第二十章 量子光学基础

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1、6第二十章量子光学基础第二十章量子光学基础§20－1热辐射基尔霍夫定律一．热辐射1．热辐射：在一定时间内辐射能量的多少及能量按波长的分布都与物体的温度有关，故称电磁辐射为热辐射（温度辐射）；辐射能()，如炉子,酒精灯…2．平衡热辐射：相同时间内辐射与吸收的能量相等，T不变二．辐出度(辐射出射度,发射本领)1．单色辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的波长在范围内辐射能量和波长间隔的比值2．辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的各种波长的辐射总能量。三．吸收比、反射

2、比1．吸收比：单色吸收比：2．反射比：单色反射比：不透明物体：四．绝对黑体（黑体）1．定义：的物体是理想模型，可用一带有小孔的空腔近似黑色物体：吸收所有入射可见光黑洞：且2．灰体：6第二十章量子光学基础一．基尔霍夫定律热平衡状态时，任何物体的单色辐出度与单色吸收比之比，等于同温度条件下绝对黑体的单色辐出度因此，“绝对黑体的单色辐出度”，是当时研究的尖端课题。推论：①若TA＝TB，则辐射多的吸收也多，不能辐射亦不能吸收；②一定时，绝对黑体辐射和吸收的能量比同温度下的其它物体都多。例1：温度分别为和的A

3、、B两物体处于绝热容器内，若，试分析A、B两物体的热辐射情况例2．的两个环境中，分别置入物体A、B，若，试分析A、B两物体的热辐射情况§20－2绝对黑体的辐射定律一．实验研究1．装置2．结果二．实验定律1．维恩位移定律2．斯特藩－玻尔兹曼定律例：地球距离太阳,太阳直径，太阳表面的温度。若太阳可看成绝对黑体，问在地球表面受阳光垂直照射时每平方米的面积上每秒钟得到的辐射能是多少？6第二十章量子光学基础§20－3普朗克公式一．前人的工作1．瑞利－金斯的工作：经典的电磁场理论＋能量均分原理；此公式长波段与实

4、验符合得很好2．维恩的工作：经典的电磁场理论＋玻尔兹曼－麦克斯韦分布；此公式短波段与实验符合得很好,“把物理学直接引到了量子物理的大门口”,获1911年诺贝尔奖二．普朗克公式此公式获得了巨大的成功：1．圆满解释了实验曲线；2．可导出斯特藩－玻尔兹曼定律3．可导出维恩位移定律。三．普朗克假设：1．空腔黑体可用一些线性谐振子来代表；2．谐振子只能处于某些特殊的不连续的状态中，它们的能量只能是的整数倍；3．发射和吸收的能量只能是的整数倍。四．历史回顾1894年起，普朗克从热力学研究中转到黑体辐射问题上，那

5、里“风平浪静”。他的目标是追求熵原理与电动力学的协调一致1897~1899年,五篇报告总题目为“不可逆辐射过程”-柏林科学院；维恩公式，他很快接受，并用更系统的方法推导之1900年2月得知维恩公式有长波段偏差显著1900.10.7，鲁本斯夫妇访问了他，并告知一重要信息：瑞利公式在长波段与实验符合得很好，当天即用内插法获得新的辐射公式…1900.12.14，在德国赫姆霍兹研究所召开的德国物理学会会议上报告了他的革命性的发现：《正常光谱中能量分布律的理论》物理学史上公认这一天为量子论的诞生日：自然科学新

6、纪元的开端1918获诺贝尔奖6第二十章量子光学基础§20－4光电效应爱因斯坦方程一．光电效应：可见光或紫外光射到某些金属表面上时，有电子从表面逸出的现象。实验装置：如图二．光电效应的实验规律1．光电子数与入射光强度间的关系－光电效应第一定律；即：单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光的强度成正比2．光电子的最大初动能与入射光频率间的关系:光电效应第二定律即：光电子的最大初动能随入射光的频率增大而线性增大，与入射光的强度无关。3．红限频率,光电效应第三定律，才会产生光电效应（P．222表20－1，

7、各种常用金属的红限频率）光电效应第三定律：当光射到某一给定的金属时，无论入射光的强度如何，当其频率小于时，则不会产生光电效应；4．光电效应的时间：三．光电效应与光的波动理论的矛盾1．光子的初动能：按波动说，应取决于入射光强2．光电效应的时间：按波动说，入射光越弱，其积累能量的时间越长，……电子获得足够的能量才能逸出。四．光子假设爱因斯坦方程（1905年）逸出功：电子逸出物体表面所需的最小能量。1．光子假设→光具有粒子性①光是运动着的粒子流→光子②每个光子的能量为如：③光的能流密度：：单位时间内通过垂

8、直于传播方向单位面积的光子数。2．爱因斯坦方程6第二十章量子光学基础金属中的电子吸收一个光子的能量→逸出功＋光电子的初动能解释：①：光子数光电子数②：遏止电压，：逸出电位③光电子动能不小于零④：光子能量电子，无须能量积累时间1．爱因斯坦理论的验证1916年，密立根进行了精密的测量，证明确为直线，且直线的斜率为。1923年获奖4.光子的能量、质量和动量一．对光的波粒二象性的理解1．同时具有，都是光的本性；2．不同时显现；1921年，爱因斯坦因对物理学的贡献，特别是光电效