诺贝尔奖与光学光的量子性

1、诺贝尔奖与光学诺贝尔奖与光学Nobel Prize and OpticsNobel Prize and Optics光的量子性光的量子性光量子理论光量子理论 光的粒子性光的粒子性 黑黑体辐射体辐射 光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射 正负电正负电子的产生和湮子的产生和湮灭灭 光的波粒二象性光的波粒二象性 原原子的分裂谱子的分裂谱线线和原子结构和原子结构人物及获奖时间人物及获奖时间获奖原因获奖原因 普朗克普朗克 1918in recognition of the in recognition of the services he rendered to the services he ren

2、dered to the advancement of Physics by advancement of Physics by his discovery of energy his discovery of energy quanta quanta 能量子能量子 爱因斯坦爱因斯坦 1921for his services to for his services to Theoretical Physics, and Theoretical Physics, and especially for his discovery especially for his discovery of th

3、e law of the photo-of the law of the photo-electric effect electric effect 光电效应光电效应部分与光学有关的诺贝尔奖获得者部分与光学有关的诺贝尔奖获得者人物及获奖时间人物及获奖时间获奖原因获奖原因玻尔玻尔1922年年for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them原子结构理论原子结构理论人物及获奖时间人物及获奖时间获奖原因获奖原因密立根密立根1923年年for h

4、is work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect“测量电子电荷和光电效应实测量电子电荷和光电效应实验验威廉威廉汤姆逊（开尔文勋爵）汤姆逊（开尔文勋爵） 在已经建成的科学大厦上，后辈物理学家在已经建成的科学大厦上，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就可以了。只要做一些零碎的修补工作就可以了。 在物理学晴朗天空的远处，只有两朵小小在物理学晴朗天空的远处，只有两朵小小的令人不安的乌云。的令人不安的乌云。在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的19世纪乌云世纪乌云1900年于英国年于英国

5、Royal Institution两朵乌云两朵乌云 热辐射实验：紫外灾难热辐射实验：紫外灾难 量子论量子论 迈克耳孙莫雷实验迈克耳孙莫雷实验 ：以太？：以太？ 相对论相对论Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light“There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.”From an address to the British Asso

6、ciation for the Advancement of Science (1900) “The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds. I. The first came into existence with the undulatory theory of light, and was dealt with by Fresnel and Dr. Thoma

7、s Young; it involved the question, how could the earth move through an elastic solid, such as essentially is the luminiferous ether? II. The second is the MaxwellBoltzmann doctrine regarding the partition of energy.”From a 1900, April 27, Royal Institution lecture. 节能荧光灯的发光谱节能荧光灯的发光谱黑体辐射 黑体辐射是一种特殊的热

8、辐射黑体辐射是一种特殊的热辐射 什么是热辐射？什么是热辐射？ 传传递热量的几种方式？递热量的几种方式？ 热平衡热平衡 热辐热辐射：射： T 0K 时的电磁辐射时的电磁辐射T1T2热辐射热辐射 本质：热能本质：热能 电磁辐射电磁辐射热能：无规则运动平动、转动、振动热能：无规则运动平动、转动、振动原原子、分子改变能量状态辐射电磁波子、分子改变能量状态辐射电磁波 特征：特征：E(v) 连续谱（近似）；形状依赖于温度连续谱（近似）；形状依赖于温度热辐射热辐射 特征：特征：E(v) T上升，上升， 热辐射功热辐射功率增加，率增加，vmax增大增大（600度，暗红）度，暗红） 吸收发射对等：吸收发射对等：

9、热平衡下吸收发热平衡下吸收发射射012 E600K E800K E1000KE()h ( eV )黑体和黑体辐射黑体和黑体辐射 不同物体辐射（吸收）的本领不同不同物体辐射（吸收）的本领不同 强：表面黑色，粗糙强：表面黑色，粗糙 弱：表面明亮，光滑弱：表面明亮，光滑 黑体：完全吸收辐射最大辐射能力黑黑体：完全吸收辐射最大辐射能力黑体辐射（理想模型）体辐射（理想模型） 与材料无关与材料无关 实验实现：空腔实验实现：空腔黑体和黑体辐射黑体和黑体辐射 维恩维恩 （1911 Nobel Prize in Physics, On the Laws of Thermal Radiation） 用内壁涂黑、打

