大学物理量子-量子学课件

同学们好第五篇量子现象和量子规律场的量子性量子力学基本原理量子力学应用简介普朗克能量子理论爱因斯坦光量子理论玻尔氢原子理论激光原理原子结构固体能带理论*超导*液晶物质波波函数不确定关系德布罗意公式人类对光的本性的认识:早期牛顿：微粒说惠更斯：波动说（光是以太中的机械波）经典光学——麦克斯韦电磁说（光是电磁波）近代光学——爱因斯坦光子说（光是光量子流）现代光学信息光学——来自经典光学（夫琅和费衍射）强光光学——来自近代光学（激光）第十一章场的量子性上章介绍

夫琅和费衍射信息光学本章线索：经典光学的困难旧量子论激光重点：爱因斯坦光子论，激光结构框图黑体辐射的实验规律普朗克能量子假设光与物质的相互作用

爱因斯坦光子理论激光原理

*非线性光学简介氢原子光谱实验规律

玻尔氢原子理论第一节热辐射普朗克能量子假说一、黑体辐射的实验规律1.热辐射一切物体都以电磁波形式向外辐射能量，其功率和波长取决于物体的温度，称为热辐射固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K不同的原子辐射谱线的颜色（频率）成分不同：锶(Sr)铷(Rb)铜(Cu)2.绝对黑体模型：空腔小孔物体发射能量的同时，又吸收周围其它物体的辐射能。当发射=吸收时，其温度不变——

平衡热辐射

（动态平衡）能全部吸收（不反射）任何波长的入射辐射能的物体——绝对黑体物体对外来辐射能量的吸收、反射具有选择性，绝热不透明3.绝对黑体的辐射定律实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致。黑体完全吸收体理想发射体单位时间内，从物体表面单位面积上发射的波长定义两个物理量：单位时间内从物体表面单位面积上发射的各种波长的总辐射能T热电偶平行光管绝对黑体三棱镜测定黑体单色辐射本领按波长分布的实验装置01234561700K1500K1300K1100K实验曲线

维恩位移定律维恩常数：

斯忒潘—波尔兹曼定律

斯忒潘恒量：实验定律：T3>T2>T1T2>T1T1[例]由测量得到太阳辐射谱的峰值为490nm，计算太阳表面温度、辐射功率和地球表面单位面积上接受到的太阳辐射能功率。解：将太阳视为黑体，由维恩位移定律由斯忒潘—波尔兹曼定律正对太阳辐射的地球表面单位面积上接受到的辐射能功率：注意：本题中“模型”的作用应用介绍：

红外遥控技术进行地球考察

宇宙背景辐射：与T=2.7K黑体辐射曲线相符大爆炸和宇宙膨胀：宇宙起源于一个奇点的大爆炸，高度简单、对称，时间、空间、真空场引力从统一力中分离，粒子产生（未区分），继续膨胀，强作用、弱作用、电磁作用逐次分离，各种粒子相互转化…...光子海，粒子丰度基本不变…...一百万年：3000K,原子形成…...大爆炸遗迹：光子波长~1mm,相应温度

~5K

宇宙背景辐射：与T=2.7K黑体辐射曲线相符（相对强度）1978年诺贝尔物理奖（大爆炸宇宙学论据）1990年美国COBE卫星精密观测，得其能谱为1964年贝尔实验室威尔孙彭齐亚斯、发现二.经典物理的困难1.瑞利——金斯公式长波与实验曲线吻合短波相差很大——紫外灾难2.维恩公式短波与实验曲线接近长波相差很大从经典理论出发推0123456789实验值瑞利--金斯线紫外灾难维恩线三、普朗克能量子假说1.经验公式在维恩公式和金斯公式之间用内插法得出与实验曲线相符的经验公式0(T,)2.能量子假设（模型）黑体：由大量包含各种固有频率的谐振子组成的系统能量子谐振子的能量只能取某个基本单元的整数倍能量子能量作用量子普朗克恒量3.意义：

导出与实验曲线相吻合的经验公式，解决了黑体辐射的困难。

引入能量量子化的概念，是量子物理开端，为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定基础。“敲响近代物理晨钟”③普朗克恒量h

已经成为物理学中最基本、最重要的常数之一。1900年12月14日《正常光谱中能量分布律的理论》1918年诺贝尔物理奖量子力学诞生日“我当时打算将基本作用量子h

归并到经典理论范畴中去，但这个常数对所有这种企图的回答都是无情的”“企图使基本作用量子与经典理论调和起来的这种徒劳无功的打算，我持续了很多年，它使我付出了巨大的精力”——普朗克《普朗克之魂》

四川人民出版社

1992作者赵鑫珊推荐读物：第二节爱因斯坦光子理论光与物质相互作用的基本形式光电效应——光子论的提出康普顿效应电子偶效应光子论的应用和检验一、光电效应1.实验规律(1)光电效应是瞬时发生的it(s)10-9iisOU饱和电流U0遏止电压光强较强光强较弱(2)入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比(3)

光电子初动能和入射光频率的关系遏止电压的存在说明光电子具有初动能，iisuoua实验指出遏止电压和入射光频率有线性关系：ouaCsNaCa

(1)按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。

(2)无法解释红限的存在。

(3)无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。2.经典电磁波理论的困难(4)

对于任何金属，存在一个红限频率0ouaCsNaCa3.爱因斯坦光子理论光是以光速运动的光子流

光强即光的能流密度N:单位时间通过垂直于单位面积的光子个数

每个光子能量和动量4.光电效应方程由能量守恒：入射光子能量=逸出功+光电子初动能斜率heUa0hA-A

5.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释2)光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以饱和光电流也大。1)

电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积过程。4)从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率：光电效应现象在日常生活中已有了广泛的应用3)

从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系。例题

波长为4000的单色光照射在逸出功为2.0的金属材料上，光射到金属单位面积上的功率为，求：1)单位时间内、单位面积金属上发射的光电子数2)光电子的最大初动能解：1)对于单光子光电效应，金属发射