量子光学-精选PPT.ppt

《量子光学-精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子光学-精选PPT.ppt（48页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、量子光学-第1页，此课件共48页哦第二节11-211-2第2页，此课件共48页哦麦克斯韦的电磁理论预言电磁波存在麦克斯韦的电磁理论预言电磁波存在,1887,1887年赫兹用实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用紫外光照射检波器上其中一个小球时,二个小球之间出二个小球之间出现跳火现跳火.这一现象引起物理学界许多人的兴趣这一现象引起物理学界许多人的兴趣.验验电电器器锌片锌片(负电负电)紫外光照射紫外光照射 中性中性放电放电金属金属(电中性电中性)光光带正电带正电第3页，此课件共48页哦光电效应

2、实验 光束射到金属表面使电光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称子从金属中脱出的现象称为为光电效应光电效应。光强较强光强较强光强较弱光强较弱频频率率 相相同同饱和光电流饱和光电流饱和光电流饱和光电流 即光电子恰即光电子恰被遏止，不能到达阳极。光电子被遏止，不能到达阳极。光电子最大初动能可用遏止电势差与电最大初动能可用遏止电势差与电子电荷乘积的大小来量度。子电荷乘积的大小来量度。U=-U i =0a 时时 第4页，此课件共48页哦实验基本规律 饱和光电流饱和光电流与光强成正比。与光强成正比。在饱和状态下，单位时间由阴极在饱和状态下，单位时间由阴极发出的光电子数与光强成正比。发出的光电子数与光

3、强成正比。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。光强较强光强较弱频率 相同饱和光电流饱和光电流U=-U i =0a时 光 即光电子恰被遏止，不能到达阳极。光电子最大初动能等于 反向电场力的功 轴截距轴截距 称为称为截止频率截止频率或或红限红限，入射光频，入射光频率小于截止频率时无论光率小于截止频率时无论光 强多强多大都不能产生光电效应。每种大都不能产生光电效应。每种金属有自己的截止频率。金属有自己的截止频率。时无论光强多弱，时无论光强多弱，光照与电子逸出光照与电子逸出几乎同时几乎同时发生发生。遏止电势差遏止电势差的大小与入射光的大小与入射光的频率成线性关系，与光强无关。的频率成

4、线性关系，与光强无关。与材料与材料与材料与材料无关的普适常量无关的普适常量有关的常量有关的常量即即 光电子最大初动能随入射光频率光电子最大初动能随入射光频率增大而线性增大，与光强无关。增大而线性增大，与光强无关。第5页，此课件共48页哦波动理论的困难第6页，此课件共48页哦光量子理论第7页，此课件共48页哦光子能、质、动量式第8页，此课件共48页哦光电效应方程照射金属表面,第9页，此课件共48页哦红限、逸出功数据表金 属 截止频率（10 Hz）14逸出功（eV)金 属 截止频率（10 Hz）14逸出功（eV)某些金属和半导体的截止频率（红限）及逸出功某些金属和半导体的截止频率（红限）及逸出功

5、钨 W 10.97 4.54 钙 Ca 6.55 2.71 钠 Na 5.53 2.29 钾 K 5.43 2.25 銣 Rb 5.15 2.13 銫 Cs 4.69 1.94 铀 U 8.76 3.63 铂 Pt 15.28 6.33 银 Ag 11.55 4.78 铜 Cu 10.80 4.47 锗 Ge 11.01 4.56 硅 Si 9.90 4.10 硒 Se 11.40 4.72 铝 Al 9.03 3.74 锑 Sb 5.68 2.35 锌 Zn 8.06 3.34第10页，此课件共48页哦光子论的成功解释频率 一定，光强 越大则单位时间打在金属表面的光子数就越多，产生光电效应时

6、单位时间被激发而逸出的光电子数也就越多，故饱和电流 与光强 成正比。每一个电子所得到的能量只与单个光子的能量 有关，即只与光的频率 成正比，故光电子的初动能与入射光的频率 成线性关系，与光强 无关。一个电子同时吸收两个或两个以上光子的概率几乎为零，因此，若金属中电子吸收光子的能量 即入射光频率 时，电子不能逸出，不产生光电效应。光子与电子发生作用时，光子一次性将能量 交给电子，不需要持续的时间积累，故光电效应瞬时即可产生。爱因斯坦因此而获得了爱因斯坦因此而获得了19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖第11页，此课件共48页哦EH 逸出功逸出功与材料有关与材料有关截止频率截止频率美国物