10、孔的空用内壁涂黑、打孔的空腔代替黑体：腔代替黑体：光从小孔进入腔内吸收或多次反光从小孔进入腔内吸收或多次反射从小孔逃逸几率射从小孔逃逸几率0（完全吸（完全吸收）收） 空腔辐射黑体辐射空腔辐射黑体辐射空空腔黑体腔黑体黑体辐射的规律黑体辐射的规律 19世纪末的研究热点世纪末的研究热点 处于开创阶段处于开创阶段 工业高温测量、光度计工业高温测量、光度计 黑体：不依赖于材料和形状，可作为多数黑体：不依赖于材料和形状，可作为多数发光体（固体、液体）的近似发光体（固体、液体）的近似黑体辐射的规律黑体辐射的规律 辐射本领辐射本领 R（T）热辐射能量热辐射能量 / 单位表面积单位表面积 / 单位时间单位时间

11、光谱辐射本领光谱辐射本领 R（T，v）dvvTRTR0),()(黑体辐射的规律黑体辐射的规律 斯忒潘玻尔兹曼斯忒潘玻尔兹曼定律定律R (T) = T4 = 5.6710-8 W/m2K4 维恩位移定律维恩位移定律max T = C C=2.89810-3 mK1000K 2.898 m6000K 0.5 m黑体辐射的规律黑体辐射的规律 瑞利金斯公式瑞利金斯公式v增大，增大， 无限增大无限增大 （紫外灾难紫外灾难） 瑞瑞利：（利：（John William Strutt）尊）尊称瑞利男爵三称瑞利男爵三世（世（Third Baron Rayleigh），）， 1904年诺贝尔物年诺贝尔物理学理学奖

12、（在奖（在研究一些气体的密度中发现了惰性研究一些气体的密度中发现了惰性气体气体氩氩）。dvkTcvdvvT328),(普朗克公式普朗克公式Max Karl Ernst Ludwig Planck (The Nobel Prize in Physics 1918, in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta)18),(32kThvehvcvvT普朗克公式普朗克公式 不应该是不应该是kT，应，应依依赖于赖于 v ， v 时应时应有

13、有 振子能量振子能量 En=nhv （h = 6.626075510 -34 Js 普朗克常数） 平均能量平均能量01kThvehvE普朗克公式普朗克公式 突破与混乱突破与混乱 量子：量子： quanta (Latin: how much?) 普朗克：仍然企图用连续性代替量子普朗克：仍然企图用连续性代替量子(In summary, I can only characterize the entire work as an act of desperation My unavailing attempts to somehow reintegrate the action quantum int

14、o classical theory extended over several years and caused me much trouble.) 爱因斯坦：光量子爱因斯坦：光量子 E = hv 解释光电效应解释光电效应 Max Born wrote about Planck: He was by nature and by the tradition of his family conservative, averse to revolutionary novelties and skeptical towards speculations. But his belief in the

15、imperative power of logical thinking based on facts was so strong that he did not hesitate to express a claim contradicting to all tradition, because he had convinced himself that no other resort was possible.From left to right: W. Nernst, A. Einstein, M. Planck, R.A. Millikan and von Laue at a dinn

16、er given by von Laue in Berlin on 11 November 1931Lightmatter interaction Low-energy phenomena Photoelectric effect Mid-energy phenomena Thomson scattering Compton scattering High-energy phenomena Pair production光电效应光电效应 现象：赫现象：赫兹兹Heinrich Hertz（1887）、勒）、勒纳德纳德 （1900）（Nobel Prize 1905）、）、汤姆孙汤姆孙（1899）

