光学》光的量子性71√

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1、2019/2/14,1,Click to edit Master subtitle style,济南大学 物理学院,光学,optics,2019/2/14,2,光学课件目录,济南大学理学院,2019-2-14,2019/2/14,复习上节课主要内容,第六章 光的吸收 色散和散射,6.1 光的吸收,朗伯定律,吸收与介质折射率的关系复折射率,一般吸收与选择吸收,2019/2/14,6.2 光的色散,一、色散的概念,二、正常色散与反常色散,三、相速与群速的概念,2019/2/14,6.3 光的散射,光的散射光通过某些介质（光学性质不均匀）时，在偏离正常传播方向上有光出射的现象。,散射可改变入射光的光

2、强空间分布、偏振态或频率,频率不改变的散射有：瑞利散射、米氏散射、廷德尔散射。,频率改变的散射有：拉曼散射、布里渊散射。,2019/2/14,瑞利散射的特点：,1.散射光的波长与入射光的波长相同（光频不变的散射）。,2.散射光的强度与波长的四次方成反比。,瑞利散射定律,3.散射光的光强（自然光入射）,（方向的光强）,4.自然光入射时，各方向的散射光一般为部分偏振光，在垂直入射光方向上的散射光为线偏振光，沿入射光方向或其逆方向的散射光仍为自然光。,2019/2/14,第七章 光的量子性,7.1黑体辐射 7.1.1 两种不同形式的辐射 7.1.2 基尔霍夫热辐射定律 7.1.3 黑体辐射的实验规律

3、 7.1.4 黑体辐射的经典理论及其与实验 的矛盾 7.1.3 能量子假设和普郎克公式,2019/2/14,7.2光的粒子性及其实验基础 7.2.1 光电效应 7.2.2 康普顿效应是说明光的粒子性的 另一个重要的实验 73光的波粒二像性,第七章 光的量子性,2019/2/14,7.1 黑体辐射,7.1.1 两种不同形式的辐射,对辐射源补充能量的方式，以及在辐射过程中辐射源原子或分子的内部运动状态是否发生变化，分为两种辐射：,一、发光：辐射源原子或分子内部运动状态发生变化相联系的辐射,发光有以下几种形式：,1. 电致发光：电能直接转化为光能的过程。,如：火花放电，辉光放电等。,2019/2/1

4、4,2. 光致发光：由外来的光照射或预照射后，物体本身的发光。,如：荧光、磷光、日光灯等。,3. 化学发光：由于化学反应而发光的过程。,如：燃烧。,4. 阴极射线致发光：由电子束轰击而引起的物质发光.,如：荧光屏。,5、热致发光：物体加热到一定程度也会发光,如：食盐在火焰中发出的钠黄光。,2019/2/14,二、热辐射,物体由于其内部原子、分子具有热运动而以电磁波的形式向外辐射能量的过程称为热辐射。,热辐射与热发光的区别：,1. 热辐射在任何温度下（T 0K)都能进行。,2. 热辐射是辐射源与周围物体之间热传递的一种方式。,热辐射在不断地向外辐射能量，同时也吸收外界热量，最后达到热平衡。,3.

5、 热辐射的辐射谱是连续谱，而热发光辐射谱为线状谱或带状谱。,2019/2/14,4. 热辐射在气体、液体、固体之间均可发生，而热发光则主要发生在稀薄气体中。,7.1.2 基尔霍夫热辐射定律,一、与辐射场有关的几个物理量,单位体积内物体的总辐射能量，称为辐射场的能量密度。,能量密度（U）,单位体积内，物体所辐射出的频率在附近单位频率间隔内的辐射能量，称为能量密度的谱密度或光谱能量密度.,2. 光谱能量密度U(v ),2019/2/14,光谱能量密度与总能量密度的关系,单位时间内，通过辐射场中某一面积的辐射能。也称为辐射功率。,单位时间内，通过辐射场中某一面积的频率在v 附近单位频率间隔内的辐射能

6、量称为光谱辐射通量。,3. 辐射通量,4. 光谱辐射通量（v）,单位表面积所发出的辐射通量。,5. 辐射出射度R,2019/2/14,频率在v 附近单位频率间隔内的辐射出射度。,辐射场中物体所吸收的辐射通量与照射到该物体上的辐射通量之比。用 A 表示。,如不是物体辐射而是被照射相应的有辐照度和光谱辐照度，用E 和e(v) 表示。,频率在v 附近单位频率间隔内的吸收率, 用 a 表示。,6. 光谱辐出度r (v),7. 吸收率,8. 光谱吸收率,2019/2/14,二、基尔霍夫热辐射定律,基尔霍夫热辐射定律主要讨论辐出度与吸收率之间的关系。,如图所示的系统，最终要达到热平衡。,处于热平衡的任何物

7、体，它的光谱辐出度与光谱吸收率之比是一个频率与温度的普适函数, 与物体的性质无关。(基尔霍夫热辐射定律),2019/2/14,7.1.3 黑体辐射的实验规律,一、绝对黑体,如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。,基尔霍夫定律中的普适函数就是黑体的光谱辐出度,绝对黑体模型,开有一个小孔的绝热等温孔腔。,2019/2/14,2019/2/14,二、黑体辐射谱的测定及实验规律,绝对黑体单色辐出度按波长分布实验,1.实验装置,2019/2/14,2. 实验曲线,3. 几个实验定律,（1）斯忒藩玻尔兹曼定律,曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度 ，

