第七章光的量子性光速的测定光的相速度和群速度课件

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第7章

光的量子性

QuantumPropertiesofLight光的电磁理论揭示了光的电磁波本质，成功地解释了光的干涉、衍射和偏振等光学现象。但是19世纪末以来，许多重要实验的结果与经典电磁波理论相违背，用波动理论解释这些实验中光的行为时遇到了不可克服的困难。这迫使人们对光的本性作进一步的探索，从而导致了光的量子性概念的建立。光的量子性概念的确立及随后量子理论的发展，使人们对微观世界的认识产生了深刻的变化。本章将通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等在科学史上具有重大意义的实验结果及基本规律来阐明光的量子特性。1第7章光的量子性光的电磁理论揭示了光的电第七章

光的量子性QuantumPropertiesofLight

主要内容第一节

光速

第二节

经典辐射定律第三节

普朗克辐射公式第四节

光电效应第五节

爱因斯坦的量子解释第六节

康普顿效应第七节

德布罗意波第八节

波粒二象性第七章

光的量子性第一节

光速

世界上最早用实验方法测定光速的是伽利略。他在1607年做了一个实验。当时，他叫甲乙两个人在夜间各带一只灯，分立在两个山顶上，甲先迅速取去灯罩对乙发出信号，乙在看到信号后，立即取去灯罩，对甲发出信号。两山的距离和光往返的时间来计算光速。由于当时的技术条件限制，测得的光速很不精确。7.1光速的测定光的相速度和群速度1实验室方法伽利略（GalileoGalilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。世界上最早用实验方法测定光速的是伽利略。他在1607年

后来，法国物理学家斐索于1849年用一只旋转的齿轮测量光走过某一给定距离的时间，齿轮以一定的速度运动并让光通过齿间。斐索测得的光速为313000公里／秒。斐索先后研究了光的干涉、热膨胀等，发明了干涉仪。他在研究和测量光速问题上作出了贡献，是第一个不用天文常数、不借助天文观察来测量光速的人。他是采用旋转齿轮的方法来测定光速的。测出的光速为342539.21千米/秒，这个数值与当时天文学家公认的光速值相差甚小。斐索（1819-1896）法国物理学家后来，法国物理学家斐索于1849年用一只旋转

后来，法国科学家傅科用一只旋转的镜子测定光速。他让镜子以一定的速度转动，使它在光线发出并从一面静止镜子反射回来这段时间内，恰好旋转一周。傅科在物理学史上以其“傅科摆”的实验著名于世。在光速测定的研究中，他是采用旋转平面镜的方法来测量光速的。其测得的光速为29.8×107米/秒，并分析实验误差不可能超过5×105米/秒。傅科（JeanBernardLeonFoucault1819～1868）法国实验物理学家后来，法国科学家傅科用一只旋转的镜子测定光速。1834年，英国物理学家惠斯通利用旋转镜来测定电火花持续的时间，也想用此法来测定光速，同时也想确认一下在折射率更大的介质中，光速是否更大。惠斯通的思想方法是正确的，但是他没有完成。迈克耳逊继承了傅科的实验思想，用旋转八面棱镜法测得光速为299796千米/秒。惠斯通（CharlesWheatstone1802～1875）英国物理学家、发明家迈克耳孙，阿尔伯特·亚伯拉罕(A.Michelson1852—1931)，德国出生的美国物理学家1834年，英国物理学家惠斯通利用旋转镜来测定电火

随着科学科技的不断发展，人们不断地改进实验装置和技术，直到1932年用旋转棱镜测得光速为299774±2公里／秒。20世纪60年代，激光器的出现，使光速的测定越发精确，1972年测定的光速值为299792公里／秒。目前国际计量委员会承认的光速是299792458米±1.2米／秒。

