率）成分不同：锶(Sr) 铷(Rb) 铜(Cu)2. 绝对黑体模型：空腔小孔物体发射能量的同时，又吸收周围其它物体的辐射能。当发射 = 吸收时，其温度不变 平衡热
3、辐射（动态平衡 ）能全部吸收（不反射）任何波长的 入射辐射能的物体 绝对黑体物体对外来辐射能量的吸收、反射具有选择性 ，绝热不 透明3. 绝对黑体的辐射定律实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致。黑体完全吸收体理想发射体单位时间内，从物体表面单位面积上发射的波长定义两个物理量：单位时间内从物体表面单位面积上发射的各种 波长的总辐射能T热电偶平行光管绝对黑体三棱镜测定黑体单色辐射本领按波长分布的实验装置0 1 2 3 4 5 61700K1500K1300K1100K实验曲线 维恩位移定律维恩常数： 斯忒潘波尔兹曼定律斯忒潘恒量 ：实验定律 ：T3 T2 T1T2 T1T1例 由测量得到太阳
4、辐射谱的峰值为490 nm，计算太阳表面温度、辐射功率和地球表面单位面积上接受到的太阳辐射能功率。解：将太阳视为黑体，由维恩位移定律由斯忒潘波尔兹曼定律正对太阳辐射的地球表面单位面积上接受到的辐射能功率：注意：本题中“模型”的作用应用介绍 ： 红外遥控技术进行地球考察 宇宙背景辐射：与 T = 2.7 K 黑体辐射曲线相符大爆炸和宇宙膨胀：宇宙起源于一个奇点的大爆炸，高度简单、对称，时间、空间、真空场引力从统一力中分离，粒子产生（未区分），继续膨胀，强作用、弱作用、电磁作用逐次分 离，各种粒子相互转化.光子海，粒子丰度基本不变.一百万年： 3000 K, 原子形成 .大爆炸遗迹：光子波长 1m
5、m , 相应温度 5K 宇宙背景辐射：与 T = 2.7 K 黑体辐射曲线相符（相对强度 ）1978年 诺贝尔物理奖（大爆炸宇宙学论据）1990年 美国COBE卫星精密观测，得其能谱为1964年 贝尔实验室威尔孙彭齐亚斯、发现二. 经典物理的困难1. 瑞利金斯公式长波与实验曲线吻合短波相差很大紫外灾难2. 维恩公式短波与实验曲线接近 长波相差很大从经典理论出发推01 2 3 4 5 6 7 8 9实验值瑞利-金斯线紫 外灾 难维恩线三、普朗克能量子假说1. 经验公式在维恩公式和金斯公式之间用内插法得出与实验曲 线相符的经验公式0(T,)2. 能量子假设（模型）黑体：由大量包含各种固有频率 的谐
6、振子组成的系统能量子谐振子的能量只能取某个基本单元的整数倍能量子能量作用量子 普朗克恒量3. 意义 ： 导出与实验曲线相吻合的经验公式，解决了黑体辐射的困难。 引入能量量子化的概念，是量子物理开端，为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定基础 。“敲响近代物理晨钟” 普朗克恒量 h 已经成为物理学中最基本、最重 要的常数之一。1900年12月14日 正常光谱中能量分布律的理论 1918年 诺贝尔物理奖量子力学诞生日“我当时打算将基本作用量子 h 归并到经典理论 范畴中去，但这个常数对所有这种企图的回答都是 无情的”“企图使基本作用量子与经典理论调和起来的这 种徒劳无功的打算，我持续了很多年，它使我
7、付 出了巨大的精力” 普朗克普朗克之魂 四川人民出版社 1992 作者 赵鑫珊推荐读物：17-217-2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论光与物质相 互作用的基 本形式光电效应光子论的提出康普顿效应 电子偶效应光子论的应用和检验1.光电效应的实验规律(1) 光电效应是瞬时发生的it(s) 10-9iisOU饱 和 电 流U0遏 止 电 压光强较强光强较弱(2) 入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比(3) 光电子初动能和入射光频率的关系遏止电压的存在说明 光电子具有初动能，iisuoua实验指出遏止电压 和入射光频率有线 性关系： ouaCsNa Ca(1) 按经典理论光
8、电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。(2) 无法解释红限的存在。(3) 无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。2.经典电磁波理论的困难(4) 对于任何金属，存在一个红限频率0ouaCsNa Ca3. 爱因斯坦光子理论 光是以光速运动的光子流 光强即光的能流密度N:单位时间通过垂直于单位面积的光子个数 每个光子能量和动量4. 光电效应方程由能量守恒：入射光子能量 = 逸出功 + 光电子初动能斜率heUa0hA-A5.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释2)光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以饱和光电流也大。1) 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积过
9、程。 4) 从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率：光电效应现象在日常生活中已有了广泛的应用3) 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系。例题波长为 4000 的单色光照射在逸出功为 2.0 的 金属材料上，光射到金属单位面积上的功率为，求：1) 单位时间内、单位面积金属上发射的光电子数2) 光电子的最大初动能解： 1) 对于单光子光电效应，金属发射的光电子数 等于在同一时间内射到金属表面的光子数：2) 由爱因斯坦光电效应方程 ：光电子的最大初动能为 ： 普朗克能量子理论 爱因斯坦光量子理论一、光电效应1. 实验规律2. 经典电磁波理论的困难 *3. 爱因斯坦光子理论*4
10、. 光电效应方程5. 爱因斯坦光子理论对光电效应的解释本讲内容 ：自学：171页 多光子吸收6.光的波粒二象性爱因斯坦论我们关于辐射本质和组成观点的发展“象人们已经知道的那样，光的干涉、衍射现象表 明对于把光看成是一种波动，看来是难以怀疑的 ，而不容否认的是有这样一类关于辐射的事实表 明，光具有某些基本属性，这些属性用光的发射 论点比光的波动观点好得多。”“两种特性结构，波动结构和量子结构都应当适合 于辐射，而不应当认为彼此不相容。理论物理发 展的随后一个阶段将给我们带来这样一种光学理 论，它可以是光的波动论和发射论的某种综合， 需要建立一个既能描述辐射的波动结构，又能描 述辐射的量子结构的数学理论。”光的性质 不同侧面波动性 ：突出表现在传播过程中 （干涉、衍射） 粒子性 ：突出表现在与物质相互作用中（光电效应、康普顿效应、电子偶效应）单纯用波动粒子均不能完整地描述光的性质无法用经典语言准确建立光的模型光：既不是经典波，又不是经典粒子光子：用量子力学描述光子的量子力学模型振幅越大，表示光子数越多， 光子到达该处概率越大 概率波。“波粒二象性”借用经典“波”和“粒 子”术语，但既不是 经典波，又不是经 典粒子。
