《光学》光的量子性7-1√.ppt

1、2020/7/18,1,Click to edit Master subtitle style,济南大学 物理学院,光学,optics,2020/7/18,2,光学课件目录,济南大学理学院,2020-7-18,2020/7/18,复习上节课主要内容,第六章 光的吸收 色散和散射,6.1 光的吸收,朗伯定律,吸收与介质折射率的关系复折射率,一般吸收与选择吸收,2020/7/18,6.2 光的色散,一、色散的概念,二、正常色散与反常色散,三、相速与群速的概念,2020/7/18,6.3 光的散射,光的散射光通过某些介质（光学性质不均匀）时，在偏离正常传播方向上有光出射的现象。,散射可改变入射光的光

2、强空间分布、偏振态或频率,频率不改变的散射有：瑞利散射、米氏散射、廷德尔散射。,频率改变的散射有：拉曼散射、布里渊散射。,2020/7/18,瑞利散射的特点：,1.散射光的波长与入射光的波长相同（光频不变的散射）。,2.散射光的强度与波长的四次方成反比。,瑞利散射定律,3.散射光的光强（自然光入射）,（方向的光强）,4.自然光入射时，各方向的散射光一般为部分偏振光，在垂直入射光方向上的散射光为线偏振光，沿入射光方向或其逆方向的散射光仍为自然光。,2020/7/18,第七章 光的量子性,7.1黑体辐射 7.1.1 两种不同形式的辐射 7.1.2 基尔霍夫热辐射定律 7.1.3 黑体辐射的实验规律

3、 7.1.4 黑体辐射的经典理论及其与实验 的矛盾 7.1.3 能量子假设和普郎克公式,2020/7/18,7.2光的粒子性及其实验基础 7.2.1 光电效应 7.2.2 康普顿效应是说明光的粒子性的 另一个重要的实验 7.3光的波粒二像性,第七章 光的量子性,2020/7/18,7.1 黑体辐射,7.1.1 两种不同形式的辐射,对辐射源补充能量的方式，以及在辐射过程中辐射源原子或分子的内部运动状态是否发生变化，分为两种辐射：,一、发光：辐射源原子或分子内部运动状态发生变化相联系的辐射,发光有以下几种形式：,1. 电致发光：电能直接转化为光能的过程。,如：火花放电，辉光放电等。,2020/7/

4、18,2. 光致发光：由外来的光照射或预照射后，物体本身的发光。,如：荧光、磷光、日光灯等。,3. 化学发光：由于化学反应而发光的过程。,如：燃烧。,4. 阴极射线致发光：由电子束轰击而引起的物质发光.,如：荧光屏。,5、热致发光：物体加热到一定程度也会发光,如：食盐在火焰中发出的钠黄光。,2020/7/18,二、热辐射,物体由于其内部原子、分子具有热运动而以电磁波的形式向外辐射能量的过程称为热辐射。,热辐射与热发光的区别：,1. 热辐射在任何温度下（T 0K)都能进行。,2. 热辐射是辐射源与周围物体之间热传递的一种方式。,热辐射在不断地向外辐射能量，同时也吸收外界热量，最后达到热平衡。,3

5、. 热辐射的辐射谱是连续谱，而热发光辐射谱为线状谱或带状谱。,2020/7/18,4. 热辐射在气体、液体、固体之间均可发生，而热发光则主要发生在稀薄气体中。,7.1.2 基尔霍夫热辐射定律,一、与辐射场有关的几个物理量,单位体积内物体的总辐射能量，称为辐射场的能量密度。,能量密度（U）,单位体积内，物体所辐射出的频率在附近单位频率间隔内的辐射能量，称为能量密度的谱密度或光谱能量密度.,2. 光谱能量密度U(v ),2020/7/18,光谱能量密度与总能量密度的关系,单位时间内，通过辐射场中某一面积的辐射能。也称为辐射功率。,单位时间内，通过辐射场中某一面积的频率在v 附近单位频率间隔内的辐射

