第21章_量子光学基础

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1、第21章量子光学基础§21-1引言十九世纪末，经典物理已发展得相当成熟，人们认为，对物理现象本质的认识已经完成。海王星的发现和电磁理论对波动光学的成功解释，更使人感到经典物理似乎可以解决所有问题.。当时很多物理学家都认为：物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要做些修补工作就行了。然而在人类即将跨入20世纪的时候，却发现了某些无法用经典理论解释的实验现象：M－M实验“零结果”热辐射“紫外灾难”。1900年，Kelvin在新千年的祝词中把此称为是晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云”。这些矛盾迫使人们跳出传统的物理学框架，去寻找新的解决途径。人类跨入20世纪的时候，物理学也开始了新的纪元

2、——从经典物理走向了近代物理。量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，就建立了一套完整的量子力学理论.黑体辐射实验量子理论诞生迈克尔逊干涉仪实验相对论诞生-----热能传递的重要方式之一。一、热辐射一个具有一定温度的物体，受热就会发光，热量（或热能）会向四面八方发射----辐射。温度越高辐射能量越多，称为热辐射。1.热辐射的特点①热辐射的实质是电磁辐射②温度不同时,辐射的波长（或频率）也不同。③任何一种物质不仅能发射热辐射，同时还能吸收热辐射，两者同时进行。④

3、吸收本领强的物质发射本领也强。§21-2.普朗克的能量子假说低温物体发出的是红外光，炽热物体发出的是可见光，极高温物体发出的是紫外光。红外照相机拍摄的人的头部的热图热的地方显白色，冷的地方显黑色维恩设计的黑体2.黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体，黑体是理想化模型，——小孔空腔即使是煤黑、黑珐琅对太阳光的吸收也小于99%。电磁波射入小孔后，很难再从小孔中射出。单位时间内，从物体单位表面发出的频率在附近单位频率间隔内的电磁波的能量。①单色辐出度M：②辐出度温度T时单位时间内、单位面积整个频率范围内的辐射出能量。3.热辐射的描述方法描写物体辐射本领的物理量。二.黑体辐射谱（M～

4、关系）的规律1.黑体辐射测量的实验装置会聚透镜黑体平行光管棱镜热电偶测M(T)2.黑体辐射谱的实验规律0481056000K3000K不同温度下的黑体辐曲线如图19世纪末，许多物理学家欲从理论上导出黑体的单色辐射出度M和υ的关系式。三.经典物理学遇到的困难▲著名公式之一：维恩公式1896年维恩从热力学理论及实验数据的分析得:，为常量1911年诺贝尔物理学奖获得者—维恩德国人1864-1928热辐射定律的发现维恩公式在高频段与实验曲线符合得很好，但在低频段明显偏离实验曲线。维恩公式实验曲线10-14Hz6543210M／(10-9W/(m2.HZ)123▲著名公式之二：瑞利—

5、金斯公式1900年瑞利和金斯从经典电动力学和统计物理学理论（能量均分）推导得:1904年诺贝尔物理学奖获得者—瑞利英国人1842-1919实验曲线10-14Hz6543210M／(10-9W/(m2.HZ)123瑞利--金斯公式“紫外灾难”！该公式在低频段与实验曲线符合得很好。但在高频段不符。10-14Hz6543210M／(10-9W/(m2.HZ)T=2000K实验曲线和普朗克公式维恩公式瑞利—金斯公式123由经典理论导出的M(T)～公式都与实验曲线不完全符合！这正所谓是“物理学晴朗天空中的一朵乌云!”1900年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相一致的公式，摒弃了经

6、典物理能量连续概念，提出了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假设.四.普朗克的量子论的诞生——普朗克公式该公式在全波段与实验结果惊人地符合！他指出：辐射物质中存在着带电谐振子，这些谐振子吸收或辐射的能量是间断的不连续的，辐射“能量子”的能量普朗克由此导出了的辐射公式▲普朗克公式的得出，是理论和实验结合的典范。▲量子论是不附属于经典物理的全新的理论，它的发展在此后又经过了十几年的曲折和反复。▲1918年Planck60岁时获得了诺贝尔物理奖。▲1900.12.14.Planck把“关于正常谱中能量分布的理论”的论交到了德国自然科学会，这一天后来被定为“量子论的诞生日”。普朗克德国人(1

7、858-1947)发现能量子一光电效应实验的规律1.实验装置2.实验规律红限频率（截止）几种纯金属的截止频率仅当>0时才发生光电效应，截止频率与材料有关与光强无关.金属截止频率4.5455.508.06511.53铯钠锌铱铂19.29光电子在电场作用下形成光电流。光电效应：光照射某些金属时，能从表面释放出电子的效应。产生的电子称为“光电子”。21-3爱因斯坦的光量子假说------光电效应AV遏止电压U0:加反向电压