1、同同 学学 们们 好好 第五篇第五篇 量子现象和量子规律量子现象和量子规律 场的量子性 量子力学基本原理 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 ） 第十一章第十一章 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
2、难 旧量子论 激光 重点：爱因斯坦光子论，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 第一节第一节 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
3、周围其它物体的辐射能。 当发射 = 吸收时，其温度不变 平衡热辐射 （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 6 1700K 1500K 1300K 1100K 实验曲线 维恩位移定
4、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 T1 T2 T1 T1 例 由测量得到太阳辐射谱的峰值为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，
5、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 1mm , 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 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 实验值 瑞利-金斯线
6、 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 1
7、918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： 第二节第二节 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 一、光电效应 1.实验规律 (1) 光电效应是瞬时发生的 i t(s) 10-9 i is O U 饱 和 电 流 U0 遏 止 电
8、 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， i is u oua 实验指出遏止电压 和入射光频率有线 性关系： o ua CsNa Ca (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。 (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0 o ua CsNa Ca 3. 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
9、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h eUa 0h A -A 5.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. 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 ：
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