《光的量子性与激光》PPT课件

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1、光学教程第五篇量子光学基础7/20/20210光的量子性与激光研究的主要问题：黑体辐射规律与普朗克公式；光量子的提出与发展；激光的形成和特性。要点：1.普朗克对黑体辐射规律的解释；2.从光量子到波粒二象性；3.激光的产生条件和特性。7/20/20211热辐射：按照能量转化的特点，可将物体发射辐射的方式分为两大类：1.由原子或分子内部运动能量转变为辐射能的过程称为发光。电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；2.发射的辐射能是由物体中原子、分子的热运动能量转变而来，即热运动能量转变为辐射能的过程称为热辐射。若物体从外界吸收的热量恰好等

2、于因辐射而减小的能量，该热辐射称为平衡热辐射(温度辐射)。热辐射的光谱是连续光谱。§1热辐射和基尔霍夫定律7/20/20212基尔霍夫定律：定义辐射体在其波长附近的单位波长间隔内的辐出度为单色辐出度：物体在其波长附近的单位波长间隔内的吸收率，称为单色吸收率：基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长的普适函数，与物体的性质无关。7/20/202137/20/20214黑体：(,T)<1且与波长无关的物体称为灰体。在任何温度下，对任何波长的单色吸收率均恒等于1的物体称为绝对黑体。此时：7/20/

3、20215平衡辐射时黑体的单色辐出度：面元ds所张立体角试推导在平衡辐射时黑体的单色辐出度(,T)与单色辐射能量体密度u(,T)的关系。内传播的能量为：7/20/20216平衡辐射时黑体的单色辐出度：在t时间内通过ds的总能量为：7/20/20217平衡辐射时黑体的单色辐出度：平衡状态下，黑体单位面积发出的辐射能等于吸收的辐射能，故：7/20/20218§2黑体的经典辐射定律黑体辐射谱：黑体辐射谱测试图黑体辐射谱7/20/20219黑体辐射的实验定律：1.Stefan-Boltzmann(斯特藩-波尔兹曼)定律=5.67×10-8

4、W/(m2K4)，Stefan-Boltzmann常数。b=2.898×10-3mK，Wien常数。绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：2.Wien(维恩)位移定律任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值所在波长与绝对黑体的温度成反比。7/20/202110黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：想从经典理论中寻求函数的解析形式的尝试都遭到了失败，若干失败的教训却为最后的成功打开了道路。1.Wien公式的导出思路假设黑体的辐射由许多可以看成谐振子的分子发射的，辐射的频率只与分子的速度v有关，因此辐射能量按频率的分布应和Maxwe

5、ll分布相似，即：7/20/202111瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的平均能量为kT，因此：瑞利――金斯公式或：7/20/202112普朗克的研究：1.普朗克经验公式：§3普朗克辐射公式能量子7/20/202113普朗克辐射公式：普朗克假设，黑体是由极多的带电的线性谐振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周围电磁场交换能量。设在温度为T的热平衡状态，频率为的谐振子的平均能量为。由电磁理论可以证明，此时辐射能量的体密度为：故黑体辐射的单色辐出度为：7/2

6、0/202114普朗克辐射公式：由波尔兹曼分布，热平衡下，能量为的几率正比于e-/kT：这个结果对应的，正是瑞利――金斯公式。普朗克意识到，失败的原因就是引用了“谐振子的能量是连续变化的”这个概念；他考虑谐振子的能量是不连续变化的，只能取一些分立值，这些分立值是某一最小能量0的整数倍。7/20/202115普朗克辐射公式：若考虑频率为的谐振子，最小能量是：0=h，h=6.636176×10-34Js由波尔兹曼分布，谐振子处于能量n0状态的几率与e-/kT成正比。7/20/202116普朗克辐射公式：代入得：普朗克公式7/2

7、0/202117普朗克辐射公式：由普朗克公式导出：对波长辐出度求极大值，得超越方程：7/20/202118普朗克辐射公式的讨论：普朗克在推导过程中仍然使用了经典的波尔兹曼分布，且最小能量为零；实际上振子在最低的能量状态，也还有能量h/2。玻色和爱因斯坦应用量子统计，重新导出了普朗克辐射公式，并消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。7/20/202119利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，称为光测高温法。如果被测物体的光谱分布曲线和绝对黑体在某一温度T0时的普朗克曲线相似，则温度T0称为被测物体的色温

8、度。§4光测高温法色温法：7/20/202120亮温法：对所选择的波长（通过滤色片选择），若其亮度和灯丝发出的该谱线亮度相等，则认为二物体温度一致，该温度称为亮温度。7/20/2