第一章第一节光量子起源

优选第一章第一节光量子起源目前一页\总数二十五页\编于十七点考核方式1、平时成绩考核：作业完成情况和课程设计报告。2、期末考试：闭卷。3、成绩比例：期末考试成绩：70%，平时成绩：30%（作业：

20%，课程设计：10%）。期末考试成绩：70%作业：20%课程设计：10%目前二页\总数二十五页\编于十七点参考资料教材：1、自编2、参考书:《量子电子学》A.Yariv著《激光原理》周炳琨等编（第五版）国防工业出版社目前三页\总数二十五页\编于十七点第一章激光基本原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------Laser“通过受激辐射的光放大”激光镭射/雷射目前四页\总数二十五页\编于十七点日常生活中激光无处不在！激光-----光信息与技术领域的科技前沿！激光笔CD可读机互联网激光手术激光切割激光武器目前五页\总数二十五页\编于十七点（物理—技术—产业）Towns建立第一台微波激射器（maser)1900Planck提出能量子假说19051917Einstein提出受激辐射理论19531958Towns,Shawlow开始研制激光器1960Maiman制成第一台红宝石激光器1961-65激光切割、激光钻孔...1968-69月球上设置激光反射器；地面与卫星联系1982激光全息术80年代－激光外科手术，通讯、光盘、激光武器...Einstein提出光量子理论Maxwell建立光的电磁理论18601913Borr提出量子化原子模型激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器，用于激光通讯；激光器，用于激光熔炼、1923Compton散射实验激光的发明历史目前六页\总数二十五页\编于十七点§1.1光量子起源1900年，Planck针对黑体辐射实验提出能量子假说1905年，Einstein针对光电效应实验提出光量子理论1923年，Compton散射实验19世纪末物理学三大著名实验，催生了光量子和量子力学的诞生!目前七页\总数二十五页\编于十七点黑体：能吸收射到其上的全部辐射的物体，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。黑体辐射：由这样的空腔小孔发出的辐射就称为黑体辐射。§1.1.1黑体辐射与Planck的量子论辐射热平衡状态:处于某一温度T下的腔壁，单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时，辐射达到热平衡状态。实验发现：热平衡时，空腔辐射的能量密度，对辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度T

有关而与黑体的形状和材料无关。目前八页\总数二十五页\编于十七点黑体辐射的理论描述低频与实验有明显偏离!1.维恩（Wein）公式

表示在单位频率范围内黑体辐射的能量密度。目前九页\总数二十五页\编于十七点2.瑞丽-金斯公式（Rayleigh-Jeans）高频发散，即“紫外灾难”!黑体辐射的理论描述目前十页\总数二十五页\编于十七点3.Planck公式普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量子为单元来吸收或发射能量.空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为普朗克常量黑体辐射的理论描述目前十一页\总数二十五页\编于十七点Planck公式:全波段与观测极为符合!黑体辐射的理论描述目前十二页\总数二十五页\编于十七点Planck的量子论：物体吸收或发射电磁辐射，只能以“量子”(Quantum)的方式进行，每个“量子”的能量为。对Planck辐射定律的讨论：(1)当ν很大（短波）时，因为

exp(hν/kT)-1≈exp(hν/kT)，于是Planck定律化为Wien公式。(2)当ν很小（长波）时，因为exp(hν/kT)-1≈1+(hν/kT)-1=(hν/kT)，则Planck定律变为Rayleigh-Jeans公式。(3)Planck假定原子的性能和谐振子一样，以给定的频率

v

振荡；黑体只能以hυ为单位吸收或发射辐射能量，

h称为Planck常数,则可以从理论上导出Plank公式。目前十三页\总数二十五页\编于十七点§1.1.2光电效应一光电效应的实验规律（1）实验装置电流表电压表高压直流电源金属光电阴极阳极电位器光电效应：光照射到金属上，有电子从金属上逸出的现象。这种电子称之为光电子。目前十四页\总数二十五页\编于十七点（2）实验现象电流饱和值（光强）遏止电压：电子从金属内部逸出时的最大动能单位时间逸出的电子数与光强成正比电子从金属内部逸出时的最大动能与频率成正比截止频率（红限）仅当才发生光电效应，截止频率与材料有关与光强无关.

瞬时性当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出目前十五页\总数二十五页\编于十七点目前十六页\总数二十五页\编于十七点按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止,与实验结果不符.经典理论遇到的困难红限问题瞬时性问题按经典理论，光波能量只与光强和振幅有关，与频率无关，不能解释红限频率。目前十七页\总数二十五页\编于十七点爱因斯坦的光量子论（1）“光量子”假设光子的能量为（2）解释实验爱因斯坦光电方程逸出功与材料有关对同一种金属，

一定，，与光强无关光强为光电子的最大初动能目前十八页\总数二十五页\编于十七点爱因斯坦方程光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电子数目越多，光电流越大.（时）光子射至金属表面，一个光子携带的能量将一次性被一个电子吸收，若，电子立即逸出，无需时间积累（瞬时性）.目前十九页\总数二十五页\编于十七点光电效应的应用光电效应的应用1）光电管：光电信号转换

2）光电二极管：固态光电探测器

3）光电倍增管：由10-15个倍增阴极组成，增大光电流104--105倍，探测弱光。4）光电成像器件：（光电导摄象管）将辐射图象转换成为可观测、记录、传输、存储和进行处理的图象。广泛应用于天文学、空间科学、X射线放射学、高速摄影等。5）光敏电阻：用光照改变半导体的导电性能制成。目前二十页\总数二十五页\编于十七点§1.1.3康普顿散射1）实验装置X射线与电子的碰撞实验1923年，、吴有训Univ.ofChicago

目前二十一页\总数二十五页\编于十七点2）实验规律(2)波长改变量（0）随散射角增加而增加，原波长0强度随散射角增加而减小，新波长强度随散射角增加而增大.(1)

除原波长0外，出现新的波长>0(3)不同元素散射物质，在同一角度下,（0）与散射物质无关，原波长0谱线的强度随散射物质原子序数的增加而增加，波长谱线的强度随散射物质原子序数的增加而减小.目前二十二页\总数二十五页\编于十七点经典理论遇到的困难按经典理论是X射线的电场迫使散射物中的电子作受迫振动，而向周围辐射同频率的电磁波的过程。散射线的频率等于入射线频率驱动力：振动方程：稳定状态的受迫振动是一个与简谐驱动力同频率的简谐振动。经典理论遇到的困难目前二十三页\总数二十五页\编于十七点光子动量:能量守恒：动量守恒：用爱因斯坦量子理论解释康普顿散射