第七章光的量子性(姚).ppt

1、第七章 光的量子性,主 要 内 容,7.1 光速的测定 光的相速度和群速度 7.2 经典辐射定律 7.3 普朗克辐射公式 能量子 7.4 光电效应 7.5 爱因斯坦的量子解释 7.6 康普顿效应 7.7 德布罗意波 7.8 波粒二象性,7.1 光速的测定 光的相速度和群速度,旋转齿轮法 （斐索1849年） c=315000km/s 旋转镜法 （傅科 1851年） c=298000500km/s 旋转棱镜法 （迈克耳孙 1926年） c=2997742km/s,克尔盒法 （安德孙1941年,贝格斯特兰 1951年） c=2997930.3km/s,二、激光测速法、长度单位“米”的定义,激光测速法

2、 （美国1970） 最可靠值 c =299792.4850.001km/s 电磁理论 长度单位“米”的定义： 1983年10月20日在巴黎的第十七届国际计量大会通过: “一米是光在真空中在299792458s的时间间隔内所 经路径的长度。”,三、光的相速度和群速度, 折射率的测定 (1)定义 1.33 1.75 (2)折射定律 1.33 1.64,水(H2O),二硫化碳(CS2), 相速度,按波动理论，波速由 中的 决定，它代表单色平面波一定位相向前移动的速度。 得到 又由,由,位相不变的条件：,相速度：严格的单色波（有单一确定值）所特有的一种速度., 群速度,波群向前传播的速度,只有在有色散

3、介质中，才必须区分群速和相速，真空中二者是没有区别的。,瑞利公式（相速和群速的关系 ）,为获得极慢光速，要求 ，即获得 这种正常色散 介质是出现极慢光速的关键，这意味着在折射率对频率的坐标系 中，要有一段很陡的曲线。,4. 慢光子（光速减慢）,由群速的定义,7.2 经典辐射定律,一、几种不同形式的辐射 化学发光：辐射过程中物质内部发生化学变化（如燃烧） 光致发光：用外来辐射预先照射物体使之发光 如：荧光、 磷光 场致发光：由电场作用引起的（辉光放电，电弧放电等） 阴极发光：通过电子可引起团体（如矿物质）产生辐射 热辐射： 物体处于一定温度的热平衡状态下的辐射,二、热辐射 基尔霍夫定律,热辐射

4、热辐射的光谱是连续光谱，并且辐射谱的性质与温度有关。 热辐射不一定需要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射。 在室温下（不可见的红外光）500（暗红色的可见光）1500（明亮的白炽光、）,单色辐出度M(,T) 从物体表面单位面积发出的、频率在 附近的单位频率间隔内的辐射功率（W/(m2 . Hz) ）。即：,辐出度M0 (T) 从物体表面单位面积上发出的各种频率的总辐射功率。,吸收比A(，T) A(，T) = dw / dW dw ：物体单位面积上所吸收的辐射能量， dW ： 照射到物体单位面积上的辐射能。 0 A(，T) 1 基尔霍夫定律 对一定的频率和温度，f(,T )与物体性质无关的普

5、适函数。,三、黑体的经典辐射定律,1.黑体 表面不反射光，能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射的物体。 黑体的基尔霍夫定律: 黑体的吸收比Ab （,T）= 1,黑体 Ab （,T）= 1 白体 Ab （,T）= 0 灰体 0Ab （,T）1,2. 斯忒藩玻尔兹曼定律（1879-1884）： 3. 维恩位移定律(1893)： 或 4. 瑞利金斯定律(1900)：,或,经典理论在这种短波的失败称为发散困难或“紫外灾难”。,7.3 普朗克辐射公式 能量子,一、普朗克假设 器壁振子的能量不能连续变化，而只能够处于某些特殊 状态，这些状态的能量分立值为 其中n是整数， 称为能量子，简称量子： h =

6、6.62617610-34 Js 为普适常量 ，叫做普朗克常量,二、普朗克黑体辐射公式,根据玻尔兹曼分布，一个振子在一定温度T时，处于能量 为E=nE0 的一个状态的概率正比于 ，每个振子的平均能量为,讨论 短波近似： 长波近似：,普朗克公式,维恩位移定律,普朗克公式,瑞利金斯定律,7.4 光电效应,光电效应及其实验规律,光电子：逸出来的电子。 光电流：在光的作用下，电子受电场加速而形成的电流。 遏制电压：阻止所有的光电子飞向阳极A的电压。,实验规律：,1.饱和电流 与光强成正比 2.光电子的最大初动能（遏止电压）与光强无关，只与入射光的频率有关，频率越高，光电流的能量就越大 3.入射频低于某

7、一 ，无光电子发射与光源，照射时间无关。 4.照射与光电子发射几乎同时（10-9S）与经典波动理论的矛盾。,7.5 爱因斯坦的量子解释,一. 光子假设及量子解释 1. 光子假设 爱因斯坦指出： 光在传播过程中具有波动特性，而在与物质相互作用过程中，光能量是集中在一些叫做光量子（光子）的粒子上. 单个光子的能量为：,2. 量子解释,一个光子的能量是传递给金属中的单个电子的电子吸收一个光子后，把能量一部分有于挣脱束缚， 余下的变成离开金属表面的电子功能 其中 是光电子的动能； 为脱出功，是光电子逸出金属表面所需要的最小能量。,入射光频 频率极限 所对应的波长称为光电效应的红限。不同的物质有不同的红

8、限。,二、遏制电压与入射光频率的关系,密立根在1914年测得的实验数据如下图所示，并可算出h： 同时可得： eVg = h - Wa 可见：在光电效应中遏制电压与入射光的频率成线性关系 。,三、 光子的质量和动量,按照狭义相对论质量和能量的关系 有： 光子的能量 光子的质量 光子的动量 光子的静止质量,设单位时间、单位面积上的光能量（即光强）为 ， 则 N：光子数 设这群光子的总动量,四、光压,光压就是光子流产生的压强,如反射系数为 ，即有PN个光子被反射，其动量为 ， 这一部分光子动量变化为：,另一部分，（ 个光波壁吸收，动量变化： N个光子总动量变化：,为单位时间内传递给单位面积壁面点的动

9、量，即所求光压。,7.6 康普顿效应,一.定义：波长改变的散射 二.实验结果（1922年）：,三.理论计算：,可认为光子与静止电子的碰撞利用动量和能量守恒规律有 最后解得： 康普顿波长： 其物理意义是：入射光子的能量与电子的静止能量相等 （ ）时所对应的光子的波长,康普顿效应间接证明了光子具有动量，光压存在 的事实也证明了光不但具能量，还具有动量 说明光和电子、原子、分子等实物一样，是物质的一种形式。,7.7 德布罗意波,一.光的波粒两象性 二.实物粒子的波粒二象性 1. 物质波 1924年德布罗意假设：实物粒子和光一样，也具有 波粒二象性，满足 （它既不是机械波，也不是电磁波。） 2. 实验验证： 1927年戴维孙-革末的电子衍射 实验证实了德布罗意的假设,7.8 波粒二象性,理论和实验结果表明，无论是静止质量为零的光子，还是静止质量不为零的电子、