量子光学-1-1.ppt

本章简要介绍 1 狭义相对论基本观点 2 狭义相对论时空观的几个重要结论 狭义相对论总结 一 牛顿力学的绝对时空观 1 光速不变原理 2 爱因斯坦相对性原理 三 洛伦兹的时空变换和速度变换 1 满足光速不变原理 四 狭义相对论时空观的几个重要结论 运动物体在运动方向上长度缩短 4 时序的相对性 时间膨胀 运动时钟变慢 静止质量 运动质量随物体速度v增大 动质量 总质量 五 狭义相对论中的动力学方程 1 牛顿定律 2 动能原理 动能 动量 动能 总能量 动能 静止能量 动质量 动能 当 3 能量与动量的关系 光子m0 0 光子没有静止质量 没有静止能量 光子有动质量m 有动量 因为光子有质量 当光子经过一个大星体附近时受万有 引力作用使光线弯曲 这已被实验所证实 光子有能量 因为光子有动量 当光射到物体表面时会产生光压 例如 慧星的尾迹就是受太阳光压所致 收缩例四 收缩例五 量子力学的实验基础 量子光学 第十一章 19世纪末20世纪初光与物质的相互作用 热辐射光电效应康普顿效应 用光的经典电磁理论可以很好的解释 用光的经典电磁理论无法解释 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 经典力学 现代物理的理论基础 量子力学相对论 量子力学 第一节 热辐射 热辐射 定性图述 炽热状态 辐出度 我们周围的物体在不断地向外辐射能量 为什么物体的温度没有下降 当一个物体在单位时间内从外界吸收的能量恰好等于物体因辐射而消耗的能量时 该物体的温度保持恒定 这种状态下的热辐射称为平衡热辐射 为定量描述物体吸收和反射外来辐射能量的能力 引入吸收系数和反射系数 物体吸收的能量 入射到物体表面总能量 吸收系数 物体反射的能量 入射到物体表面总能量 反射系数 T l 依据 的不同 物体可分为 1 选择性吸收体 在一定温度下 只对某些或某段波长范围的辐射有明显吸收 对其他波长吸收很少 有色反光体2 灰体 单色吸收系数是一个常数 但小于1 它对各种波长的辐射有同等程度的吸收和反射 3 绝对黑体 在任何温度下均能全部吸收投射到它上面的辐射 即吸收系数为1 反射系数为0 一般辐射的复杂性 二 黑体辐射 随物而异 故亦随物而异 随物而异 黑体 二 黑体辐射 绝对黑体 能100 吸收投射在它上面的外来辐射 为什么引入绝对黑体模型 基尔霍夫定律 a b c d是四个 温度不同的物体 封闭在真空容器 中它们只能通过 热辐射交换能量 实验表明 经过一段时间后容器内 物体达到相同温度 即处于热平衡态 这表明 容器内的每一个物体单位时 间内辐射能量恰好等于吸收的能量 即单色辐出度大的物体 单色吸收系 数也大 基尔霍夫定律 在相同温度下 各种不同物体对相同的波长的单色辐出度和单色吸收系数的比值都相等 等于同温度下绝对黑体的单色辐出度 黑体实验模型 黑体辐射测量 实验结果 1 绝对黑体的总辐出度E0 T 随绝对温度T的升 高迅速地增大 2 随温度T增高 m值向短波长方向移动 3 绝对黑体的辐射规律与空腔的形状及材料无关 T2 T3 T3 T2 T1 黑体辐射规律 斯特藩于1879年根据实验曲线得出 玻尔兹曼于1884年从理论上证明 1893年维恩根据实验得出 经典物理遇到的困难 由于基尔霍夫定律 使得 绝对黑体的单色辐出度 成 为热辐射的一个中心问题 家为探寻绝对黑体的单色辐出度数学表达式付出了极大 的努力 他们从热力学 统计力学 电磁场理论等不同 角度去寻找符合实验曲线的数学表达式 但均无成功 其中最具有代表性的是瑞利 琼斯和 维恩所做的工作 十九世纪末期 许多物理学 瑞利 琼斯公式 1890年 瑞利和琼斯将经典的电磁 理论和分子运动论中的能均分定理应用到热辐射中 但沿用经典物理概念 如经典电磁辐射理论和能量均分定理 去推导一个符合实验规律的黑体单色辐出度函数均遇到困难 瑞利 琼斯推导结果是 l 0 当 时 即波长向短波 紫外 