光与物质的相互作用光的辐射理论

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1、一.一般特征物体在任何温度下都辐射电磁波。(例如铁块温度逐渐升高时的现象)1.基本性质：温度þ发射的能量þ电磁波的短波成分平衡热辐射：物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量1第九章光的量子性激光§1热辐射物体辐射场2.单色辐出度r(,T)从物体单位表面积上单位时间内发出的频率在附近单位频率间隔内的电磁波的能量。(单色辐射本领，书上：辐射本领的谱密度。)3.(总)辐出度R(T)2在给定温度下，单色辐出度r()就是从物体单位表面积发出的辐射能通量(对频率)的分布函数。(书上：辐射本领R)[p.260,(1.8)式]4.

2、基尔霍夫定律吸收本领a(,T)平衡热辐射，任何物体在同一温度T下的单色辐出度r(,T)与单色吸收本领a(,T)成正比，其比值只由和T决定，而与物体性质无关。(对波长)二.黑体辐射的基本规律1.(绝对)黑体：完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体，即理想的a(,T)=1的物体。它的r(,T)最大，且和材料、表面状态无关。F(,T)是与物质、物体表面状况无关的普适函数。维恩设计的黑体---空窖(空腔)只注意大小：常用波长表示，实验测得黑体的r0(,T)33.维恩(Wien)位移定律2.斯特藩-玻耳兹曼(Stefan-

3、Boltzmann)定律=5.6710－8W/m2K4黑体的辐出度RT，RT=T4斯特藩-玻耳兹曼常数极大值所对应的波长M维恩常数b=2.898×10－3m·K4经典理论遇到无法克服的困难。4.理论与实验的对比从经典物理学曾导出几种黑体辐射公式：维恩公式，…(短波长区域较好，长波方面不对。)瑞利-金斯公式，(“紫外灾难”)普朗克给出了与实验结果完全符合的公式，提出“能量子假说”，…5三.普朗克的黑体辐射公式和能量子假说2.普朗克假定（1900）h=6.6260755×10－34J·s3.普朗克公式(p.269－p.271

4、)经典能量在全波段与实验结果惊人地符合物体---大量振子组成，和辐射场交换能量。经典理论：振子的能量可连续取值。1.“振子”的概念（1900年以前已有)量子频率为的谐振子，其能量取值为能量子0=h的整数倍。或(意义)6(1918,NobelPrize)一.光电效应光电子光电效应实验装置§2光的粒子性饱和光电流强度im与入射光强I成正比1.实验规律：(这表示单位时间内从阴极发出的光电子数目与光强成正比)7只有当入射光频率v大于一定的频率v0时，才会产生光电效应。0称为该金属的截止频率，或红限频率，8V0=K－C与入射光强

5、无关光电子的最大初动能为4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Vc(V)CsNaCa截止电压光电效应是瞬时发生的，时间不超过10－9s。2.爱因斯坦的光子假说对光电效应的解释经典物理学所遇到的困难：光波的能量分布在波面上，阴极中电子积累能量克服逸出功需要一段时间，光电效应不能在瞬时发生。普朗克的量子假定还不够：它只涉及发射或吸收时振子能量不连续,未涉及在空间传播的辐射场的能量。9按照光的经典电磁理论，光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，不应存在截止频率！电磁辐射的能量在空间不是连续分布的

6、，而是由能量量子（光子）组成，每个光量子的能量为爱因斯坦光量子假设(1905)=h对光电效应的解释显然，当h＜A时，不发生光电效应。红限频率(光电效应的意义)光量子具有“整体性”，在以光速运动时“不瓦解”，且只能整个地被吸收或发射。10A是阴极材料的脱出功。电子吸收一个光子能量h，从阴极逸出而成为光电子，其最大动能为(A.Einstein,1921,NobelPrize)二.光的波粒二象性康普顿效应1.光的波粒二象性光的性质----波粒二象性在有些情况下，光突出显示波动性；粒子不是经典粒子,波也不是经典的波。基本

7、关系式粒子性：能量，动量p波动性：波长，频率而在另一些情况下，则突出显示粒子性。11(整体性)(弥散性，可叠加性)2.康普顿效应康普顿(Compton)研究X射线在石墨上的散射实验规律：电子的Compton波长准直系统入射光0散射光探测器石墨散射体康普顿效应的特点Å12康普顿的解释：X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞碰撞过程能量守恒，动量守恒解得波长偏移为康普顿散射实验的意义康普顿效应验证了光的量子性经典电磁理论的困难13e(A.H.Compton,1927,NobelPrize)激光(laser)，

8、也音译为镭射，它的意思是“辐射的受激发射的光放大”(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)，或者说，“受激辐射的光放大”。§3激光1916，Einstein，关于受激辐射的理论。40－50年代，观