7、理学家密立根用了十年时间从实验上验证了美国物理学家密立根用了十年时间从实验上验证了爱因爱因斯坦斯坦光电效应方程式。光电效应方程式。第12页，此课件共48页哦4.396.01.000.652.20abc(1014Hz)Va19261926年年普朗克的普朗克的能量子能量子爱因斯坦爱因斯坦光量子光量子统一命名为统一命名为光子光子康普顿效应进一步证实了爱因斯坦光子假设是正确的。康普顿效应进一步证实了爱因斯坦光子假设是正确的。第13页，此课件共48页哦光电效应例题 用波长=0.35=0.35mm的紫外光照射金属钾做光电效应实验，求 （1）紫外光子的能量、质量和动量；（2）逸出光电子的最大初速度和相应的遏

8、止电势差。(2)由爱因斯坦方程 查表,钾的逸出功 A=2.25 eV,6.7610 (m s )5-1代入后解得由截止电势差概念及爱因斯坦方程解得1.3(V)(1)由爱因斯坦光子理论光子能量光子质量光子动量5.6810 (J)-196.3110 (Kg)-361.8910 (Kg m s )-27-1第14页，此课件共48页哦例例 波长为波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面上.求求 （1）这种光的光子能量和动量；这种光的光子能量和动量；（2）光电子逸出钠表面时的动能；光电子逸出钠表面时的动能；（3）若光子的能量为若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？，其波长为多少

9、？解解（1）（2）（3）第15页，此课件共48页哦 例例 设有一半径为设有一半径为 的薄圆片，它距的薄圆片，它距光源光源1.0m.此光源的功率为此光源的功率为1W，发射波长为，发射波长为589nm的单色光的单色光.假定光源向各个方向发射的能量是相同假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.解解第16页，此课件共48页哦光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自动报警等.光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电

10、器示意图光控继电器示意图第17页，此课件共48页哦第二节15-315-3第18页，此课件共48页哦l l l l l l X 射 线 其光子能量比可见光光子能量大上万倍X射线发生散射原子核与内层电子组成的原子实外层电子散 射 体康普顿最初用石墨，其原子序数不太大、电子结合能不太高。用X射线照射一散射体（如石墨）时，X射线发生散射，散射线中除有波长和入射线 相同的成分外，还有波长 的成分。这种现象称为康普顿效应。谱线 称位移线 称 波长偏移量或康普顿偏移 第19页，此课件共48页哦偏移散射角实验 波长偏移量检测系统检测系统晶 体 散射角 射 线 源l 散射体散射体散射体散射体 j j 实验实验第

11、20页，此课件共48页哦不同物质实验 X射线X射线X射线第21页，此课件共48页哦第22页，此课件共48页哦散射要点归纳 要 点 归 纳：2.波长偏移量 随散射角 的增大而增加，与散射物质无关。1.散射线中除有波长与入射线 相同的成分外，还有波长 的成分。3.各种散射物质对同一散射角 ，波长偏移量 相等。当散射物的原子序数增加时，散射线中的 谱线强度增强，谱线的强度减弱。l l l l l l X 射 线 其光子能量比可见光光子能量大上万倍X射线发生散射原子核与内层电子组成的原子实外层电子散 射 体康普顿最初用石墨，其原子序数不太大、电子束缚能不太高。用X射线照射一散射体（如石墨）时，X射线发

12、生散射，散射线中除有波长和入射线 相同的成分外，还有波长 的成分。这种现象称为康普顿效应。谱线 称位移线 称 波长偏移量或康普顿偏移 波长偏移量检测系统检测系统晶 体 散射角 射 线 源l散射体散射体散射体散射体谱线的强度随Z的增加而增强；谱线的强度随Z的增加而减弱。X射线X射线X射线第23页，此课件共48页哦偏移机理示意图光的波动理论无法解释散射线中存在波长 的成分。康普顿用光子理论予以解释并给出波长偏移量 的理论公式。散射线中的 成分是光子与外层电子发生弹性碰撞的结果。散射线中的 成分是光子与原子实发生弹性碰撞的结果。X 射 线c l l l l l cccc散 射 体l 原子实视为静止，

