量子物理 第二十一章 光的量子理论.ppt

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1、第第21章章 光的量子理论光的量子理论第六篇量子物理2121章章光的量子理论（光的量子理论（1 1）2222章章波尔的原子量子理论（波尔的原子量子理论（1 1）2323章章量子力学基础（量子力学基础（3 34 4）2424章章激光和半导体（激光和半导体（1 1）波晶片波晶片(相位延迟片相位延迟片)和椭圆偏振光的起偏和椭圆偏振光的起偏讨论：讨论：1）=45，出射为圆偏振光出射为圆偏振光2）=0，与与e光对应的线偏光光对应的线偏光3）=90，与与o光对应的线偏光光对应的线偏光保持原有保持原有保持原有保持原有的线偏态的线偏态的线偏态的线偏态4）0、45、90，椭椭圆偏振光圆偏振光问：问：如何知道出射

2、光是圆偏振光？如何知道出射光是圆偏振光？或圆偏振光经或圆偏振光经1/4波片出射光是什么光？波片出射光是什么光？a线偏振光线偏振光AoAe AoAe 光轴光轴P 振幅关系：振幅关系：椭圆与圆偏振光的检偏椭圆与圆偏振光的检偏 14波波片片圆偏振光圆偏振光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 14波波片片椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴光轴平

3、行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I变变,无消光无消光自然光自然光b附：附：使线偏振光振动面转过使线偏振光振动面转过2 角度角度 Ao入入Ao出出A入入A出出Ae入入=Ae出入出入光轴光轴 全波片：全波片：1/2波片、全波片波片、全波片1/2波片：波片：不改变入射不改变入射光的光的偏振态偏振态偏振态偏振态：使圆偏振光旋转方向改变使圆偏振光旋转方向改变 左左左左 右右右右不改变入射光的任何状态。不改变入射光的任何状态。c在在P2 后，两束光振动方向平行，振幅为：后，两束光振动方向平行，振幅为：六、偏振光的干涉六、偏振光的

4、干涉1.偏振光干涉现象偏振光干涉现象3.偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1）振幅关系（振幅关系（P1 P2）P2P1CA1AeAoA2oA2e 2.偏振光干涉装置偏振光干涉装置d晶片晶片晶片晶片C C 偏振片偏振片P2偏振化方向偏振化方向 单色光单色光自然光自然光偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向光轴方向光轴方向经经C后：后：d通过晶体通过晶体C后：后：一束椭圆偏振光一束椭圆偏振光通过通过P2 后：后：2）位相关系）位相关系干涉相长干涉相长干涉相长干涉相长P2P1CA1AeAoA2oA2e 干涉相消干涉相消干涉相消干涉相消3)若若 P1/P2，在在P2 后振幅为：后振幅为：m

5、axmaxminminP2P1CA1AeAoA2oA2e e（2）白光入射）白光入射由于某种颜色干涉相消，而呈现它的由于某种颜色干涉相消，而呈现它的由于某种颜色干涉相消，而呈现它的由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色互补色互补色互补色这叫这叫色偏振色偏振色偏振色偏振。若若d不均匀，则屏上出现不均匀，则屏上出现彩彩彩彩色色色色条条条条纹纹纹纹。如：如：如：如：红色红色红色红色相消相消绿色绿色绿色绿色；蓝色蓝色蓝色蓝色相消相消黄色黄色黄色黄色，（1）若单色光入射）若单色光入射maxmaxminminmaxmaxminmin讨论：讨论：d均匀，均匀，d不均匀，则出射为等厚干涉条纹不均匀，则出射为等

6、厚干涉条纹出射或亮、或暗、或不明不暗出射或亮、或暗、或不明不暗晶片晶片d均匀，均匀，出射是出射是 满足干涉极大的彩色满足干涉极大的彩色fP2P1CA1AeAoA2oA2e P2P1CA1AeAoA2o A2e 4.人工双折射人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。人为地造成各向异性，而产生双折射。又称为：又称为：光弹效应光弹效应光弹效应光弹效应(应力双折射效应应力双折射效应)应力应力各向异性各向异性v各向不同各向不同n各向不同各向不同在一定应力范围内：在一定应力范围内：各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹出现干涉条纹 变变 变变干涉情况变。干涉情况变。gP1P2 dFSF干涉干

7、涉有机玻璃有机玻璃C引引 言言物理学的分支与发展史物理学的分支与发展史物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性时间时间 t关关键键概概念念的的发发展展力学力学电磁学电磁学热学热学相对论相对论量子论量子论1600 1700 1800 19000 反映微观粒子反映微观粒子运动规律的理论，运动规律的理论，在总结大量实验事在总结大量实验事实和改造经典理论实和改造经典理论基础上建立的。基础上建立的。早期的量子理论早期的量子理论:普朗克量子假说普朗克量子假说,爱因斯坦光子学爱因斯坦光子学说说,玻尔的原子量子理论等玻尔的原子量子理论