从伽利略开始，中间经过斐索和傅科等人，一直到20世纪80年代，用来测定光速的实验都是一种定量实验。随着科学科技的不断发展，人们不断地改进实验装

真空中光速c不仅是重要的光学常数，也是整个物理学以及天文学中几个最基本的普适常数之一，对其数值的精确测定，无疑具有十分重大意义的。另一个天文学方法是1728年布喇德雷用的光行差法。在地面上进行光束测定的工作直到十九世纪上半叶才开始，特别值得提起的有斐索的齿轮法，傅科的旋转镜法和迈克耳孙的旋转棱镜法。鉴于光速这一基本常数的重要性，对它的测量工作几十年来从未中断，在此期间方法不断改进，精确度不断提高。2光速的测量与长度单位“米”的定义真空中光速c不仅是重要的光学常数，也是整

自从1958年绅鲁姆利用微波干涉仪法得到当时公认的光速值c=299792.5±0.1km/s以来，所有的光速精密测量均以公式c=λν为基础，即电磁波在真空中的传播速度等于其频率与相应真空波长之乘积。当时的不确定度是3×10的7次方，其主要原因是使用的波长较长（4mm），因此波长测量的准确度较低，衍射效应带来的误差也较大。自从1958年绅鲁姆利用微波干涉仪法得到当时

激光器的出现把光速的测量推向一个新阶段。特别是饱和吸收技术的采用，使我们可以得到频率的稳定性和复现性均十分优良的激光辐射，并且由于波长可以比原来微波干涉仪法中用的小三个量级（微米量级），使波长测量的准确度大为提高，甲烷稳定的3.39μm氦氖光系统（He-Ne:CH4）和碘稳定的633nm氦氖辐射波长的复现性高百倍以上，比现行的“米”定义86Kr辐射波长的复现性高百倍以上，因此这不仅是光速的测量问题了，重新改变“米”的定义问题提上议事日程。激光器的出现把光速的测量推向一个新阶段。特别

1975年第十五届国际计量大会和1979年第十六届国际计量大会慎重地讨论了重量重新定义米的问题。考虑到今后计量学的发展趋势是将物理量的基准建立在基本物理常数的基础上，米定义咨询委员会通过了一项建议，要求国际计量委员会考虑一个新的米定义，于1983年提交第十七届国际计量大会讨论，这个定义是：“米是平面电磁波在（1/299792458）秒的持续时间内在真空中传播行程的长度”。第七章光的量子性光速的测定光的相速度和群速度课件

根据光的微粒说，光在两种媒质界面上折射时，傅科做实验测定空气和水中光速之比近于4:3，此数值与空气到水的折射率相符，从而判定光的波动说的正确性。虽然在傅科实验完成之前，光的波动说已为大量事实（如干涉、衍射、偏振等）所证明，但傅科的实验仍被认为是对惠斯原理最直接和最有力的支持，然而随着测定光速方法的改进，问题又复杂化了.

3光的相速度和群速度根据光的微粒说，光在两种媒质界面上折射时，傅科*问题的引出折射率n光束在介质表面的折射光束在介质中传播速度在历史上，迈克耳孙于1885年用钠黄光测定了液体CS2的折射率（相对于空气），其结果为：问题解决瑞利提出“群速度”*问题的引出折射率n光束在介质表面的折射光束在介质中传播速度●群速度PP平面单色光波；对于空间某一点（x0,t0)的运动状态由它的相位(kr0-t0)来刻画，经历dt时间，该运动状态传播到(r0+dr)；显然，两个相位值相等。波的速度为单位时间里运动状态的传播距离：这个速度的定义是运动状态的传播，或者说是相位的传播速度，故称为相速度。●群速度PP平面单色光波；对于空间某一点（x0,t0)的运动对于理想的单色光，相位的传播速度和能量的传播速度完全一致，故没有必要特意指出其为相速度。但是在非单色光的情况下会出现一个速度概念—群速度，此时才有必要将单色光波的速度称为相速度，以示区别。群速度是什么？a(k)kk1k212最简单的非单色光，含有两个波长1和2，相应地含有两个1和2，k1和k2则合成波场为：对于理想的单色光，相位的传播速度和能量的传播速度完全一致，故形成波拍。波拍有两个相速度：在有色散的介质中传播，两者不相等。接收器感受的是波拍带来的能量流，波拍运动的速度，可以由低频包络因子决定：群速度形成波拍。波拍有两个相速度：在有色散的介质中传播，两者不相等色散介质：色散介质：●迈克耳孙实验的说明钠黄光测定了液体CS2的折射率；钠黄光包含两条谱线，真空中波长为：两者在色散介质CS2的折射率稍有不同，在折射实验中只涉及光束的方向，它仅与折射率n1和n2有关，故折射法测量的是折射率的平均值:而在速度法中测量的是光束的能流，即波拍的群速度vg●迈克耳孙实验的说明钠黄光测定了液体CS2的折射率；钠黄光包第七章光的量子性光速的测定光的相速度和群速度课件20