17、（Nobel Prize 1906） 理理论：爱因斯坦论：爱因斯坦 （1905）（）（Nobel Prize 1921） 系统实验：密立根（系统实验：密立根（1904-1914）（）（Nobel Prize 1923） 1887年，年，赫兹赫兹(Heinrich Hertz，18571894)在进行电磁波实验时，注意到电极之在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受光辐射的影响间的放电，会受光辐射的影响。 1888年，德国物理学家霍耳瓦克斯年，德国物理学家霍耳瓦克斯(WHallwacks)用弧光照射带负电的锌板，用弧光照射带负电的锌板，发现锌板上的电荷迅速消失；锌板带正电发现锌板上的电荷迅

18、速消失；锌板带正电则无此现象则无此现象。 俄俄国的斯托列托夫国的斯托列托夫(Stoletov) 更更详细地研究详细地研究了光电效应了光电效应。实。实验表明负电极在弧光照射验表明负电极在弧光照射下放出了负电荷，形成了电流。下放出了负电荷，形成了电流。 1899年，年，JJ汤姆生用磁场偏转法测光电流汤姆生用磁场偏转法测光电流的荷质比，结果与阴极射线一样，于是肯定光的荷质比，结果与阴极射线一样，于是肯定光电流也是由电子组成的。光照到金属表面，使电流也是由电子组成的。光照到金属表面，使金属表面释放电子，这就是光电效应的本质金属表面释放电子，这就是光电效应的本质。 1900年，勒纳年，勒纳(PLenar

19、d，18621947)创造了创造了一种独特的测量方法，使光电效应的研究取得一种独特的测量方法，使光电效应的研究取得重要成果。他的办法就是在电极间加一反向电重要成果。他的办法就是在电极间加一反向电压，使光电流截止到零，然后从反向电压值推压，使光电流截止到零，然后从反向电压值推算出电子逸出金属表面的最大速度。算出电子逸出金属表面的最大速度。光电效光电效应应光光电子电子光照（紫外光）金光照（紫外光）金属发射电子属发射电子实验参数：实验参数：光：光：v， 光强光强电流：电流：i， V材料：不同金属材料：不同金属E：金属板（光阴级）金属板（光阴级）C：收集电子收集电子hvGVDCCEe Uc= K -

20、U04.06.08.0 10.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa与入射光强无关光电子的最大初动能 0221UKeeUumcm im1im2-Uc光电效应光电效应实验规律实验规律 只有当入射光频率 v大于一定的 频率v0时，才会产生光电效应 0002)(21 KeKUKeUKeumm 0 称为截止频率或红限频率 饱和光电流强度 im 与入射光强 i成正比im1im2-Uc 光电效应是瞬时发生的驰豫时间不超过10-9s光电效应光电效应实验规律 时间分辩时间分辩: hv t e发射发射测不出测不出 t （ 正电子反质子正电子反质子 正确解释：正确解释：Patrick M.S.

21、 Blackett（1948 Nobel Prize in physics）电子偶的产生电子偶的产生 e+e- 能量：能量：hv = 2mec2+E-k+E+k 1.02 MeV 动量：不能守恒动量：不能守恒 +Me+e- +M电子偶的湮灭电子偶的湮灭 e+e- + 不能只产生一个光子不能只产生一个光子 重核附近？重核附近？ 产生产生3个光子？个光子？电子偶的湮灭电子偶的湮灭e+e- + 静静止正负电子：止正负电子： 2mec22hv hv0.511MeV 0.024 电子偶素电子偶素 e+e- （ 10-10s）二二 光量子理论光量子理论 光的粒子性光的粒子性 黑黑体辐射体辐射 光电效应光电

22、效应 康普顿散射康普顿散射 正负电正负电子的产生和湮子的产生和湮灭灭 光的波粒二象性光的波粒二象性 原原子的分裂谱子的分裂谱线线和原子结构和原子结构光的波粒二象性光的波粒二象性波动性和粒子性是一切微观世界最根本波动性和粒子性是一切微观世界最根本的特征，同时存在。的特征，同时存在。光的波动性光的波动性 光是具有极高频率的电光是具有极高频率的电磁波。可以用光的电磁理论解释光在磁波。可以用光的电磁理论解释光在传播过程中所产生的各种现象：干涉、传播过程中所产生的各种现象：干涉、衍射、偏振等衍射、偏振等光的粒子性光的粒子性 符合量子规律的粒子。符合量子规律的粒子。 光与其它物质相互作用并涉及到能量光与其

