第23章量子光学基础.ppt

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1、2023-11-1411 1、热辐射、热辐射 在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决于物体的温度，因此，这种辐射就称之为于物体的温度，因此，这种辐射就称之为，或，或者称为者称为。另外，一切物体在向外界发射辐射。另外，一切物体在向外界发射辐射能的同时也吸收周围物体发出的辐射能。能的同时也吸收周围物体发出的辐射能。以白炽灯为例，灯丝通以电流后，当温度以白炽灯为例，灯丝通以

2、电流后，当温度 T 800 K时，灯丝微微发红，继时，灯丝微微发红，继续升高温度，灯丝由暗红变橙黄，再变白，当温度极续升高温度，灯丝由暗红变橙黄，再变白，当温度极高时，灯丝呈青白色，即达到所谓的高时，灯丝呈青白色，即达到所谓的“白炽化白炽化”，同，同时我们感到灯丝灼热逼人。以上事例说明：时我们感到灯丝灼热逼人。以上事例说明：2 2、单色辐出度（旧称：单色发射本领）、单色辐出度（旧称：单色发射本领）辐射出射度（旧称：发射本领）辐射出射度（旧称：发射本领）【】在一定温度下，物体在在一定温度下，物体在单位时间内，单位时间内，从单位表面积上发射的波长在从单位表面积上发射的波长在+范围内的辐射范围内的辐

3、射能为能为dE 。3,mWddETM单单位位：2 2、单色辐出度（旧称：单色发射本领）、单色辐出度（旧称：单色发射本领）辐射出射度（旧称：发射本领）辐射出射度（旧称：发射本领）【】在一定温度下，物体在在一定温度下，物体在单位时间内、单位时间内、从单位表面积上辐射的各种波长的总辐射能，记为从单位表面积上辐射的各种波长的总辐射能，记为M(T)。20:d)()(mWTMTM单位单位 -一个物体如果能完全吸收投射到其一个物体如果能完全吸收投射到其表面的任何波长的辐射能，即不反射，也不透射，我表面的任何波长的辐射能，即不反射，也不透射，我们称这种物体为们称这种物体为，简称，简称。绝对黑体是一种理想化的绝

4、对黑体是一种理想化的模型。但用不透明的材料模型。但用不透明的材料制成的一个有小孔的空腔制成的一个有小孔的空腔，可以视为绝对黑体。如，可以视为绝对黑体。如：山洞、窗口、炉膛等。：山洞、窗口、炉膛等。4-2-840KmW1067.5 ),()(TdTMTMBBKm10898.2 3m bbT 维恩维恩 (W.Wien,1864-1928)(W.Wien,1864-1928)德国物理学家，德国物理学家，19111911年获诺贝尔物年获诺贝尔物理学奖理学奖如：太阳单色辐出度最大处波长如：太阳单色辐出度最大处波长 m m 0.490.49 m m T=5900KT=5900KKm10898.2 3m b

5、bT 维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。如下图所示，太阳辐射谱如下图所示，太阳辐射谱-大气层外的太阳辐射曲线同大气层外的太阳辐射曲线同5900K5900K的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。人体体温人体体温310K(370C)m=9.35 m“辐射高温

6、计辐射高温计”，“炉火炉火纯青纯青”等等等等宇宙背景辐射宇宙背景辐射 m0.1cm T=2.7KKm10898.2 3m bbT【例题例题】在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值波长为波长为490 nm，设太阳为黑体，求：，设太阳为黑体，求：太阳表面温度太阳表面温度 T；太阳表面单位面积的辐射功率？太阳表面单位面积的辐射功率？274384393109610951067521095104901089821mW.).(.TTMK.bT,m 得得由维恩位移公式由维恩位移公式 在在19世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单色辐

7、出度色辐出度MB(T)与与(,T)的关系曲线。如何从理论上推的关系曲线。如何从理论上推导出符合实验结果的导出符合实验结果的MB(T)函数表达式，就成为当时函数表达式，就成为当时物理学中引人注目的问题之一。许多物理学家尝试从物理学中引人注目的问题之一。许多物理学家尝试从经典理论出发对绝对黑体的辐射规律给予解释。经典理论出发对绝对黑体的辐射规律给予解释。瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)维恩公式维恩公式(1896年年)MB 试验曲线试验曲线长波范围与实验符合，而在短波范围长波范围与实验符合，而在短波范围内不符合内不符合“紫外灾难紫外灾难”短波范围与实验符合，而短波范围与实验符合，而在长波范

8、围内不符合在长波范围内不符合 与实验符合与实验符合紫外灾难紫外灾难1e21)(25 kThcBhcTM普朗克公式的得来普朗克公式的得来,起初是半经验的起初是半经验的,即利用内插法将适用于短即利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利波的维恩公式和适用于长波的瑞利金斯公式衔接起来金斯公式衔接起来,在得在得到了公式后到了公式后,普朗克才设法从理论上去论证它。普朗克才设法从理论上去论证它。为解释这一公式，普朗克提为解释这一公式，普朗克提出了出了能量量子化能量量子化假设假设MB 试验曲线试验曲线普朗克公式普朗克公式sJh 341063.6普朗克常数普朗克常数 普朗克（普朗克（M.Planck,

9、1858-1947M.Planck,1858-1947）德国理德国理论物理学家，量子论的奠基人，被德国科学论物理学家，量子论的奠基人，被德国科学界誉为界誉为“帝国的科学首相帝国的科学首相”。早在。早在18991899年，年，普朗克在研究辐射热力动力学时，就提出了普朗克在研究辐射热力动力学时，就提出了一个新的普适常数一个新的普适常数h h，该常数后来称为基本，该常数后来称为基本作用量子，现称普朗克常数。作用量子，现称普朗克常数。普朗克于普朗克于18581858年年4 4月月2323日出生于德国基尔日出生于德国基尔。从小就在音乐、文学及数学等方面显露。从小就在音乐、文学及数学等方面显露了才华，但最