第7章

光的量子性

QuantumPropertiesofLight光的电磁理论揭示了光的电磁波本质，成功地解释了光的干涉、衍射和偏振等光学现象。但是19世纪末以来，许多重要实验的结果与经典电磁波理论相违背，用波动理论解释这些实验中光的行为时遇到了不可克服的困难。这迫使人们对光的本性作进一步的探索，从而导致了光的量子性概念的建立。光的量子性概念的确立及随后量子理论的发展，使人们对微观世界的认识产生了深刻的变化。本章将通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等在科学史上具有重大意义的实验结果及基本规律来阐明光的量子特性。1第7章光的量子性光的电磁理论揭示了光的电第七章

光的量子性QuantumPropertiesofLight

主要内容第一节

光速

第二节

经典辐射定律第三节

普朗克辐射公式第四节

光电效应第五节

爱因斯坦的量子解释第六节

康普顿效应第七节

德布罗意波第八节

波粒二象性第七章

光的量子性第一节

光速

世界上最早用实验方法测定光速的是伽利略。他在1607年做了一个实验。当时，他叫甲乙两个人在夜间各带一只灯，分立在两个山顶上，甲先迅速取去灯罩对乙发出信号，乙在看到信号后，立即取去灯罩，对甲发出信号。两山的距离和光往返的时间来计算光速。由于当时的技术条件限制，测得的光速很不精确。7.1光速的测定光的相速度和群速度1实验室方法伽利略（GalileoGalilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。世界上最早用实验方法测定光速的是伽利略。他在1607年

后来，法国物理学家斐索于1849年用一只旋转的齿轮测量光走过某一给定距离的时间，齿轮以一定的速度运动并让光通过齿间。斐索测得的光速为313000公里／秒。斐索先后研究了光的干涉、热膨胀等，发明了干涉仪。他在研究和测量光速问题上作出了贡献，是第一个不用天文常数、不借助天文观察来测量光速的人。他是采用旋转齿轮的方法来测定光速的。测出的光速为342539.21千米/秒，这个数值与当时天文学家公认的光速值相差甚小。斐索（1819-1896）法国物理学家后来，法国物理学家斐索于1849年用一只旋转

后来，法国科学家傅科用一只旋转的镜子测定光速。他让镜子以一定的速度转动，使它在光线发出并从一面静止镜子反射回来这段时间内，恰好旋转一周。傅科在物理学史上以其“傅科摆”的实验著名于世。在光速测定的研究中，他是采用旋转平面镜的方法来测量光速的。其测得的光速为29.8×107米/秒，并分析实验误差不可能超过5×105米/秒。傅科（JeanBernardLeonFoucault1819～1868）法国实验物理学家后来，法国科学家傅科用一只旋转的镜子测定光速。1834年，英国物理学家惠斯通利用旋转镜来测定电火花持续的时间，也想用此法来测定光速，同时也想确认一下在折射率更大的介质中，光速是否更大。惠斯通的思想方法是正确的，但是他没有完成。迈克耳逊继承了傅科的实验思想，用旋转八面棱镜法测得光速为299796千米/秒。惠斯通（CharlesWheatstone1802～1875）英国物理学家、发明家迈克耳孙，阿尔伯特·亚伯拉罕(A.Michelson1852—1931)，德国出生的美国物理学家1834年，英国物理学家惠斯通利用旋转镜来测定电火