6、能量称为光谱辐射通量。,3. 辐射通量,4. 光谱辐射通量（v）,单位表面积所发出的辐射通量。,5. 辐射出射度R,2020/7/18,频率在v 附近单位频率间隔内的辐射出射度。,辐射场中物体所吸收的辐射通量与照射到该物体上的辐射通量之比。用 A 表示。,如不是物体辐射而是被照射相应的有辐照度和光谱辐照度，用E 和e(v) 表示。,频率在v 附近单位频率间隔内的吸收率, 用 a 表示。,6. 光谱辐出度r (v),7. 吸收率,8. 光谱吸收率,2020/7/18,二、基尔霍夫热辐射定律,基尔霍夫热辐射定律主要讨论辐出度与吸收率之间的关系。,如图所示的系统，最终要达到热平衡。,处于热平衡的任何

7、物体，它的光谱辐出度与光谱吸收率之比是一个频率与温度的普适函数, 与物体的性质无关。(基尔霍夫热辐射定律),2020/7/18,7.1.3 黑体辐射的实验规律,一、绝对黑体,如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。,基尔霍夫定律中的普适函数就是黑体的光谱辐出度,绝对黑体模型,开有一个小孔的绝热等温孔腔。,2020/7/18,2020/7/18,二、黑体辐射谱的测定及实验规律,绝对黑体单色辐出度按波长分布实验,1.实验装置,2020/7/18,2. 实验曲线,3. 几个实验定律,（1）斯忒藩玻尔兹曼定律,曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度

8、，即,（斯忒藩玻尔兹曼常数）,2020/7/18,（2）维恩位移定律,最大值所对应的波长为 。,当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。,峰值波长。,维恩位移定律指出：,2020/7/18,7.1.4 黑体辐射的经典理论及其与实验的矛盾,一、维恩经验公式,式中，1、2 为常数，c 为真空中光速。,维恩公式仅在短波区域与实验曲线符合的很好,而在长波长区域却与实验不符。,二、瑞利金斯经验公式,瑞利-金斯经验公式在长波区域与实验曲线符合的很好，在短波区域与实验曲线不符合。,历史上称为“紫外灾难”。,2020/7/18,2020/7/18,7.1.5 能量子假设与普朗克公式,一、普朗克

9、的能量子假设, 普朗克能量子假说,辐射物质中具有带电的线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量 (称为能量子)的整数倍，即：,（n为正整数）,2020/7/18,对于频率为 的谐振子最小能量为,h 称为普朗克常数。,振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。,在能量子假说基础上，普朗克给出了黑体辐射公式。,二、普朗克公式,2020/7/18,分别是玻尔兹曼常数和光速。,普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等等。它成为现代理论的重要组成部分。,由普朗克公式可得其他定律,2020/7/18,202

10、0/7/18,M.V.普朗克 研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量量子化的假设。,1918诺贝尔物理学奖,2020/7/18,7.2 光的粒子性及其实验基础,7.2.1 光电效应,一、光电效应的实验装置和实验规律,2020/7/18,2 . 光电子初动能和入射光频率的关系,1. 光电流与入射光光强的关系,结论：单位时间内电极上逸出的光电子数和入射光 光强成正比 .,实验指出：饱和光电流和入射光光强成正比。,当反向电压加至 时光电流为零，称 为遏止电压。,遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：,2020/7/18,U0和金属有关的恒量；,k和金属无关的普适恒量。,实验指出：遏止电压和入射

11、光的 频率有线性关系，如图所示。,2020/7/18,结论：光电子初动能和入射光频率成正比，与入射光光强无关。,3、存在截止频率（红限）,对于给定的金属, 当照射光频率 小于某一数值 (称为红限)时, 无论照射光多强都不会产生光电效应。,2020/7/18,结论：光电效应的产生几乎无需时间的累积。,因为初动能大于零，因而产生光电效应的条件是：,红限频率（截止频率）,4 . 光电效应瞬时响应性质,实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子出现只需要 的时间。,2020/7/18,2020/7/18,1. 按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。,二、经典电磁波理论的缺