13、其质量电子静止质量X射线光子能量散射物质原子外层电子的结合能故外层电子可视为自由电子与光子碰撞前近似看成静止第24页，此课件共48页哦偏移公式推导光子电子弹性碰撞末能量末动量散射光子反冲电子大小：合初能量初动量大小：能量守恒动量守恒 光子与外层电子发生弹性碰撞时，服从动量守恒和能量康普顿偏移公式康普顿偏移公式守恒定律。由此推导出波长偏移量表达式：第25页，此课件共48页哦续36得应满足相对论的能量与动量的关系联立解得写成波长差的形式即为康普顿偏移公式：动量守恒能量守恒第26页，此课件共48页哦康普顿偏移公式电子静止质量普朗克常量真空中光速均为常量故为常量，用 表示，称为 康普顿波长康普顿波长2

14、.4310 (m)0.00243(nm)-12散射体散射体随的增大而增大与散射物质无关并与实验结果相符 光子与外层电子发生弹性碰撞时，服从动量守恒和能量康普顿偏移公式康普顿偏移公式守恒定律。由此推导出波长偏移量表达式：第27页，此课件共48页哦有关现象解释康普顿因发现康普顿效应而获得了1927年诺贝尔物理学奖 散射物质的原子序数增大，原子核对电子的束缚力增强，组成原子实的电子数目相对增多，可作为自由电子看待的电子数目相对减少，散射线中的 谱线强度相对减弱，谱线的强度相对增强。散射物质原子实的质量 为 10 10 kg 数量级 -26-23这样小的波长偏移量，仪器无法分辩，可认为这就是散射线中波

15、长为 的谱线。为10 10 (m)即10 10 (nm)数量级-16-19-7-10故 光子与原子实发生弹性碰撞时，也服从动量守恒和能量守恒定律。由此可推导出与康普顿偏移公式相似的形式：第28页，此课件共48页哦康普顿、光电效应比较康普顿效应与光电效应的异同康普顿效应与光电效应的异同 康普顿效应与光电效应都涉及光子与电子的相互作用。在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光子能量为ev数量级，与原子中电子的束缚能相差不远，光子能量全部交给电子使之逸出，并具有初动能。光电效应证实了此过程服从能量守恒定律。在康普顿效应中，入射光为X射线或 g g射线,光子能量为10 ev 数量级甚至更高，远大于散

16、射物质中电子的束缚能，原子中的外层的电子可视为自由电子，光子能量只被自由电子吸收了一部分并发生散射。康普顿效应证实了此过程可视为弹性碰撞过程，能量、动量均守恒，更有力地证实了光的粒子性。4第29页，此课件共48页哦康普顿效应例一假定某光子的能量 在数值上恰好等于一个静止电子的固有能量 ，求该光子的波长。设得2.4310 (m)-126.6310-349.1110 310-3180.00243(nm)康普顿波长康普顿波长联想：其数值恰等于本题所设光子的波长。即，若一个光子的能量在数值上等于一个静止电子的固有能量时，该光子的波长在数值上等于康普顿波长（在研究实物粒子的波动性时又称为电子的康普顿波长

17、）。第30页，此课件共48页哦解（解（1）例例 波长波长 的的X射线与静止的自由电射线与静止的自由电子作弹性碰撞子作弹性碰撞,在与入射角成在与入射角成 角的方向上观察角的方向上观察,问问（2）反冲电子得到多少动能？反冲电子得到多少动能？（1）散射波长的改变量散射波长的改变量 为多少？为多少？（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？在碰撞中，光子的能量损失了多少？（2）反冲电子的动能反冲电子的动能（3）光子损失的能量反冲电子的动能光子损失的能量反冲电子的动能第31页，此课件共48页哦康普顿效应例二 用波长为 200 nm 的光照射铝（Al 的 截止频率为 9.0310 Hz ),能否产生光电效应？

18、能否观察到康普顿效应(假定所用的仪器不能分辨出小于入射波长的千分之一的波长偏移）？140.00243(nm)时（逆向散射）maxmax0.00486(nm)max0.00486 nm 200 nm0.00002430.001观察不到康普顿效应观察不到康普顿效应8310（20010 ）-91.510 (Hz)15 可产生光电效应可产生光电效应截止频率第32页，此课件共48页哦康普顿效应例三散射光子反冲电子X 射 线 入 射 光 子动能3.0010 +20.002430.5-223.1210 (nm)-2弹碰前系统能量：弹碰后系统能量：能量守恒6.6310 310 ()10 10-3483.003

