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1、第十六章量子光学基础前面讲述了光的干涉、衍射和偏振等现象,这些现象充分证明光具有波动性。到了20世纪初,当实验涉及到光与原子、电子相互作用时,光却显示出粒子性,从而使经典物理学遇到了严重的困难。本章内容提要：光电效应及爱因斯坦的光子理论康普顿效应玻尔原子理论激光和激光器原理§16-1光电效应1.光电效应的实验定律(1)饱和电流强度与光强成正比实验发现,当入射光频率一定时,光电流I和两极间电压V的关系如图16-2所示。图16-2-VaVIo光强较大光强较小Is当加速电压增加到一定值时,光电流达到一饱和
2、值Is。实验还表明:饱和电流值Is和光强成正比。AV电源图16-1-IKA从图16-2的实验曲线可以看出，加速电压为零时，光电流并不为零。仅当加以反向电压Va时,光电流才等于零。这一电压值Va称为截止电压(又称遏止电压)。显然图16-2-VaVIo光强较大光强较小Is(16-1)AV电源图16-1-IKA(2)光电子的初动能随入射光的频率线性增加，与入射光的强度无关。(3)存在红限实验指出,对一给定的金属,当入射光的频率小于某一频率o时,无论入射光强如何,都没有光电子从金属中逸出(即没有光电流)。这一频率
3、o称为光电效应的红限频率。实验指出,不同物质具有不同的红限频率。(4)立即发射，时延不超过10-9s。波动说的困难以上实验结果是光的经典波动图像无法解释的。按照光的波动说,金属在光的照射下,其中的电子受到电磁波中电场作用而作受迫振动,吸收光波的能量,从而逸出金属表面。按照这种受迫振动的理论，光强愈大，受迫振动的振幅愈大，发射出的光电子的初动能就应愈大。但实验结果是光电子的初动能与入射光强无关，而与入射光的频率成线性关系。同时，只要入射光强足够大(入射能量足够多)，金属中的电子就能从光波中吸收足够的能量并
4、积累到一定量值而逸出金属表面，根本不应存在红限。但实验指出，当入射光的频率小于某一频率o时,无论入射光强如何,都没有光电子从金属中逸出(即没有光电流)。其次，按照波动理论，能量的积累是需要一定时间的。不会立即发射。理论计算表明,在功率为1mW的入射光照射下,逸出功为1eV的金属，从光开始照射到释放出电子,大约要等待16min,这同光电效应瞬时响应的实验结果完全不符合。2.爱因斯坦光子假设爱因斯坦认为,光不仅在发射和吸收时是以能量为h的颗粒形式进行的，而且以这种颗粒的形式以速度c在空间传播。就是说，一束光
5、就是以光速c运动的粒子流，这种粒子称为光子。频率为的光的光子能量为E=h(16-4)式中,h=6.63×10-34J·s，是普朗克常数。根据爱因斯坦光子理论，光电效应方程为(16-6)1905年，爱因斯坦用光子理论成功地解释了光电效应。小结：光子的特性(1)光子的能量E=h=hc/(2)光子的质量逸出功：(16-8)动质量：(16-11)静质量：mo=0(光子的速度=c)(3)光子的动量(16-12)c=例题16-1已知铯的红限波长o=6500Å,今有波长为=4000Å的光投射到
6、铯表面,试问:(1)由此发射出来的光电子的速度是多少?(2)要使光电流为零，遏止电势差为多大?解(1)由光电效应方程代入数据求得:=6.5×105(m/s)(2)由公式c=由此求得:Va=1.19(V)h=6.63×10-34例题16-2波长为的光投射到一金属表面,由此发射出来的光电子在匀强磁场B中作半径R的圆运动,求此金属的逸出功及遏止电势差。解由公式得由得例题16-3以一定频率的单色光照射到某金属表面,测出其光电流的曲线如图中实线所示；然后在光强度不变的条件下增大照射光的频率，测出其光电流
7、的曲线如图中虚线所示。满足题意的图是图16-3VIo(A)VIo(B)VIo(C)VIo(D)(D)例题16-4一平面单色光的能流密度S=30(W/m2),垂直投射到某金属表面，(1)求单位时间内投射该金属表面单位面积上的总动量;(2)若金属表面的反射率为1,求金属表面受的光压。解单位时间内投射该金属表面单位面积上的光子数为于是单位时间内投射该金属表面单位面积上的总动量为=1.0×10-7(kg.m.s-1)=2.0×10-7(pa)由动量定理:Ft=p=2p,于是光压为§16-2康普顿散射1.散射向
8、一定方向传播的光线通过不均匀物质后，向各个方向传播的现象，称为散射。按照经典波动理论，光波照射到物质上，引起物质分子作受迫振动，分子振动就向各个方向发出散射光。不过，各个方向的散射光与入射光的频率和波长是相同的，而散射光的强度与波长成反比。这个结论对一般波长是正确的。如：我们看见的阳光就是一种散射光。但实验发现，当波长极短的X射线被轻元素(如石墨)散射后，散射光的波长却随散射角的增大而增大。这种改变波长的散射，
