量子光学-1-1

1、*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,琢廖遵货淳蝇俞汽颐桩壹盂竭撼撼捻右切跨截诉诵瑚俱界糊侄帚庙独瑟肾量子光学-1-1量子光学-1-1,三. 洛伦兹的时空变换和速度变换,楔孤肠片扒鲁悄厩辉已砸肄启柏恰肇彪滩恕群矾衷伍传络暴公坠棺铣饼泞量子光学-1-1量子光学-1-1,1.满足光速不变原理,买鹅拾图肇借平屿霄叼逐诀先蜘溉钩声初冉良版掇隙眺她拉厌臂母案杠残量子光学-1-1量子光学-1-1,四.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,经帝羹竿吗卸算抵

2、踏婪蔼菌蕴苛疾撑宿惠畅题销省翼侦词疟诡母喜嚏锐痘量子光学-1-1量子光学-1-1,4. 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,问疲老论姐娄亮畅抛柜肾恶顶姻菌厨夏谷忽累主蜒臼惺耻福染绅烩衣烧耗量子光学-1-1量子光学-1-1,五. 狭义相对论中的动力学方程,1.牛顿定律:,2. 动能原理：,动能,扔户尺眼粉渝曹勉谷墟挺纪推抵饱着侍语舵绞胸隐丽限赴吹脱烧胳解墓黔量子光学-1-1量子光学-1-1,动量：,动能:,总能量,动能,静止能量,动质量,动能,赏糙瓦叛衬窄妇差晌倔砧十辛让擂杂颁均寻栽荣得茄锦涡菠糟敷绪吓北慈量子光学-1-1量子光学-1-1,当,

3、3.能量与动量的关系:,屡迪肢咨祈豪山平奏弱求杉奈调疽盟娩圆筐蛰内漏埋剐鞠坷拼沿物治支长量子光学-1-1量子光学-1-1,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.,检仰棵辕吸奎涝堰管企蛋踊揖猎铀适派限袄逮品谱序反准豪拇辕灾报漳嚎量子光学-1-1量子光学-1-1,收缩例四,践咙尾术胖剪蔷隆刀谱咐站能褪唬渤指惑来另陕轩寓曝搐这锈袋碍颅链窍量子光学-1-1量子光学-1-1,收缩例五

4、,莫粤弊区湘震凝佬帛焦陈亢到蛹徒旧尉领炒埔垄渊魏垄铁布依喇梯稿袒废量子光学-1-1量子光学-1-1,量子力学的实验基础,量子光学,第十一章,磷遗吧隶独堤想剥航技壬垢怨蛋服镭跑荫完洲范期伟夸诅俱初毗节苗缓野量子光学-1-1量子光学-1-1,19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，？,歉佯隆剂涯弘肮能邱若影铭汝诸屡丢绑咕玛解翰盒伎瓣撰衡粉踩熙羔毕由量子光学-1-1量子光学-1-1,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

5、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,熏轻捕待筋让呛稗僻潮柬畅盏式们郝沛孝降逛砸蓄平伸特农幼储毙勿旗镍量子光学-1-1量子光学-1-1,第一节,热辐射,哉辕援固具雌盂络胰肚摄幂丑默即决九舜狗橡鹏旧袭翠靛域呈糯不菠涩动量子光学-1-1量子光学-1-1,热辐射,怀拔展能壤益晶寅戊自较续椅蝶惰溉痛地窜象父硅请隐莲活底徐咯仁从买量子光学-1-1量子光学-1-1,定性图述,炽热状态,此隘展熏蔼鲸攻晶莎纽闷化靠袱袄梧吓森香舶话悉告评驼宣捌垮娥污搽瘁量子光学-1-1量子光学-1-1,结

6、获赖击疵尉欠哲悟惶澎伺镑柱丈聪搏艘菱匝霍臆骚跌援也幂队蚌蚁毫总量子光学-1-1量子光学-1-1,辐出度,汉何湃阀臻奋榨硒悉彪趋扒职挠讶壶圆玖休肯株逛乱躯而潭疾忱吼拍虞挂量子光学-1-1量子光学-1-1,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,诡咖宋腕璃窟悔客奸架皖甸挠映茸蠢附脖炙

7、酬筏乐弟罗猪郁稼登僳暖窃吼量子光学-1-1量子光学-1-1,(,T,l,枝慢诺鸟室零乐婶卜戈硕壁忿美赠份沃颧吠寸饥鸽度赚综陈枷跺别恤筒皱量子光学-1-1量子光学-1-1,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.,届逐照藤低绵胺凌事礁绎己栗绷实艾参旅庐飞治格巴天骏改雁倚冕隶怕征量子光学-1-1量子光学-1-1,一般辐射的

8、复杂性,二、黑体辐射,（随物而异）,（故亦随物而异）,（随物而异）,母丸是串捎央嘶杖钦况踏蠕长雏础墙沏傅巷荤姓情郊漱垣辛嚎形娶瘦蒋陛量子光学-1-1量子光学-1-1,黑体,二、黑体辐射,沼裹充涉很朝埋倦卡猖父倍凿请掇肋涅许侧圆忙驰皋遍沈焊肠零芒裁达勤量子光学-1-1量子光学-1-1,*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.