19、.122-92.2510 (J)1.5910 (ev)-163第33页，此课件共48页哦康普顿效应例四动量守恒动量守恒式中入射光子动量散射光子X 射 线 入 射 光 子反冲电子第34页，此课件共48页哦随堂小议（1 1）入射光的频率入射光的频率；（2 2）入射光的相位和频率入射光的相位和频率；（3 3）入射光的强度入射光的强度；（4 4）入射光的强度和频率入射光的强度和频率。结束选择结束选择请在放映状态下点击你认为是对的答案请在放映状态下点击你认为是对的答案在光电效应中，光电流的大小主要依赖于在光电效应中，光电流的大小主要依赖于第35页，此课件共48页哦小议链接4（1 1）入射光的频率入射光的

20、频率；（2 2）入射光的相位和频率入射光的相位和频率；（3 3）入射光的强度入射光的强度；（4 4）入射光的强度和频率入射光的强度和频率。结束选择结束选择请在放映状态下点击你认为是对的答案请在放映状态下点击你认为是对的答案在光电效应中，光电流的大小主要依赖于在光电效应中，光电流的大小主要依赖于第36页，此课件共48页哦相对立图像相对立图像同一客体同一客体只有把只有把“波动波动”概念和概念和“粒子粒子”的概念统一成一个整体，的概念统一成一个整体，才能得到与实际客体相附的形象。才能得到与实际客体相附的形象。要统一这两幅看起来要统一这两幅看起来“截然不同截然不同”的图像，关键的问题的图像，关键的问题

21、是不要把这种是不要把这种“波动波动”理解为理解为遵从经典电磁理论的以连遵从经典电磁理论的以连续为分布为特征的波动；续为分布为特征的波动；不要把不要把“粒子粒子”理解理解为服从牛为服从牛顿力学的经典粒子，顿力学的经典粒子，否则二者永远得不到统一。否则二者永远得不到统一。光在空间传光在空间传播时播时光与粒子光与粒子 作用时作用时光是电磁波，电磁波是高频变化的电磁场，光是电磁波，电磁波是高频变化的电磁场，E E矢量和矢量和第37页，此课件共48页哦在爱因斯坦提出辐射场能量量子化之前，人们始终把在爱因斯坦提出辐射场能量量子化之前，人们始终把电磁场看作是电磁场看作是能量能量和和动量动量都是都是连续分布连

22、续分布的，今天称这的，今天称这种电磁场为种电磁场为经典电磁场，以连续性为特征。这仅是一经典电磁场，以连续性为特征。这仅是一个认识问题。个认识问题。爱因斯坦揭露了电磁场的本来面目，指出电磁场是爱因斯坦揭露了电磁场的本来面目，指出电磁场是量子化的，场的量子是量子化的，场的量子是光子。光子。光子的能量：光子的能量：光子的动量：光子的动量：光子的质量：光子的质量：量子化量子化电磁场是电磁场是量子场量子场H H矢量满足波动方程矢量满足波动方程.第38页，此课件共48页哦干涉、衍射、偏振等干涉、衍射、偏振等这些说明光具有波动性的实验现象这些说明光具有波动性的实验现象.用电磁场的量子用电磁场的量子(光子光子

23、)的统计性观点同样可以得到解释的统计性观点同样可以得到解释例如例如,光的圆孔衍射光的圆孔衍射.入射光强度足够大入射光强度足够大入射光强度极弱入射光强度极弱衍射图衍射图衍射图衍射图光子通过圆孔光子通过圆孔零散亮点零散亮点说明说明光具有粒子性光具有粒子性亮点位置每次各不相同亮点位置每次各不相同经过足够长时间经过足够长时间仍能构成衍射图仍能构成衍射图用波的叠加性用波的叠加性 可得到解释可得到解释光子不是经典粒子光子不是经典粒子,不满足不满足牛顿定律牛顿定律第39页，此课件共48页哦这说明这说明光子不是经典粒子（即不服从光子不是经典粒子（即不服从牛顿定律）。牛顿定律）。（1 1）是由大量光子是由大量光

24、子“构造构造”成的，由于它们在成的，由于它们在空间分布的密度大小不均所致。即衍射图是空间分布的密度大小不均所致。即衍射图是（2 2）单个光子也具有波动性单个光子也具有波动性,就单个光子而就单个光子而言言,在多次实验中在空间不同位置出现的概在多次实验中在空间不同位置出现的概明纹位置明纹位置波动观点：波动观点：波的强度大。波的强度大。粒子观点：粒子观点：光子在该处出光子在该处出 现的概率大现的概率大。光的衍光的衍射图案射图案光的衍射效应是光子的统计行为所致光的衍射效应是光子的统计行为所致.大量光子统计行为所致大量光子统计行为所致.率不同所致率不同所致.第40页，此课件共48页哦用光子统计性用光子统