23、它物质相互作用并涉及到能量转换的过程，用量子力学的理论解释。转换的过程，用量子力学的理论解释。光的波粒二象性光的波粒二象性 hknhp 光的本性光的本性 粒子？波动？粒子？波动？ 粒粒子性和波动性如何统一？子性和波动性如何统一？单光子的部分反射单光子的部分反射Ch4 实物粒子的波动性Ch4 实物粒子的波动性 两个光子相关（同时到达两个探测器）的两个光子相关（同时到达两个探测器）的可能性小于万分之一。可能性小于万分之一。Ch4 实物粒子的波动性电子干涉实验电子干涉实验Experimental arrangement of a two-slit experiment for electrons.

24、Two paths are made available to the electron beam. (A. Tonomura et al. : American Journal of Physics 57 (1989) 117）Ch4 实物粒子的波动性电子干涉实验电子干涉实验 Detector output is displayed on a TV-monitor shown here in a set of frames; the first frame is early on; the last after a long time of impact collection. The in

25、terference pattern is slowly built up by impacts of individual particles.Ch4 实物粒子的波动性Controlled double-slit electron diffraction Roger Bach, Damian Pope, Sy-Hwang Liou,and Herman Batelaan, Controlled double-slit electron diffraction, New Journal of Physics 15 (2013) 033018（movie）Ch4 实物粒子的波动性原子干涉实验原子

26、干涉实验Drr,S., Nonn,T., Rempe,G., Origin of quantum-mechanical complementarity probed by a which-way experiment in an atom interferometer, Nature 395: 33 - 37 (1998)Ch4 实物粒子的波动性原子干涉实验原子干涉实验Ch4 实物粒子的波动性分子干涉实验分子干涉实验Real-time single-molecule imaging of quantum interferenceNature Nanotechnology (2012)doi:1

27、0.1038/nnano.2012.34)quantum interference patterns in real time for phthalocyanine molecules and for derivatives of phthalocyanine molecules, which have masses of 514 AMU and 1,298 AMU respectively.Ch4 实物粒子的波动性分子干涉实分子干涉实验（录像）验（录像）光的本性光的本性 粒子波动粒子波动 粒粒子性和波动性同时存在子性和波动性同时存在 单单个光子也具有波动性个光子也具有波动性光量子理论光量子理

28、论 光的粒子性光的粒子性 黑黑体辐射体辐射 光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射 正负电正负电子的产生和湮子的产生和湮灭灭 光的波粒二象性光的波粒二象性 原原子的分裂谱子的分裂谱线线和原子结构和原子结构原子的分裂谱线原子的分裂谱线和原子结构和原子结构 1913年年N.Bohr（丹麦）（丹麦） 从事原子结构和原子辐射的研究从事原子结构和原子辐射的研究,提出电子在原子中提出电子在原子中只能处于一系列不连续的能级，在不同能级间电子只能处于一系列不连续的能级，在不同能级间电子发生的跃迁同时发出或吸收光子，其能量发生的跃迁同时发出或吸收光子，其能量h=E1-E2=（E1-E2）/ h 解解决了原子的分

29、裂谱线现象决了原子的分裂谱线现象 获获1922 年诺贝尔物理年诺贝尔物理奖奖 汤姆逊（汤姆逊（J.J. Thomson） 卢瑟福（卢瑟福（Ernest Rutherford）原子模型原子模型汤姆孙原子模型汤姆孙原子模型 J.J. 汤姆孙发现电子之后，在电子是原子组汤姆孙发现电子之后，在电子是原子组成部分的基础上，引出原子构成的问题。成部分的基础上，引出原子构成的问题。 “葡萄干布丁葡萄干布丁”模型：模型： 正电荷：均匀分布在原子内（正电荷：均匀分布在原子内（ ），占有大），占有大部分质量部分质量 负电荷：均匀分布质量很小负电荷：均匀分布质量很小汤姆孙原子模型汤姆孙原子模型 H原子发光原子发光与