8、等从经典物理学到量子力学过渡时从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出期的三个重大问题的提出:2.光电效应光电效应 康普顿效应。康普顿效应。3.原子的稳定性和大小。原子的稳定性和大小。1 “晴朗天空中晴朗天空中的两朵乌云的两朵乌云”牛顿力学牛顿力学电磁电磁麦克斯韦方程麦克斯韦方程光波动理论光波动理论热力学、统计物理热力学、统计物理第第21章章 光的量子理论光的量子理论起源于对波粒起源于对波粒二象性的认识二象性的认识用经典理论完全不能用经典理论完全不能解释的现象解释的现象1.黑体辐射问题，即所谓黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难紫外灾难”。实验表明：实验表明：实验表明：实验表明：一切物体是

9、以电磁波的形式向外辐射能量。一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量。辐射的能量与温度有关，称之为辐射的能量与温度有关，称之为热辐射热辐射热辐射热辐射。辐射和吸收的能量恰相等时称为辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡热平衡热平衡热平衡。此时。此时温度恒定不变。温度恒定不变。单色辐出度：单色辐出度：单色辐出度：单色辐出度：单位时间、单位表面积上所辐射出的，单位时间、单位表面积上所辐射出的，单位波长间隔中的能量。单位波长间隔中的能量。辐射出射度：辐射出射度：辐射出射度：辐射出射度：单位时间、单位表面积上所辐射出的单位时间、单位表面积上所辐射出的各种波长电磁波的能量。各种波长电磁波的能量。一、黑体辐射和普

10、朗克的能量子假说一、黑体辐射和普朗克的能量子假说热辐射热辐射热辐射热辐射(heat radiation)吸收比吸收比 对于任意温度、或对于任意温度、或波长，绝对黑体的吸波长，绝对黑体的吸收比都恒为收比都恒为121700K1500K1300K优点：优点：优点：优点：不论由什么物质组成在相同温度下，不论由什么物质组成在相同温度下，发出同样的热辐射发出同样的热辐射*温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 31.黑体辐射黑体辐射(blackbody radiation)（2）黑体辐射：）黑体辐射：分子的热运动使物体辐射电磁波分子的热运动使物体辐射电磁波例如：例如：例如：例如：

11、加热铁块加热铁块实验曲线：实验曲线：实验曲线：实验曲线：（1）黑体：）黑体：用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔黑体黑体黑体黑体能能100%吸收吸收各种波长电磁波各种波长电磁波各种波长电磁波各种波长电磁波而无反射的物体而无反射的物体*在同一温度，对各种波长在同一温度，对各种波长 电磁波的辐射能量不同电磁波的辐射能量不同动画动画1动画动画2维恩理论值维恩理论值2.经典理论的解释经典理论的解释 瑞利和琼斯瑞利和琼斯(Rayleigh-Jeans)用能量均分定理电磁用能量均分定理电磁理论得出：理论得出：瑞利瑞利-琼斯琼斯实验实验T=1646K只适于只适于长

12、波长波长波长波 维恩维恩(Wien)根据经典热力学得出：根据经典热力学得出：“紫外灾难紫外灾难紫外灾难紫外灾难”。只适于只适于短波短波短波短波4在黑体辐射研究在黑体辐射研究中经典物理失败！中经典物理失败！动画动画53.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式(Planck formula)在全波段与实验在全波段与实验 结果惊人符合结果惊人符合 普朗克的能量子假说：普朗克的能量子假说：物体发射或吸收电磁辐射物体发射或吸收电磁辐射:*辐射物体中包含大量辐射物体中包含大量谐振子谐振子谐振子谐振子的能量是取特定的分立值的能量是取特定的分立值

13、 *存在着能量的最小单元：能量子存在着能量的最小单元：能量子(energy quantum)=h h=6.6260755 10-34 Js*振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量动画动画6普朗克的能量子：普朗克的能量子：经典经典能量能量量子量子说明：说明：说明：说明：1.这个能量子假设与经典这个能量子假设与经典 理论有本质的区别：理论有本质的区别：2.“h h”这个量是区别量子物理这个量是区别量子物理 与经典物理的一个明显标志与经典物理的一个明显标志例：例：例：例：m=0.3kg、k=3N/m的弹簧振子，振幅为的弹簧振子，振幅为A=0.1m。由