方向不断变短时 则 8 经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论 物理学史上称之为 紫外灾难 黑体辐射问题所处的困境成为十九世 末 物理学天空中的一朵乌云 但它却孕育着一个新物理概念的诞生 维恩公式 应用类似于麦克斯韦速率分布方法 在短波区域与实验相附合 在长波区有较大偏离 用经典理论解释热辐射的问题碰到了困难 向物理学理 论大厦飞来的一朵乌云 为了摆脱困境 普朗克提出了与经典理论相背离的 辐射体能量量子化 假设 在此基础上终于找到了与实 验结果完全符合的绝对黑体单色辐出度的数学表达式 将同温度下的实验曲线 瑞利 琼斯公式和维恩公式的函数曲线绘制于同一图中 普朗克 MaxKarlErnstLudwigPlanck 1858 1947 德国物理学家 量子物理学的开创者和奠基人 普朗克的伟大成就 就是创立了量子理论 1900年12月14日他在德国物理学会上 宣读了以 关于正常光谱中能量分布定律的理论 为题的论文 提出了能量的量子化假设 并导出了黑体辐射的能量分布公式 这是物理学史上的一次巨大变革 从此结束了经典物理学一统天下的局面 劳厄称这一天为 量子论的诞生日 1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金 三 普朗克公式及能量子假说 能量子假设 1900年12月24日 普朗克在 关于正常光谱的能量分布定律的理论 一文中提出能量量子化假设 量子论诞生 称为普朗克常量 理论曲线 瑞利 琼斯公式和维恩公式是普朗克公式在长波和短波 区域的极限 普朗克理论值 证明 当波长很长时 瑞利 琼斯公式 当波长很短时 普朗克公式简化为 维恩公式 根据普朗克的观点 谐振子的能量是量子化的 但是 经典力学在处理宏观振子能量时 均按连续分布来处理 为什么没有出现错误呢 例题一个弹簧振子 振子的质量M为1 0kg 弹簧的 据普朗克能量量子化条件 求量子数n 若量子数n改 变一个单位 系统的能量改变的百分比有多大 劲度K等于20N m 系统振动的振幅A等于1 0cm 根 根据普朗克能量量子化条件 振子的能量 联立式 得量子数 解 弹簧的固有频率 按经典力学观点 振子的能量 可以看出 相对于宏观振子 其量子数n甚大 能级 差很小 振动系统能量的分立特性不明显 因此在经 典力学中 可视宏观振子的能量是连续变化的 当量子数n改变一个单位 振动系统的能量改变的百分比为 由于普朗克公式与实验结果完全相符 这说明普朗克 的 能量量子化 假设是正确的 即辐射体的能量是量 子化的 普朗克的 能量量子化 假设不仅圆满地解释 后来人们将普朗克提交论文的 1900年12月14日 章 量子论从此诞生了 了黑体辐射的实验规律 同时为物理学开创了新的篇 贝尔物理学奖 这一天定为量子力学的诞辰日 于1918年普朗克获诺 普朗克在处理绝对黑体的热辐射问题上 其方法是十分成功的 但是还存在着一个需要解决的矛盾 思考 是什么矛盾 辐射体与辐射场之间是以量子化的形式交换能量 但辐射场的能量却又是连续变化 爱因斯坦看到了这种不协调 于1905年提出电磁场 能量量子化假设 从而揭露了光的波粒二象性 当人们面对普朗克提出 能量子 这个史无前例的全新 概念还无法接受之时 爱因斯坦却应用并推广了普朗克 的量子概念 进一步提出了辐射场能量量子化的设想 即电磁波是由 光量子 构成的 普朗克的 能量子 和爱 因斯坦的 光量子 后来被统一命名为 光子 根据 光量子 的假设 很成功地解释了光电效应的实 验规律 黑体例一 第二节 光电效应 麦克斯韦的电磁理论预言电磁波存在 1887年赫兹用实 验证实了电磁波存在 在实验中赫兹发现一种现象 当 用紫外光照射检波器上其中一个小球时 二个小球之间出 现跳火 这一现象引起物理学界许多人的兴趣 紫外光照射中性 放电 带正电 光电效应实验 一 光电效应 石英窗 光束射到金属表面使电子从金属中脱