早期量子论和量子力学基础1

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1、量子物理学牛顿力学、热学、电磁学和波动学，统称经典物理学。经典物理学研究的基本上是宏观领域的物理现象。经典物理学虽然在宏观领域取得了巨大的成功，但有它的局限性。相对论指出了经典物理学的第一个局限性不适用高速运动领域。量子物理学指出了经典物理学的第二个局限性不适用于电子、原子、分子等微观领域。相对论和量子物理学统称近代物理学。1从经典物理学到近代物理学，不仅仅是尺度上的问题，而是一次物理观念的革命，是人们认识物质世界的一次飞跃。量子物理学研究的对象是微观粒子(如电子、原子、分子等)。而微观粒子往往有我们意想不到的性质。这其中最

2、主要和最普遍的是微观粒子的量子性和波动性。量子不连续。2第13章(fundamentofquantumoptics)(6)量子光学基础3本章内容提要：光电效应及爱因斯坦的光子理论一.光电效应和其实验定律*§13-1热辐射普朗克能量子假说§13-2光电效应爱因斯坦的光子理论4一光电效应现象与实验:当光照射在阴极K(金属)时,就有电子从阴极从表面逸出.在电场的作用下,光电子由K奔向阳极A,形成光电流.AU图13-1KA-IF这种电子叫光电子.调节滑动变阻器,使加速电压增大,光电流增大.当加速电压增加到一定值时,光电流达到一饱和值

3、Is。这一现象称作光电效应现象.5AAUK不加电压,还是有光电流.I-说明光电子有初速度.6AU图13-1KA-FE加反向电压,光电流减小.当反向电压达到某一值时,光电子全部不能达到阳极,没有光电流.这一反向电压称为遏制电压,Ua表示.(13-1)7-Ua图13-2UIo光强较小IsIs光强较大光频率一定-IAU电源图13-1KA二实验规律:1.饱和电流强度与光强成正比(光的频率一定)82.光电子的初动能随入射光的频率线性增加，与入射光的强度无关。3.存在红限实验指出,对一给定的金属,当入射光的频率小于某一频率o时,无论入射

4、光强如何,都没有光电子从金属中逸出(即没有光电流)。这一频率o称为光电效应的红限频率。实验指出,不同金属物质具有不同的红限频率。4.立即发射，时延不超过10-9s。波动说的解释按照光的波动说,金属在光的照射下,其中的电子受到电磁波中电场作用而作受迫振动,吸收光波的能量,从而逸出金属表面。以上实验结果是光的经典波动图像无法解释的。9同时，只要入射光强足够大(入射能量足够多)，金属中的电子就能从光波中吸收足够的能量并积累到一定量值而逸出金属表面，根本不应存在红限频率。按照这种受迫振动的理论，光强愈大，受迫振动的振幅愈大，发射出的

5、光电子的初动能就应愈大。但实验结果是光电子的初动能与入射光强无关，而与入射光的频率成线性关系。但实验指出，当入射光的频率小于某一频率o时,无论入射光强如何,都没有光电子从金属中逸出(即没有光电流)。其次，按照波动理论，能量的积累是需要一定时间的。光电子不会立即发射。理论计算表明,在功率为1mW的入射光照射下,逸出功为1eV的金属，从光开始照射到释放出电子,大约要等待16min,这同光电效应瞬时响应的实验结果完全不符合。10三.爱因斯坦光子理论A光在空间中传播时,也具有粒子性.(大胆的假设!)一束光就是以光速c运动的粒子流，这种

6、粒子称为光子。B不同频率的光,其光子的能量不同.频率为的光的光子能量为E=h(13-2)式中,h=6.63×10-34J·s，是普朗克常数。按此假说,一束光有N个光子，则该束光的光强1.爱因斯坦光子假设11按照光子假说：在中央明条纹内,光子堆积的数目多b光与物质间进行的能量交换是以光子能量(h)为交换单位.2爱因斯坦光子方程当光和金属相互作用时,金属中的束缚电子吸收一个光子的能量后,一部分用于从金属表面逸出时所需要的逸出功,其余部分能量成为光电子的初动能.(13-3)上式称为爱因斯坦光子方程.此过程遵守能量守恒.a光

7、经过单缝衍射后,在光屏上的光强分布曲线就可以理解为光子的堆积曲线.12四.光子理论解释光电效应1按光子理论,要产生光电效应,需有光电子逸出.(13-3)当入射光的频率时,方能产生光电效应.注意:A是一个常用的式子.B称为光电效应的红限波长.当入射光波长时,才能发生光电效应.132当光子的能量时,金属中的束缚电子一次性吸收一个光子能量.无需能量积累时间因此,光电效应应该是瞬时效应.3由光子方程,知道:与成线性关系与光子数N无关,与入射光强度无关.4在满足红限频率的条件下,光强大,光子数多.因而吸收光子能量成为光电子的数目多,饱和电

8、流大.因此,饱和光电流和入射光强成正比.小结:光子理论完全成功地解释了光电效应地实验规律光电效应证明了光子假设的正确性.14五光的波粒二象性光具有干涉,衍射现象,说明光是一种波.光电效应又显示光具有粒子性.因此,光具有波粒二象性.光既是粒子又是波.在光的传播过程