8、即,（斯忒藩玻尔兹曼常数）,2019/2/14,（2）维恩位移定律,最大值所对应的波长为 。,当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。,峰值波长。,维恩位移定律指出：,2019/2/14,7.1.4 黑体辐射的经典理论及其与实验的矛盾,一、维恩经验公式,式中，1、2 为常数，c 为真空中光速。,维恩公式仅在短波区域与实验曲线符合的很好,而在长波长区域却与实验不符。,二、瑞利金斯经验公式,瑞利-金斯经验公式在长波区域与实验曲线符合的很好，在短波区域与实验曲线不符合。,历史上称为“紫外灾难”。,2019/2/14,2019/2/14,7.1.5 能量子假设与普朗克公式,一、普朗克的

9、能量子假设, 普朗克能量子假说,辐射物质中具有带电的线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量 (称为能量子)的整数倍，即：,（n为正整数）,2019/2/14,对于频率为 的谐振子最小能量为,h 称为普朗克常数。,振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。,在能量子假说基础上，普朗克给出了黑体辐射公式。,二、普朗克公式,2019/2/14,分别是玻尔兹曼常数和光速。,普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等等。它成为现代理论的重要组成部分。,由普朗克公式可得其他定律,2019/2/14,2019

10、/2/14,M.V.普朗克 研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量量子化的假设。,1918诺贝尔物理学奖,2019/2/14,7.2 光的粒子性及其实验基础,7.2.1 光电效应,一、光电效应的实验装置和实验规律,2019/2/14,2 . 光电子初动能和入射光频率的关系,1. 光电流与入射光光强的关系,结论：单位时间内电极上逸出的光电子数和入射光 光强成正比 .,实验指出：饱和光电流和入射光光强成正比。,当反向电压加至 时光电流为零，称 为遏止电压。,遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：,2019/2/14,U0和金属有关的恒量；,k和金属无关的普适恒量。,实验指出：遏止电压和入射光

11、的 频率有线性关系，如图所示。,2019/2/14,结论：光电子初动能和入射光频率成正比，与入射光光强无关。,3、存在截止频率（红限）,对于给定的金属, 当照射光频率 小于某一数值 (称为红限)时, 无论照射光多强都不会产生光电效应。,2019/2/14,结论：光电效应的产生几乎无需时间的累积。,因为初动能大于零，因而产生光电效应的条件是：,红限频率（截止频率）,4 . 光电效应瞬时响应性质,实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子出现只需要 的时间。,2019/2/14,2019/2/14,1. 按经典理论光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。,二、经典电磁波理论的缺陷

12、,3. 无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。,2. 无法解释红限的存在。,2019/2/14,三、 爱因斯坦方程 光量子（光子）,(爱因斯坦光电效应方程),爱因斯坦光子假说：,金属中的自由电子吸收一个光子能量 以后, 一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功A, 一部分转化为光电子的动能，即：,2019/2/14,3. 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。,爱因斯坦对光电效应的解释：,2.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。,1.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。,4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率,2019/

13、2/14,光子的能量 质量和动量,光子质量为,光子的动量为,光子能量为,2019/2/14,A.爱因斯坦 对现物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的定律。,1921诺贝尔物理学奖,2019/2/14,7.2.2光的粒子性的另一个重要的实验康普顿效应,1922-1933年间康普顿（A.H.Compton）观察X 射线通过物质散射时，发现散射的波长发生变化的现象。,1927诺贝尔物理学奖,2019/2/14,康普顿实验装置示意图,可测量各种散射角下的散射线的波长与强度,2019/2/14,康普顿实验指出,改变波长的散射,康普顿散射,(康普顿效应),散射光中除了和入射光波长 相同的射线之外，还出现一种

14、波长 大于 的新的射线。,2019/2/14,石 墨 的 康 普 顿 效 应,=0,O,(a),(b),(c),(d),o,相,对,强,度,（A）,0.700,0.750,波长,2019/2/14,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=0,=45,O,O,石 墨 的 康 普 顿 效 应,(a),(b),(c),(d),相,对,强,度,0.700,0.750,波长,（A）,o,2019/2/14,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=0,=45,O,O,石 墨 的 康 普 顿 效 应,(a),(b),(c),(d),相,对,

15、强,度,0.700,0.750,波长,（A）,o,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=90,O,2019/2/14,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=0,=45,O,O,石 墨 的 康 普 顿 效 应,(a),(b),(c),(d),相,对,强,度,0.700,0.750,波长,（A）,o,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=90,=135,O,O,2019/2/14,我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：,2019/2/14,总结实验曲线的特点：P396,1. 对各种物质及不同散射角(= 0除外)，散射线中均有波长不变成分()及波长变长成分()。,2. 当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。,3. 对同一散射物质,谱线的强度随的增大而减小,谱线的强度随增大而增大；对不同散射物质在同一散射角下, 谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增大, 谱线的强度随散射物质的原子序数的增大而减小。,2019/2/14,经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到