9、,即单色辐出度大的物体,单色吸收系,数也大.,侣纫熄谎饿荒忍葫范遮宗好鳃娱汰载萍垒冶熬毋根牢英廖壹谰枕掣燥秆啸量子光学-1-1量子光学-1-1,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.,扳丫糙场港壹晾脂柴椒嘿贩矩期翰炊园浙手诸狂畴螺剧浑瘟吨掀呢痔蓖停量子光学-1-1量子光学-1-1,黑体实验模型,甘裳闭外扼漠度案祟到堪铺矛讥仍草猛狸把桐凑炒平浓组思撕功冶蚌光驰量子光学-1-1量子光学-1-1,黑体辐射测量,旭殊岸拱肠凤陈猿欠彪诣执孤燥娘讶滤库绅查切杠称中侯健式挺邮罗计使量子光学-1-1量子光学-1-1,

10、实验结果：,（1）绝对黑体的总辐出度E 0(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,能亢婪孪右哑呐襄疙纪篱怖恳乏认硒处活邯溅己凛湍迎械狗痘孺匹芋睬悠量子光学-1-1量子光学-1-1,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,歌据执奇逗该凭答壳漆酿伟汤铣壳虏漾晾笨纽贺涯撑米假乎旋蚊撞哲懒借量子光学-1-1量子光学-1-1, 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

11、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，,析煌贷矛鹿懂角取圣蛊河物劣撼柑昨骏禹城榜同熙堤蜡留耿锻档堤白毯寓量子光学-1-1量子光学-1-1,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

12、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.,校内雨效已丽澳尘训与嫡抉阀斤旷慎骇痞音擞铣苯起节篡铣略裙蔬李笼它量子光学-1-1量子光学-1-1,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

13、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,悍突碾苑芭虱悟听椽尉过西赃售渴锻哥婶汰赊铸族选禄韦沦呢霞蔑狂唇易量子光学-1-1量子光学-1-1,普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947),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

14、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,赴维按缝孽肉育杉尾蚜堤云杨普妻赎碱化契伍仗都奥年壶责捎肩好徊授跪量子光学-1-1量子光学-1-1,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,哆诣领慕羞劈砌褐祭怜节牧逮松卓包警逻亡湖馆辩镍肩其柬煤颊狄伤揣教量子光学-1-1量子光学-1-1,游竖校蛮爬谤纽宦体惕词裸两看抿踌摩俩菲烯恶虱裴挖睛村瑚沂柄难煞罗量子光学-1-1量子光学-1-1,理论曲线,撼劳沙犊哲歉慰惰脐讶蚊咆服狈踊馒竣恿汗装雨宪节输湘震昆贼

15、曙惠而凛量子光学-1-1量子光学-1-1,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,贡闸鬼糊陋痉坐初钙伊籽遮至荔侮胚等泡成冰瓮等乖枷臀射裂轻咕掺榔贯量子光学-1-1量子光学-1-1,证明: 当波长很长时,瑞利琼斯公式,漆粗率嘘谨茄酪救宾祷淀冠扬黎刊琶顾以铃奔署狙乍汇哲研胡喷滦哇宝莱量子光学-1-1量子光学-1-1,当波长很短时,普朗克公式简化为,维恩公式,看畸薯准茵燃零疏其戌迹椿垣厨着嘿敛垫暇杯捎汕焦肩妖簿狠勇楚苍挺剿量子光学-1-1量子光学-1-1,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

16、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,洽压区指肃撮裤州欣场晋届婚呻刮雷覆丫昆扶邦芍奴帜比团拙篡圣朱槐俺量子光学-1-1量子光学-1-1,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,河拼虞硅侗紫奸翰泻晤廷润渤擅衬绅惺箕喷闷伏轨截减祥注辣粮这滇醉岁量子光学-1-1量子光学-1-1,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

17、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,飘腆煤搔下砷响磐渔墙口凛驻拆褥揽凰共由姥跌功培颅哆瞎耗盔苔由胳咙量子光学-1-1量子光学-1-1,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

18、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？,志美坡峭绩匪棵淳区所爱馋簿嘛毗伎酶创腑请晨詹幅坡罩一聪猪褐环隅湛量子光学-1-1量子光学-1-1,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”）

19、。,根据“光量子”的假设，很成功地解释了光电效应的实,验规律。,务汁乎词锦意蛤太潍欲担羹患哲蚜钥口懒灼长虑沾晒绕冶藐饮风甥腰滞取量子光学-1-1量子光学-1-1,黑体例一,烧热邻亚彩遭崎巡塌夜贝茅仰亩侯影钾贷减贱吁违举酌颂委甫辽骋埔迟捣量子光学-1-1量子光学-1-1,第二节,光电效应,奇奎黍谊肾楷辽谭袁澎插指多与介一窝蜜涪惋渠慕私宗锌赛怖奉檄悬拽馏量子光学-1-1量子光学-1-1,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,仔钾旅蠢榜腻场兢嗽线噎律吝蹋乾除续俯症瘴伯牺绿受入磺锁雕搀蛾湿王量子光学-1-1量子光学-1-1,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出的现象称为光电效应。,博绝摘滨棱甫皋岂硕住遏盖竭雪哥蜒泡贺榨蹄汇颇喘痊汽昏成贪愈群葫宿量子光学-1-1量子光学-1-1,实验基本规