12、陷,3. 无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。,2. 无法解释红限的存在。,2020/7/18,三、 爱因斯坦方程 光量子（光子）,(爱因斯坦光电效应方程),爱因斯坦光子假说：,金属中的自由电子吸收一个光子能量 以后, 一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功A, 一部分转化为光电子的动能，即：,2020/7/18,3. 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系。,爱因斯坦对光电效应的解释：,2.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积。,1.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。,4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率,2020

13、/7/18,光子的能量 质量和动量,光子质量为,光子的动量为,光子能量为,2020/7/18,A.爱因斯坦 对现物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的定律。,1921诺贝尔物理学奖,2020/7/18,7.2.2光的粒子性的另一个重要的实验康普顿效应,1922-1933年间康普顿（A.H.Compton）观察X 射线通过物质散射时，发现散射的波长发生变化的现象。,1927诺贝尔物理学奖,2020/7/18,康普顿实验装置示意图,可测量各种散射角下的散射线的波长与强度,2020/7/18,康普顿实验指出,改变波长的散射,康普顿散射,(康普顿效应),散射光中除了和入射光波长 相同的射线之外，还出现一

14、种波长 大于 的新的射线。,2020/7/18,石 墨 的 康 普 顿 效 应,=0,O,(a),(b),(c),(d),o,相,对,强,度,（A）,0.700,0.750,波长,2020/7/18,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=0,=45,O,O,石 墨 的 康 普 顿 效 应,(a),(b),(c),(d),相,对,强,度,0.700,0.750,波长,（A）,o,2020/7/18,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=0,=45,O,O,石 墨 的 康 普 顿 效 应,(a),(b),(c),(d),相,对

15、,强,度,0.700,0.750,波长,（A）,o,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=90,O,2020/7/18,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=0,=45,O,O,石 墨 的 康 普 顿 效 应,(a),(b),(c),(d),相,对,强,度,0.700,0.750,波长,（A）,o,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,

16、=90,=135,O,O,2020/7/18,我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：,2020/7/18,总结实验曲线的特点：P396,1. 对各种物质及不同散射角(= 0除外)，散射线中均有波长不变成分()及波长变长成分()。,2. 当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。,3. 对同一散射物质,谱线的强度随的增大而减小,谱线的强度随增大而增大；对不同散射物质在同一散射角下, 谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增大, 谱线的强度随散射物质的原子序数的增大而减小。,2020/7/18,经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难,2020/7/1

17、8,光子理论对康普顿效应的解释,光子理论认为康普顿效应是高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：,2020/7/18,2020/7/18,康普顿效应的定量分析,光子在自由电子上的散射,2020/7/18,由能量守恒:,由动量守恒:,最后得到：,(康普顿散射公式),此式说明：波长改变与散射物质无关，仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。,(电子的康普顿波长),2020/7/18,7.3 光的波粒二象性,在讨论与光的传播有关的一系列现象(光的干涉、衍射、偏振、双折射)中，光表现出波动本性。 在这一章中我们看到，当光与物质相互作用并产生能量或动量的交换过程中，光又表现出分立的量子化特征，并可以用爱因斯坦的光子理论加以成功描述。这就是所谓的光的“波粒二象性”。,光子的能量：,由相对论知：,光子的质量：,2020/7/18,光子的速度：,光子的动量：,、P 是用来描述粒子的特征，、 是用来描述波动特性的物理量，普朗克常数h 将这两种特征量联系起来.,或,光子的静止质量：,（真空中）,2020/7/18,总结：光是什么？ 光既是粒子，也是波，具有波粒二象性！ 光既非经典粒子（无静质量和确定轨迹）也非经典波（能量在空间连续分布）, 是带有波动性的