量子光学基础-引言.ppt
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1、量子光学导论,2017-2-20,主要内容,绪论波函数与薛定谔方程算符及运算矩阵力学Dirac算符电磁场量子化描述电磁场量子态光学分束器的量子化描述电磁场与原子的相互作用(简单),参考书,量子力学,周世勋,高等教育出版社量子力学,曽谨言,科学出版社Quantum Optics,M.O.Scully&S.Zubairy,Cambridge University PressQuantum Optics,D.F.Walls&G.J.Milbrun,Springer,考核,平时40%(课堂出勤+作业)报告60%(纸质1份+presentation)考核时间:5月8日 13:1516:15考核地点:综合
2、楼D309,1 引言,2 普朗克的能量子假说,4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,3 爱因斯坦的光量子假设,5 激光器的工作原理,6 与其它学科的联系,热辐射,黑体辐射,基尔霍夫定律,斯特潘-玻耳兹曼定律维恩位移定律,维恩公式瑞利-金斯公式,普朗克量子假设,爱因斯坦光量子假设,光电效应,康普顿散射,光的粒子性,光的波粒二象性,光的波动性,“There is nothing new to be discovered in physics now.All that remains is more and more precise measurement.”,“two small,puzzling c
3、louds remained on the horizon”.,-1900,Lord Kelvin,黑体辐射问题“紫外灾难”;,光电效应nn0,无论I多大,没有光电子逸出;而它的能量只与n有关,和I无关;,原子的线状光谱及其规律,巴尔末公式的物理机制?,原子稳定性;,固体分子的比热问题:0;,经典物理的几个困难:,两大新理论的诞生:狭义和广义相对论;量子力学,1 引言,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.,量子力学,
4、经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相 对 论,量子力学,所有物体在任何温度下都要发射电磁波,这种与温度有关的辐射称为热辐射(heat radiation)。,热辐射的电磁波的波长、强度与物体的温度有关,还与物体的性质和表面形状有关。,2 普朗克的能量子假说,1.热辐射的基本概念,一、热辐射现象,False-colour infrared image of Whirlpool galaxy,Thermogram of man,单色辐出度M:为了描述物体辐射能量的能力,定义物体单位表面在单位时间内发出的波长在附近单位波长间隔内的电磁波的能量,为单色辐出度M,即,辐出度 M(T):物体从单位面积
5、上发射的所有各种波长的辐射总功率称为物体的总辐出度 M(T),单色吸收比:当辐射从外界入射到物体表面时,在到+d的波段内吸收的能量“E吸收 d”与入射的总能量“E入射 d”之比:,吸收比:当辐射从外界入射到物体表面时,吸收能量与入射总能量之比:,吸收能力的量度,同一个物体的发射本领和吸收本领有内在联系,室温下的反射光照片,1100K的自身辐射光照片,2.基尔霍夫定律,基尔霍夫定律:实验发现,在温度一定时,物体在某波长处的单色辐出度与单色吸收比的比值与物体及其物体表面的性质无关,即,一个好的发射体一定也是好的吸收体。,黑体:能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体,显然,黑体的吸收比和单色吸收比为
6、100%,黑体是最理想模型,(如图)在不透明材料围成的空腔上开一个小孔。该小孔的可认为是黑体的表面。,黑体能吸收各种频率的电磁波,也能辐射各种频率的电磁波。,思考:黑色的物体是黑体吗?,二、黑体辐射的基本规律,实验结果:,太阳,钨丝,黑体辐射规律:,(1)斯忒藩玻尔兹曼定律,斯忒藩玻尔兹曼常量,(2)维恩位移定律,常量,峰值波长,以上两个实验定律是遥感、高温测量和红外追踪等技术的物理基础。,(3)维恩定律,(c2和c3为经验参数),(4)瑞利-金斯定律,经典理论在短波区域的失败成为“紫外灾难”。,(5)普朗克经验公式,在长波情况下:,瑞利-金斯公式,在短波情况下:,维恩公式,三、普朗克的能量子
7、假设,普朗克常量,普朗克黑体辐射公式,空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为,经典理论的基本观点:,(1)电磁辐射来源于带电粒子的振动,电磁波的频率与振动频率相同。,(2)振子辐射的电磁波含有各种波长,是连续的,辐射能量也是连续的。,(3)温度升高,振子振动加强,辐射能增大。,光电效应:当一束光照射在金属表面上时,金属表面有电子逸出的现象。,一、光电效应,3 爱因斯坦的光量子假设,光电效应的实验规律:,电流饱和值,(光强),增加电压U,光电流随之增加,直至饱和。,当反向电压U=Us时,光电流 I=0。对应的电压称为遏止电压.,Us对应于光电子刚好不能到达A极。,遏止电压,电压U=0时,光电流
8、I 0,截止频率(红限),几种纯金属的截止频率,仅当 才发生光电效应,截止频率与材料有关,与光强无关.,电子逸出金属表面要克服逸出电势做功,这个功称为逸出功.,遏止电压 与光强无关,与入射光频率具有线性关系.,光电效应瞬时响应的性质。t 10-9秒,按经典理论,电子逸出金属所需的能量,需要有一定的时间来积累,一直积累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符.,经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度足够大,就能使电子具有足够的能量逸出金属.与实验结果不符.,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,二、爱因斯坦光子假设(1905),爱因斯坦的光量子
9、论,(1)“光量子”假设,光子的能量为,(2)解释实验,爱因斯坦光电方程,逸出功与材料有关,对同一种金属,一定,与光强无关,逸出功,光强越大,光子数目越多,即单位时间内产生光电 子数目越多,光电流越大.(时),光子射至金属表面,一个光子携带的能量 将一 次性被一个电子吸收,若,电子立即逸出,无需时间积累(瞬时性).,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,的测定,爱因斯坦方程,解(1),(2),(3),例 设有一半径为 的薄圆片,它距光源1.0m.此光源的功率为1W,发射波长为589nm的单色光.假定光源向各个方向发射的能量是相同的,试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.,解,第二节 光电效应
10、 爱因斯坦的光量子论,光电效应在近代技术中的应用,光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.,光电倍增管,康普顿效应:在散射的 x射线中,不但存在与入射线波长相同的反射线,同时还存在波长大于入射线波长的反射线现象。,三、康普顿效应,(18921962)美国物理学家,1、散射光中除了原波长0外,还出现比原波长大的;,2、波长的改变量-0随散射角的增加而增加;,3、随着散射角的增大,新波长谱线强度增大,而原波长谱线强度降低;,4、对不同的散射物质,只要在同一个散射角下,波长的改变量-0都相同。,光量子理论对康普顿效应的解释,康普顿波长:,结论:1、波长的改变量与散射角有关,散射角 越大,也越大。
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