大学物理课件8光的量子性

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1、第十八章光的量子性与激光发展史普朗克：提出量子概念爱因斯坦：提出光子学说主要内容：波粒二象性激光玻尔：建立量子论，解释原子光谱德布罗意：建立波粒二象性概念“18.1热辐射和普朗克能量子学说一、热辐射（heatradiation）当物体辐射能量等于它同时间内吸收的辐射能时，物体温度保持不变，称为平衡热辐射。物体在一定时间内辐射能量多少和辐射能按波长分布与温度相关的电磁辐射称为热辐射。温度发射的能量电磁波的短波成分——高温物体发出的是紫外光；——炽热物体发出的是可见光;——低温物体发出的是红外光；1

2、.基本概念注意2.辐射度量[1]光谱辐出度(spectralradiantexcitance)单位时间内,从物体单位出射度用Mλ(λ,T)表示.。单位时间T单位面积相关因素：T、λ物质种类表面情况激光,日光灯发光不是热辐射限于平衡热辐射的讨论。表面发出波长在λ附近单位波长间隔内的电磁波的能量,称为光谱辐射不同温度下辐射能按波长分布。由Mλ(λ,T)分布可确定物体的温度。[2]辐出度(radiantexcitance)单位时间内,从物体单位表面发出所有波长的电磁波的能量,称为辐出度，用M(T)表示。单位：W

3、/m2二、黑体及辐射规律1.黑体（Black-body）完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体[3]吸收比与反射比物体单位表面吸收或反射能量与入射能量比值称为吸收比(λ,T)或反射比(λ,T).M0(λ,T)最大,且只与温度有关而和材料及表面状态无关。♠维恩设计的黑体——空腔开口面2.黑体辐射的基本规律实验规律!（如图）A.黑体辐射谱曲线与横轴围的面积就是Mo(T)——基尔霍夫辐射定律B.维恩位移定律(Wiendisplacementlaw)若视太阳为黑体，测得定出：T表面=5700K1879年斯特藩从

4、实验上总结而得1884年玻耳兹曼从理论上证明C.斯特藩-玻耳兹曼定律M0(T)=T4=5.6710-8W/m2K4斯特藩—玻耳兹曼常量1893年由理论推导而得，1911年获得诺贝尔物理学奖三、黑体辐射理论1.经典物理学遇到的困难问题：如何从理论上找到符合实验的函数式?著名公式之一：维恩公式（1896年）——从热力学理论及实验数据的分析而得。C1,C2为常数著名公式之二：瑞利-金斯公式（1900年）——从经典电动力学和统计物理学理论推导而得。瑞利—金斯公式——短波部分完全不符——长波部分出现偏差。维恩

5、公式M0(l,T)l(10-6m)1646K♠由经典理论导出的M(T)～公式都与实验结果不符合！物理学晴朗天空中的一朵乌云!“紫外灾难”2.普朗克量子假说辐射物质中具有带电的线性谐振子，每个谐振子只能吸收或发射不连续的一份一份的能量这个能量正比于振子频率n，并且只能是最小能量单元e0=hn（能量子）的整数倍。即振子能量为：En=nhn由此导出：与实验曲线符合得很好普朗克常数(Planckconstant)1o极端情况下过渡为维恩、金斯公式当波长很短，温度较低时令：维恩公式当波长很长，温度较高时金斯公式

6、2o对Mo(λ,T)求导和积分，可以给出维恩位移定律和玻尔兹曼定律。3o注意经典与量子能量观点的关系经典能量分布量子为什么在宏观世界中,观察不到能量分离的现象?连续不连续例：质量为m=1g、振幅A=1mm、劲度系数k=0.1N/m弹簧振子的频率是现在可实现分辨率为：所以宏观的能量变化看起来都是连续的。1.光电效应现象一、光电效应（photoelectriceffect)赫兹在1887年发现光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应。这时产生的电子称为光电子。2.实验规律装置：如图所示规律：观察现象得出勒纳德

7、才证明带电粒子是电子。18.2光电效应和爱因斯坦光子假说II1I2UaIm2Im1(1)饱和光电流Im光照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。向阳极A运动，形成光电流。入射光一定，两极电压达到一定数值后，光电流的稳定值。饱和光电流与阴极逸出电子数N之间有如下关系——与入射光强度成正比。(2)截止电压Ua使光电流为零所需加的反向电压，满足截止电压Ua与入射光频率ν呈线性关系其中:K是一个普适常数，Uo与材料有关。——光电子初动能与入射光强无关。(3)截止频率νo对于给定材料，存在一个极限频率νo,ν<νo时，无

8、论入射光多强，不产生光电效应。(4)响应时间很短光不仅在吸收、辐射时是以能量子的微粒形式出现，而且在传播中也是以光速运动的微粒，称为光量子，简称光子。光子的物理量为2.光电效应方程(photoelectriceffectequation)Wm为逸出功三、爱因斯坦的光子理论二、经典理论的困难光的波动学说不能解释光电效应。1.光子(photon)依据能量守恒得到：电子是一次性吸收光子能量，不需要积累能量的时间。3.对实验规律的解释