量子光学基础.doc

习题2121-1测量星体表面温度的方法之一是将其看作黑体，测量它的峰值波长，利用维恩定律便可求出。已知太阳、北极星和天狼星的分别为，和，试计算它们的表面温度。解：由维恩定律：，其中：，那么：太阳：；北极星：；天狼星：。21-2宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景辐射相当于温度为的黑体辐射，试计算：（1）此辐射的单色辐出度的峰值波长；（2）地球表面接收到此辐射的功率。解：（1）由，有；（2）由，有：，那么：。21-3已知时钨的辐出度与黑体的辐出度之比为。设灯泡的钨丝面积为，其他能量损失不计，求维持灯丝温度所消耗的电功率。解：，消耗的功率等于钨丝的幅出度，所以，。21-4天文学中常用热辐射定律估算恒星的半径。现观测到某恒星热辐射的峰值波长为；辐射到地面上单位面积的功率为。已测得该恒星与地球间的距离为，若将恒星看作黑体，试求该恒星的半径。（维恩常量和斯特藩常量均为己知）解：由，考虑到恒星辐射到地面上单位面积的功率大球面恒星表面辐出的功率，有：，。21-5分别求出红光（），射线（），射线（）的光子的能量、动量和质量。解：由公式：，及，有：红光：，；X射线：，；射线：，。21-6钨丝灯在温度下工作。假定可视其为黑体，试计算每秒钟内，在到波长间隔内发射多少个光子？解：设钨丝灯的发射面积为，由斯特藩-玻耳兹曼定律可得辐射总功率，那么，钨丝的发射面积为：，利用普朗克公式：，那么，单位时间内从黑体辐射出的在范围内的能量为：考虑到一个光子的能量为：，设每秒发射出个光子，应有。21-7钾的截止频率为4.621014Hz，用波长为435.8nm的光照射，能否产生光电效应？若能产生光电效应，发出光电子的速度是多少？解：（1）由知逸出功，而光子的能量：。可见，能产生光电效应；（2）由光电效应方程：，有，。21-8波长为的光在石墨上发生康普顿散射，如在处观察散射光。试求：（1）散射光的波长；（2）反冲电子的运动方向和动能。解：（1）由康普顿散射公式：和而康普顿波长：，知：；（2）如图，考察散射粒子的动量，在轴方向上：在轴方向上：/有：，；动能：。21-9试计算氢原子巴耳末系的长波极限波长和短波极限波长。解法一：由巴耳末公式，（其中）当时，有短波极限波长：；当时，有长波极限波长：。解法二：利用玻尔理论：，有：，考虑到，当时，有短波极限波长：；当时，有长波极限波长：。【注：解法一可用巴耳末公式的形式，其中】21-10在氢原子被外来单色光激发后发出的巴尔末系中，仅观察到三条光谱线，试求这三条谱线的波长以及外来光的频率。解：由巴耳末公式，由于仅观察到三条谱线，有。“”：，有：；“”：，有：；“”：，有：；一般氢原子核外电子处于基态（），外来光子的能量至少应将电子激发到的激发态，所以，光子的能量应为：，考虑到，有：。21-11一个氢原子从的基态激发到的能态。（1）计算原子所吸收的能量；（2）若原子回到基态，可能发射哪些不同能量的光子？（3）若氢原子原来静止，则从直接跃回到基态时，计算原子的反冲速率。解：（1）氢原子从的基态激发到的能态，吸收的能量为：（2）回到基态可能的跃迁有：“”、“”、“”、“”、“”、“”，考虑到：、，有：“”：；“”：；“”：；“”：；“”：；“”：。（3）首先算出光子的能量：，而（光子），由动量守恒有：，（设电子的反冲速度为）。可见，电子的反冲速度很小，因此不需要考虑相对论效应。21-12砷化镓半导体激光器（GaAlAs），发射红外光，功率为，计算光子的产生率。解：设每秒钟发射个光子，每个光子的能量为，那么：，（个）。思考题21-1在光电效应实验中，用光强相同、频率分别为和的光做伏安特性曲线。已知,那么它们的伏安特性曲线应该是图？答：图（C）21-2试比较光电效应与康普顿效应之间的异同。答：光电效应和康普顿效应都通过光和物质的相互作用过程揭示了光具有粒子性的一面。光电效应揭示了光子能量与频率的关系，康普顿效应则进一步揭示了光子动量与波长的光系。两者区别源于产生这两效应的能量范围大不相同，光电效应中光子的波长在光学范围，能量的数量级是几个eV，金属中电子逸出功的数量级是1eV。在线性光学范围内的光电效应中，入射光子能量大于或等于逸出功时，一个电子吸收一个光子，电子和光子系统的能量守恒，而因电子受束缚，系统的动量不守恒；康普顿效应中的光子在X射线波段，具有104eV数量级的能量，相对来说电子逸出功和电子热运动的能量都可以忽略，原子的外层电子可看作是自由的、静止的。所以康普顿效应反映的是高能光子和低能自由态电子间的弹性碰撞问题，系统的能量和动量都守恒。21-3用可见光照射能否使基态氢原子受到激发？为什么？答：使基态氢原子受到激发所需要的最小能量为：，而可见光的最大能量为：，所以用可见光照射不能使基态氢原子受到激发21-4氢原子的赖曼系是原子由激发态跃迁至基态而发射的谱线系，为使处于基态的氢原子发射此线系中最大波长的谱线，则向该原子提供的能量至少应为多少？答：氢原子的赖曼系是从受激态往激态发射光子，此线系中最大波长是从向基态发射的，故：。21-5用玻尔氢原子理论判断，氢原子巴尔末系（向第一激发态跃迁而发射的谱线系）中最小波长与最大波长之比为多少？ 答：由，时波长最小用表示，时波长最大用表示，有：。21-6根据氢原子理