大学物理课件第19章 量子光学.ppt

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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材大学物理（第三版）第五篇量子物理第19章量子光学制作者：史晓菲量子光学量子力学物理学与现代科学技术第19章第20章第21章第五篇量子物理第19章量子光学19.1黑体辐射19.2光电效应19.3康普顿效应第19章量子光学光的波动理论成功地解释了光的干涉、衍射、偏振及在晶体中的行为。到了十九世纪末，人们发现了光与电子、原子相互作用的实验现象，如黑体辐射、光电效应，它们的实验规律用经典物理理论不能给出圆满的解释。通过对这些现象的深入研究，引进了量子化的概念，指出

2、光存在另一种特性——粒子性，引发了量子理论的诞生和发展。量子理论的产生19.1黑体辐射19.1.1热辐射实验表明，一切物体均以电磁波的形式向外辐射能量。一、热辐射热辐射的特点：①消耗物体的内能而实现电磁波的辐射；②固体和液体在任何温度下都可以进行热辐射；③单位时间内辐射的能量与波长、温度以及物体的性质关；④热辐射的电磁波是连续的。平衡热辐射:辐射和吸收的能量恰好相等时，物体和辐射场就处于温度一定的平衡态，平衡态下的辐射称为平衡热辐射。三、单色辐出度：二、辐出度：单位时间、单位表面积上所辐射出的各

3、种波长的辐射总能量，用E（T)表示。单位时间、单位表面积上所辐射出的在波长附近单位波长区间内的能量。19.1黑体辐射此时辐射辐出度与单色辐出度的关系为：19.1黑体辐射开一小孔对空腔加热至某热平衡温度对空腔加热至某热平衡温度不透明材料空腔不透明材料空腔TT19.1.2黑体的辐射定律吸收系数反射系数对于非透明物体一、物体的吸收与反射19.1黑体辐射实验表明：不同的材料，辐射能力和吸收能力不同。辐射能力强的物体吸收能力也强。在热平衡下，任何物体的单色辐出度与吸收系数之比应该相同，是一个与材料和形状无

4、关而仅与波长和温度有关的普适函数：19.1黑体辐射对于黑体对某种物体，若有则称该物体为黑体实际上黑体就是能在任何温度下完全吸收辐射在它表面上的电磁波的物体。黑体的单色辐出度就是这个普适函数，研究黑体的单色辐出度规律目的是为了找出这个普适函数。19.1黑体辐射T热电偶平行光管绝对黑体三棱镜黑体单色辐出度按波长分布的实验装置二、黑体热辐射的规律在平衡态下，黑体辐射的能量仅是温度和波长的函数，利用分光技术可测出一定温度下的单色辐出度的曲线。19.1黑体辐射黑体在不同温度下的单色辐出度实验曲线如图170

5、0k1500k1300k实验发现：当黑体的温度升高时，单色辐出度最大值所对应的峰值波长m向短波方向移动。m19.1黑体辐射1、维恩位移定律在平衡态下黑体辐射单色辐出度的最大值所对应的波长与温度之积是一常数。称为维恩位移定律常数1700k1500k1300km19.1黑体辐射2、斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律Stefan根据实验得出黑体的辐出度与温度有以下关系称为斯忒藩-玻耳兹曼常数19.1黑体辐射例15-1由测量得到太阳辐射谱的峰值处在计算太阳的表面温度和单位表面积上所辐射的功率

6、；如太阳的辐射是常数，其直径，求太阳在一年内由于辐射而损失的质量。解：将太阳看作黑体由得太阳的表面温度19.1黑体辐射太阳单位表面积上所辐射的功率即太阳辐出度一年内辐射的能量由得太阳的质量19.1黑体辐射黑体辐射的理论研究涉及热力学、统计物理学和电磁学，因而成为19世纪末物理学家研究的中心问题之一。许多物理学家都企图从经典理论导出黑体的单色辐出度的理论公式，但始终得不到满意的结果。（1）维恩根据经典热力学得出维恩曲线19.1黑体辐射维恩理论值在短波区域与实验值符合得很好,长波方向与实验值不符。瑞

7、利-金斯曲线（2）瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论得出该式只适于长波，趋于短波时偏离较大。T=1646k被称为“紫外灾难”。¥®®)00Te，（时ll19.1黑体辐射19.1.3普朗克能量子假说德国物理学家普朗克为了解决上述问题，通过分析和深入研究发现，经典理论不适用于原子性的微观振动,通过对实验曲线的分析，给出了黑体单色辐出度公式该式的理论值与实验值符合得非常很好。但是，该式要从理论上能够导出，能量只能取分立值，即能量是不连续的，并且能量的最小单元=h。这在当时是与经典物理学相矛盾的。1

8、9.1黑体辐射为了能从理论上将上式导出，普朗克提出了能量子假说。1、原子振动的能量是不连续的,只能取ε，2ε，3ε，……nε等离散值,其中ε称为能量子.普朗克能量子假说2、能量子ε与振动频率成正比:=h其中h=6.6310-34焦耳秒,称为普朗克常数。3、振动的原子在辐射和吸收能量时,是以ε为单元一份一份地进行.19.1黑体辐射在普朗克能量子假说的基础上，应用统计物理和经典电动力学理论从理论上导出了黑体的单色辐出度公式其中k、c分别是玻尔兹曼常数和真空中的光速。19.1黑体辐射λ较小时可