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1、第二十一章 量子光学基础,21-1 热辐射 黑体辐射,黑体辐射问题“紫外灾难” ；,光电效应0,无论I多大,没有光电子逸出; 而它的能量只与有关,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:CRC0；,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,热辐射：由于物体中分子、原子受到热激发而发 射电磁波辐射的现象。,基本性质:,温度发射的能量电磁波的短波成分,例如：加热铁块,一.基尔霍夫(Kirchhoff)定律,单色辐出度：从物体单位表面积上发射的，波长介于和+d之间的辐射功率dE与d之比。,辐出度:物体从单位表面积上发
2、射的所有各种波长的辐射 总功率。,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，吸收能量与入射能量之比。,单色反射比：反射能量与 入射能量之比。,基尔霍夫定律：在同样的温度 下，不同的物体或不同表面性 质的物体，其单色辐出度与单 色吸收率之比是一恒量。,结论：一个好的吸收体一定也是一个好的发射体。,二.黑体辐射定律,黑体：能吸收一切外来辐射（即吸收比为1），而无反射的物体。,黑体是最理想的发射体,1.斯忒藩-玻尔兹曼定律：,物体的辐出度与温度的四次方成正比。,斯忒藩常数：,2.维恩位移定律：,能谱分布曲线的峰值对应的波长 m与温度 T的乘积为一常数。,21-2 普朗克能量子假设
3、,维恩定律：,（c2和c3为经验参数）,瑞利-金斯定律：,经典理论在短波区域的失败成为“紫外灾难”。,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,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。,普朗克量子假设：,对于频率为的振子，振子辐射的能量不是连续的，而是分立的，它的取值是某一最小能量h的整数倍。,例题： （1）温度为20的物体，它的辐射能中辐出度的峰值所对应的波长是多少？ （2）若使一物体单色辐出度的峰值所
4、对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？ （3）上两小题中，总辐射能的比率为多少？,解：,（1）,（2）取=6500A,（3）,21-3 光子 弱光起伏实验,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,实验一：,入射光强度和频率不变,1、增加电压U，光电流随之增加，直至饱和。,3、当反向电压U=Va时,光电流 I = 0。,截止电压：光电子刚好不能到达A极时所加的反向电压值 Va 。,实验二：,改变入射光强度和频率,1、入射光频率不变，饱和电流 IH 的大小与入射光的强度成正比。,2、入射光的强度不变时，其频率越高，截止电压Va越大。,即：K极逸出的电子
5、数与入射光的强度成正比。,即：光电子初动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关。,3、存在一个“截止频率”（红限）o 。,4、光电效应瞬时响应的性质。 t 10-9秒,经典理论解释光电效应的困难：,按照光的经典电磁理论：,a.光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率 无关，更不存在截止频率！,b.光波的能量分布在波面上，阴极电子积累能量克服 逸出功需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！,爱因斯坦的光量子论:,a.普朗克假定是不协调的,只涉及发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播。,爱因斯坦方程,c. 对光电效应的解释,当 A/h时，不发生光电效应。,红限频率,光量子具有“整体性”,电磁辐射
6、由以光速c运动的局限于空间某一小范围的光量子（光子）组成，, = h,b.爱因斯坦光量子假设(1905),应用:制成光电转换器件，如光电管,用于光功率测量,光信号记录电影、电视和自动控制等。,例题：钾的光电效应红限为o= 6.210-7m，求（1）电子的脱出功；（2）在紫外线的照射下，截止电压为多少？（3）电子的初速度为多少？,解：,例题：有一金属钾薄片，距弱光源3米。此光源的功率为1W，计算在单位时间内打在金属单位面积上的光子数。设=5890A。,解：,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。,21-4 康普顿效应,(189
7、21962)美国物理学家,1、在原子量小的物质中，康普顿散射较强，反之较弱。,2、波长的改变量-o随散射角的增加而增加。,3、对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变量-o都相同。,康普顿效应的光量子解释：,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。,2、波长的改变量与入射光的波长无关。,可见光 的数量级：,x光 的数量级：,光具有波-粒二象性,例题：在康普顿效应中，入射光子的波长为310-3nm，反冲电子的速度为光速的60%，求散射光子的波长和散射角。,解：,例题：波长为 o =0.20A的x射线与自由电子发生碰撞，若从与入射角成90角的方向观察散射
8、线。求：（1）散射线的波长；（2）反冲电子的动能；（3）反冲电子的动量。,解：,21-5 氢原子光谱 玻尔理论,一.经典原子模型的困难,汤姆逊面包夹葡萄干模型,整个原子呈胶冻状的球体，正电荷均匀分布于球体上，而电子镶嵌在原子球内，在各自的平衡位置作简谐振动并发射同频率的电磁波。,1.卢瑟福的核式模型,粒子散射,原子的核式模型：,原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。,2.Ta3/2,3.电子作加速运动,应有能量损失,电子应堕入核中。,二.氢原子光谱,巴尔末公式：,计算值：,实验值：,波数：,里德伯常数：,
9、(n m),谱线的波数可以表示为两光谱项之差。,光谱项：,莱曼系：（紫外光）,帕邢系：（红外光）,布拉开系：（红外光）,普丰德系：（红外光）,三.玻尔假设：,1、原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。,3、轨道角动量呈量子化。,2、当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。,玻尔量子化条件：,电子的轨道半径：,轨道能量：,氢原子的基态能量：,氢原子能级：,比较,例题：如用能量为12.6eV的电子轰击氢原子，将产生那些谱线？,解：,取 n = 3,可能的轨道跃迁： 31 ，32 ，21,例题：氢原子中把 n = 2 状态下的电子移离
10、原子需要多少能量？,解：,电子移离原子需要 3.4eV,一、自发辐射和受激辐射,1、吸收过程：,2、自发辐射过程：,21-8 激光器原理,激光又名镭射 (Laser), 它的全名是“辐射的受激发射光放大”。,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),3、受激辐射过程：,受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。,结论：受激辐射而得到的光是相干光。,二、激光原理,1、粒子数反转,产生激光的必要条件：实现粒子数反转。,激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。,具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。,红宝石激光器（三能级系统）,氦氖激光器（四能级系统）,2、光学谐振腔,全反射镜,部分反射镜,谐振腔长度：,谐振腔的作用：,（1）维持光振荡，起到光放大作用。,（2）使激光产生极好的方向性。,（3）使激光的单色性好。,氦氖激光： 6328A,红宝石激光： 6943A,三、激光的特点,1、方向性好。,2、单色性好。,3、相干性好。,4、能量集中。,