14、由 于摩擦系统的能量逐渐耗散，能量减小是否是连续？于摩擦系统的能量逐渐耗散，能量减小是否是连续？弹簧振子的振动频率：弹簧振子的振动频率：=0.5 Hz系统总能量：系统总能量：能量跳变：能量跳变：相对能量间隔：相对能量间隔：3.宏观经典物理是量子物理的极限形式宏观经典物理是量子物理的极限形式响应速度很快，响应速度很快，二、光电效应和爱因斯坦的光量子论二、光电效应和爱因斯坦的光量子论UG 饱和光电流强度与入射光饱和光电流强度与入射光 强度成正比。强度成正比。Uc312UIIS0相同频率不同入射光强度相同频率不同入射光强度相同频率不同入射光强度相同频率不同入射光强度 光电子的初动能与光电子的初动能与

15、入射光强度入射光强度 无关，而与入射光的频率有关。无关，而与入射光的频率有关。遏止电压的大小反映光电子遏止电压的大小反映光电子 初动能的大小初动能的大小 光电效应具有瞬时性。光电效应具有瞬时性。只有当入射光频率只有当入射光频率 大于一定的大于一定的频率频率 0(红限频率红限频率红限频率红限频率)时，才会产生光电效应时，才会产生光电效应驰豫时间不超过驰豫时间不超过10-9s光电子的最大初动能为：光电子的最大初动能为：7动画动画1.光电效应光电效应(photoelectric effect)2.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难按照光的经典电磁理论：按照光的经典电磁理论：光波的能量分布在

16、波面上，阴极电子积累能量克光波的能量分布在波面上，阴极电子积累能量克 服服逸出功逸出功逸出功逸出功需要一段时间，光电效应需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！不可能瞬时发生！不可能瞬时发生！不可能瞬时发生！3.爱因斯坦的光量子爱因斯坦的光量子(photon)论论 光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与 频率无关，更频率无关，更不存在截止（红限）频率！不存在截止（红限）频率！不存在截止（红限）频率！不存在截止（红限）频率！爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子(photon)理论：理论：一束光，是一束以光速一束光，是一束

17、以光速 c 运动的运动的粒子流粒子流粒子流粒子流，这些粒子称为，这些粒子称为光量子光量子光量子光量子（光子光子光子光子）。光的能量不是均匀地分布在波阵面上，而）。光的能量不是均匀地分布在波阵面上，而是集中在微粒上，光在与物质作用时、传播时都具有微粒性。是集中在微粒上，光在与物质作用时、传播时都具有微粒性。光子具有光子具有能量、质量、动量能量、质量、动量能量、质量、动量能量、质量、动量：不同频率的光子，具有不同不同频率的光子，具有不同 的能量（波粒二象性的能量（波粒二象性wave-particle duality）89光子光子光子光子理论成功地解释了光电效应：理论成功地解释了光电效应：当当 A/

18、h时，不发生光电效应。时，不发生光电效应。红限频率：红限频率：红限频率：红限频率：一个光子被一个电子所吸收，使电子获得一个光子被一个电子所吸收，使电子获得h 的能量，的能量，一部分用于脱离金属表面：一部分用于脱离金属表面：逸出功逸出功遏止电压遏止电压遏止电压遏止电压U Uc c：光电流为零时，外加电压的绝对值。光电流为零时，外加电压的绝对值。红限波长红限波长注：注：近代认为光具有波粒二象性近代认为光具有波粒二象性 在有些情况下，光突出显示出波动性；在有些情况下，光突出显示出波动性；粒子不是经典粒子粒子不是经典粒子,波也不是经典波波也不是经典波而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。而在另一些情况

19、下，则突出显示出粒子性。X射线管射线管石墨石墨晶体晶体检测器检测器实验规律：实验规律：实验规律：实验规律：散射线中除了有波长与原射线相同的成散射线中除了有波长与原射线相同的成份外，还有波长大于原波长的成份。波长的变化量份外，还有波长大于原波长的成份。波长的变化量与散射角有关，而与原波长和散射物质无关。与散射角有关，而与原波长和散射物质无关。三、康普顿散射三、康普顿散射(Compton effect)1.康普顿散射实验康普顿散射实验散射：散射：散射：散射：一束光线通过不均匀物质时，部分光线偏一束光线通过不均匀物质时，部分光线偏 离原来的传播方向的现象。离原来的传播方向的现象。康普顿散射实验：康普

20、顿散射实验：X射线通过晶体时的散射射线通过晶体时的散射10动画动画动画动画112.康普顿效应康普顿效应1）X射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射2）实验规律：实验规律：准直系统准直系统入射光入射光 0 散射光散射光 探探测测器器石墨石墨散射体散射体 (1)散射的射线中有与散射的射线中有与 入射波长入射波长 相相 同的射线同的射线,也有波长也有波长 的射线。的射线。(2)散射线波长的改变量散射线波长的改变量 随散射角随散射角 的增加而增加。的增加而增加。(3)在同一散射角下在同一散射角下 相同相同,与散射与散射 物质无关物质无关(4)原子量较小的物质，康普顿散射原子量较小的物质，康普顿散射 较强