30、实验观察到的波长大致相符与实验观察到的波长大致相符问题：仅有一个频率，实验观察到一系列谱线问题：仅有一个频率，实验观察到一系列谱线1200Ernest Rutherford（1871-1937） The Nobel Prize in Chemistry 1908（for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances） 粒子散射粒子散射 前期研究前期研究 勒纳德电子散射实验：高速电子容易穿透原子，勒纳德电子散射实验：高速电子容易穿透原子

31、，所以原子应该是十分空虚的所以原子应该是十分空虚的 盖革和马斯登盖革和马斯登 粒子散射粒子散射（1909） 粒子散射粒子散射盖革和马斯登盖革和马斯登 粒子散射：粒子散射： 部分散射部分散射 粒子偏转粒子偏转2 3 少部分偏转少部分偏转90 Three different determinations showed that of the incident -particles about 1 in 8000 was reflected, under the described conditions. 汤姆孙原子模型给出散射角汤姆孙原子模型给出散射角22n卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型卢瑟福原子模

32、型卢瑟福原子模型1) Almost all of the alpha particles went through the gold foil as if it were not even there. Those alpha particles, of course, continued on a straight-line path until they hit the detector screen. 2) Some of the alpha particles were deflected only slightly, usually 2 or less. Geiger found t

33、hat an alpha particle was, on average, deflected about 1/200th of a degree by each single encounter with a gold atom. The most probable angle of deflection for one gold foil turned out to be about 1. 3) A very, very few (1 in 8000 for platinum foil) alpha particles were turned through an angle of 90

34、 or more.卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 We shall suppose that for distances less that 10-12 cm the central charge and also the charge on the alpha particle may be supposed to be concentrated at a point. 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 The question of the stability of the atom proposed need not be considered at this stage, for this

35、will obviously depend upon the minute structure of the atom, and on the motion of the constituent charged parts. 18531853年，瑞典物理学家年，瑞典物理学家埃斯特朗埃斯特朗观测到氢观测到氢原子光谱中的最强一条谱线，并首先采用原子光谱中的最强一条谱线，并首先采用1010-8-8cmcm作为波长的单位，命名为埃作为波长的单位，命名为埃(A)(A)。还。还绘制出近百种元素的光谱绘制出近百种元素的光谱图。图。 6.3645.6 ,5 ,4 ,3422BnnnB 18851885年，从事

36、天文测量的瑞士科学家年，从事天文测量的瑞士科学家巴耳巴耳末末找到一个经验公式说明已知的氢原子谱找到一个经验公式说明已知的氢原子谱线的位置，这一组线称为巴耳末系（可见线的位置，这一组线称为巴耳末系（可见光光H H、H H 、 H H、H H） 1722100968.14.6 ,5 ,4 ,3)121(1mBRnnRHH 18891889年，瑞典光谱学家年，瑞典光谱学家里德伯里德伯发现了许多发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子的光谱系，和氢原子的光谱一样，金属原子的光谱系，和氢原子的光谱一样，它们都能满足一个简单的公式：里德堡公它们都能满足一个简单的公式：里德堡公式（式（RH 为氢原子的里为氢原子的里德伯常数）。德伯常数）。氢原子光谱氢原子光谱 其它线系其它线系)11(22nmRH线系线系发现时间发现时间m波段波段赖曼系赖曼系19141紫外紫外巴尔末系巴尔末系18852可见可见帕邢系帕邢系19083近红外近红外布喇开系布喇开系19224红外红外普丰系普丰系19245远红外远红外汉福莱系汉福莱系6谱线波长不连续性解释玻尔（玻尔（18851885年年19621962）丹丹麦科学家麦科学家19221922年获诺贝尔物理学年获诺贝尔物理学奖奖，