10、终选择了科学。了才华，但最终选择了科学。18771877年在柏年在柏林大学获得博士学位，先后在多座大学任林大学获得博士学位，先后在多座大学任教。教。18891889年接替导师基尔霍夫继任柏林大学年接替导师基尔霍夫继任柏林大学科学讲座教授，直到科学讲座教授，直到19261926年退休。年退休。普朗克提出的能量子概念是非常新奇的，它揭示普朗克提出的能量子概念是非常新奇的，它揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。假设具有划时代的意义，于新领域。假设具有划时代的意义，于19181918年普朗克年普朗克6060岁时被授予岁时被授予Nobe

11、lNobel物理学奖，从而肯定了他对物理学物理学奖，从而肯定了他对物理学发展的不朽贡献。发展的不朽贡献。普朗克的一生与音乐结下了不普朗克的一生与音乐结下了不解之缘，他是钢琴家、风琴手，又是解之缘，他是钢琴家、风琴手，又是音乐指挥家。直到他逝世的当天，仍音乐指挥家。直到他逝世的当天，仍像平时那样每天弹一小时钢琴。音乐像平时那样每天弹一小时钢琴。音乐促进了他的创造性思维的发展。促进了他的创造性思维的发展。19471947年年1010月月4 4日普朗克在哥廷根逝日普朗克在哥廷根逝世，享年世，享年8989岁。他的坟墓上只有一块岁。他的坟墓上只有一块长方形条石，上部刻了他的名字，下长方形条石，上部刻了他

12、的名字，下部刻了部刻了“h=6.62h=6.62 10-27erg.s”10-27erg.s”的字样。的字样。普朗克能量子假设普朗克能量子假设普朗克常数普朗克常数 h=6.62610-34 Js 与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是是 hv 的整数倍的整数倍 能量量子假设。能量量子假设。电电磁磁波波腔壁上的原子腔壁上的原子能能量量 ,3,2,nhhhh普朗克常数普朗克常数h 体现了微观世界的基本特征。体现了微观世界的基本特征。称为量子数称为量子数为正整数为正整数,.,2,1,0 nnnhn 若谐振子频率为若谐振子频率为 v，则其能量是，则其能量是

13、量子假说与物理学界几百年来信奉的量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无自然界无跳跃跳跃”的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。普朗克本人也曾几度普朗克本人也曾几度(前后花费前后花费1515年时间年时间)想倒退，回想倒退，回到经典物理学的立场上去。但是，到经典物理学的立场上去。但是，“无济于事，我们无济于事，我们必须与量子理论共处必须与量子理论共处”。普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的不连续的量子性质，开始突破了经典物理学在微观领不连续的量子性质，开始突破了经典物理学在微观领域内的束缚，标志着物理

14、学上一场伟大革命的开始。域内的束缚，标志着物理学上一场伟大革命的开始。1887年，年，赫兹赫兹在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。1900年，赫兹的同事年，赫兹的同事勒纳德（勒纳德（P.Lenard）指出：光电效应是金指出：光电效应是金属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象。属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象。1905年，伟年，伟大的物理学家大的物理学家爱因斯坦爱因斯坦从理论上对光电效应作出了科学的解释。从理论上对光电效应作出了科学的解释。1 1、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律 紫外光紫外光+饱和光电流与入射光强成正比。饱和光电流与入

15、射光强成正比。光电子最大初动能与光强无关，与入射光频率有关光电子最大初动能与光强无关，与入射光频率有关。从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔小于小于10-9秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟。紫外光紫外光+2 2、经典电磁场理论的困难、经典电磁场理论的困难 在金属内部有许多自由电子，这些自由电子虽然在金属内部有许多自由电子，这些自由电子虽然在不停地作无规则的热运动，但由于受晶格点阵中正在不停地作无规则的热运动，但由于受晶格点阵中正电荷的吸引，不能逸出金属表面。也就是说，金属内电荷的吸引，不能逸出金

16、属表面。也就是说，金属内部自由电子的平均能量比飞出金属表面电子的能量要部自由电子的平均能量比飞出金属表面电子的能量要低。如果金属内的自由电子能获得足够多的能量，就低。如果金属内的自由电子能获得足够多的能量，就能逸出金属表面。使金属内部一个自由电子逸出金属能逸出金属表面。使金属内部一个自由电子逸出金属表面所需要的最小能量叫做这种金属的表面所需要的最小能量叫做这种金属的。单个孤立原子单个孤立原子+-大量原子组成晶体后大量原子组成晶体后外层电子能级外层电子能级内层电子能级内层电子能级+-按照经典电磁波理论，光的强度越大，光波电矢量按照经典电磁波理论，光的强度越大，光波电矢量E的幅度的幅度越大，作用在金属内电子的强迫力越大，光电子获得的能量也越大，作用在金属内电子的强迫力越大，光电子获得的能量也越大，逸出金属后的初动能也越大，但越大，逸出金属后的初动能也越大，但实验事实是光电子最大实验事实是光电子最大初动能与光强无关，与入射光的频率有关初动能与光强无关，与入射光的频率有关。按照经典电磁波理论，光波是连续传播的，金属中的电子按照经典电磁波理论，光波是连续传播的，金属中的电子将连续不断地从入射波中