21、。较强。Compton波长波长I =0o I=45oI =90oI =135o 012*波长的增加量波长的增加量 与散射角与散射角 有关。有关。3.3.实验结果：实验结果：实验结果：实验结果：*当散射角当散射角 确定时，波长的增加量确定时，波长的增加量 与散射物质的与散射物质的 性质无关。性质无关。*康普顿散射的强度与散射物质有关。康普顿散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射物质，康普顿散射较强，原子量小的散射物质，康普顿散射较强，即正常峰较低。反之相反。即正常峰较低。反之相反。经典电磁理论只能说明有正常散射存在，经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等。即散射光的

22、频率与入射光频率相等。而无法解释有而无法解释有 的存在及其所存在的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。的康普顿效应的实验规律。X X射线：射线：射线：射线：光子流，每个光子能量光子流，每个光子能量散射过程：散射过程：散射过程：散射过程：光子与散射物质中的电子的光子与散射物质中的电子的弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞。由于物质中的外层电子的动能远小于入射光子的动由于物质中的外层电子的动能远小于入射光子的动能，碰撞前电子可以看作是静止的。碰撞过程中，光子能，碰撞前电子可以看作是静止的。碰撞过程中，光子的一部分能量传递给电子，能量减小，频率减小，因而的一部分能量传递给电子，能量减小，频率减小，因而

23、波长增大。波长增大。光子与内层电子的碰撞可看作是与原子的碰撞。由光子与内层电子的碰撞可看作是与原子的碰撞。由于原子的质量远大于光子，碰撞过程中光子的能量几乎于原子的质量远大于光子，碰撞过程中光子的能量几乎不变，因而波长保持不变。不变，因而波长保持不变。4.光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释1314（2）康普顿的解释：）康普顿的解释：X射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰撞弹性碰撞:碰撞过程中能量与动量守恒碰撞过程中能量与动量守恒波长偏移：波长偏移：5.康普顿效应验证了光的量子性康普顿效应验证了光的量子性（1）经典电磁理论的困难：）经典电磁理论的困难：

24、e -可见：可见：可见：可见：与与 0无关，无关，只与散射角只与散射角 有关，有关，、。X射线光子与束缚很紧的电子碰撞射线光子与束缚很紧的电子碰撞:156.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义 X射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰撞；弹性碰撞；X射线光子与束缚很紧的电子碰撞：射线光子与束缚很紧的电子碰撞：由上面两点可推知：由上面两点可推知：原子量较大的物质，电子束缚很紧原子量较大的物质，电子束缚很紧原子量较小的物质，电子束缚很弱原子量较小的物质，电子束缚很弱 自由电子自由电子康散射较弱康散射较弱 进一步证实了光子论；进一步证实了光子论；证明了光子能量、动量表示式

25、的正确性；证明了光子能量、动量表示式的正确性；光确实具有波粒两象性；光确实具有波粒两象性；光电相互作用的过程，能量、动量守恒。光电相互作用的过程，能量、动量守恒。7.康普顿散射与光电效应的区别康普顿散射与光电效应的区别（1）康普顿效应中光子被散射只将部分能量交给自由）康普顿效应中光子被散射只将部分能量交给自由 电子，而光电效应中光子被束缚电荷整个吸收。电子，而光电效应中光子被束缚电荷整个吸收。证明：证明：证明：证明：康氏效应中光子的能量不能被自由电子全部吸收。康氏效应中光子的能量不能被自由电子全部吸收。反证法反证法反证法反证法：假设电子完全吸收光子的能量假设电子完全吸收光子的能量 h 由能量守

26、恒定律：由能量守恒定律：由动量守恒定律：由动量守恒定律：（2）在光电效应中不会产生康氏效应）在光电效应中不会产生康氏效应例：例：例：例：康效应中最大偏转角康效应中最大偏转角入射光波入射光波观察不到观察不到观察不到观察不到若是若是入射波长与入射波长与 c 相当相当时康氏效应才显著时康氏效应才显著16m例：例：例：例：波长为波长为2.0 的的X射线射到碳块上，由于康普射线射到碳块上，由于康普顿散射，频率改变顿散射，频率改变0.04，求：，求：(1)该光子的散射角该光子的散射角(2)使这个光子散射的反冲电子的动能使这个光子散射的反冲电子的动能解：解：解：解：(1)解出解出(2)178.8.光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性(1)光既具有波动性，也具有粒子性。光既具有波动性，也具有粒子性。体现波动性的特征量：体现波动性的特征量：频率频率频率频率，波长波长波长波长 体现粒子性的特征量：体现粒子性的特征量：质量、动量、能量质量、动量、能量质量、动量、能量质量、动量、能量(2)能量能量能量能量 由由质量质量质量质量动量动量动量动量由由可知光子的静止质量可知光子的静止质量18作作 业业21T1T4(p.3738)预习预习22章章 23章第章第1节节