随着科学科技的不断发展，人们不断地改进实验装置和技术，直到1932年用旋转棱镜测得光速为299774±2公里／秒。20世纪60年代，激光器的出现，使光速的测定越发精确，1972年测定的光速值为299792公里／秒。目前国际计量委员会承认的光速是299792458米±1.2米／秒。

从伽利略开始，中间经过斐索和傅科等人，一直到20世纪80年代，用来测定光速的实验都是一种定量实验。随着科学科技的不断发展，人们不断地改进实验装

真空中光速c不仅是重要的光学常数，也是整个物理学以及天文学中几个最基本的普适常数之一，对其数值的精确测定，无疑具有十分重大意义的。另一个天文学方法是1728年布喇德雷用的光行差法。在地面上进行光束测定的工作直到十九世纪上半叶才开始，特别值得提起的有斐索的齿轮法，傅科的旋转镜法和迈克耳孙的旋转棱镜法。鉴于光速这一基本常数的重要性，对它的测量工作几十年来从未中断，在此期间方法不断改进，精确度不断提高。2光速的测量与长度单位“米”的定义真空中光速c不仅是重要的光学常数，也是整

自从1958年绅鲁姆利用微波干涉仪法得到当时公认的光速值c=299792.5±0.1km/s以来，所有的光速精密测量均以公式c=λν为基础，即电磁波在真空中的传播速度等于其频率与相应真空波长之乘积。当时的不确定度是3×10的7次方，其主要原因是使用的波长较长（4mm），因此波长测量的准确度较低，衍射效应带来的误差也较大。自从1958年绅鲁姆利用微波干涉仪法得到当时

激光器的出现把光速的测量推向一个新阶段。特别是饱和吸收技术的采用，使我们可以得到频率的稳定性和复现性均十分优良的激光辐射，并且由于波长可以比原来微波干涉仪法中用的小三个量级（微米量级），使波长测量的准确度大为提高，甲烷稳定的3.39μm氦氖光系统（He-Ne:CH4）和碘稳定的633nm氦氖辐射波长的复现性高百倍以上，比现行的“米”定义86Kr辐射波长的复现性高百倍以上，因此这不仅是光速的测量问题了，重新改变“米”的定义问题提上议事日程。激光器的出现把光速的测量推向一个新阶段。特别

1975年第十五届国际计量大会和1979年第十六届国际计量大会慎重地讨论了重量重新定义米的问题。考虑到今后计量学的发展趋势是将物理量的基准建立在基本物理常数的基础上，米定义咨询委员会通过了一项建议，要求国际计量委员会考虑一个新的米定义，于1983年提交第十七届国际计量大会讨论，这个定义是：“米是平面电磁波在（1/299792458）秒的持续时间内在真空中传播行程的长度”。第七章光的量子性光速的测定光的相速度和群速度课件

根据光的微粒说，光在两种媒质界面上折射时，傅科做实验测定空气和水中光速之比近于4:3，此数值与空气到水的折射率相符，从而判定光的波动说的正确性。虽然在傅科实验完成之前，光的波动说已为大量事实（如干涉、衍射、偏振等）所证明，但傅科的实验仍被认为是对惠斯原理最直接和最有力的支持，然而随着测定光速方法的改进，问题又复杂化了.

3光的相速度和群速度根据光的微粒说，光在两种媒质界面上折射时，傅科*问题的引出折射率n光束在介质表面的折射光束在介质中传播速度在历史上，迈克耳孙于1885年用钠黄光测定了液体CS2的折射率（相对于空气），其结果为：问题