25、计性用波的叠加性用波的叠加性均可解释光的衍射效应均可解释光的衍射效应*光是电磁波，波的强度与找到光子的概率成正比光是电磁波，波的强度与找到光子的概率成正比.统一二者统一二者:某一时刻在空间某一位置，波的强度与该时某一时刻在空间某一位置，波的强度与该时刻在该位置找到光子的概率成正比。刻在该位置找到光子的概率成正比。光是以波的形式在空间传播光是以波的形式在空间传播,E,E矢量和矢量和H H矢量满足波矢量满足波动方程动方程.光与物质相互作用问题，实质上是电磁场的量子光与物质相互作用问题，实质上是电磁场的量子光子与物质的粒子（电子、原子、分子、原子核光子与物质的粒子（电子、原子、分子、原子核等）相互作

26、用问题。出现各不同的效应等）相互作用问题。出现各不同的效应.第41页，此课件共48页哦用量子场的波动性和场量子的统计性这二种理论中任用量子场的波动性和场量子的统计性这二种理论中任一种均可解释与光有关任何现象。一种均可解释与光有关任何现象。第42页，此课件共48页哦总总 结结一一.热辐射热辐射说明光具有粒子性的实验事实说明光具有粒子性的实验事实:1.1.描述热辐射物理量描述热辐射物理量:*辐出度辐出度总辐出度总辐出度单色辐出度单色辐出度*单色吸收系数单色吸收系数*单色反射系数单色反射系数*绝对黑体绝对黑体3.3.普朗克的能量量子化假设普朗克的能量量子化假设（2 2）维恩位移定律）维恩位移定律2.

27、2.二条实验定律二条实验定律:（1 1）斯特藩）斯特藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律第43页，此课件共48页哦二二.光电效应光电效应三三.康普顿效应康普顿效应4.4.普朗克公式普朗克公式:1.1.光电效应实验规律光电效应实验规律:3.3.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设2.2.光的波动说遇到困难光的波动说遇到困难1.1.实验规律实验规律2.2.如何解释如何解释 成分出现成分出现?光量子光量子动量守恒、能量守恒动量守恒、能量守恒第44页，此课件共48页哦练习练习1.1.在加热黑体过程中在加热黑体过程中,最大的最大的单色辐出度单色辐出度的波长由的波长由0.80.8 m m变到变到0.4 0.4 m

28、,m,则则总总辐出度辐出度增大为原来的增大为原来的1).21).2倍倍2).42).4倍倍3).83).8倍倍4).164).16倍倍练习练习2.2.康普顿散射中康普顿散射中,当出射光子与入射光子方向成当出射光子与入射光子方向成=角时角时,光子的频率减少得最多光子的频率减少得最多.当当=时光子的频率保持不变时光子的频率保持不变.0第45页，此课件共48页哦练习练习3.3.已知单色光照到一金属表面产生光电效应已知单色光照到一金属表面产生光电效应,若此若此金属的逸出电势金属的逸出电势 U U0 0,则此单色光的波长必需满足则此单色光的波长必需满足:使电子从金属表面使电子从金属表面逸出功逸出功为为1

29、).3).2).4).根据爱因斯坦关系式根据爱因斯坦关系式:第46页，此课件共48页哦练习练习4.4.光电效应和康普顿效应都包含有电子和光子的光电效应和康普顿效应都包含有电子和光子的相互作用过程相互作用过程.对以下四种理解中对以下四种理解中,正确的是正确的是1).1).两种效应中电子和光子组成的系统都服从动量守恒两种效应中电子和光子组成的系统都服从动量守恒和能量守恒和能量守恒.2).2).两种效应都相当于电子和光子的弹性碰撞过程两种效应都相当于电子和光子的弹性碰撞过程.3).3).两种效应都属于电子吸收光子的过程两种效应都属于电子吸收光子的过程.4).4).光电效应属于电子吸收光子的过程光电效应属于电子吸收光子的过程,而康普顿效应而康普顿效应是光子和电子的弹性碰撞过程是光子和电子的弹性碰撞过程.只有处于束缚态的电子才能吸收光子只有处于束缚态的电子才能吸收光子第47页，此课件共48页哦作业作业:P.214 （30）、（）、（33）第48页，此课件共48页哦