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1、量子物理本讲稿第一页，共三十五页 量子现象和量子规律量子现象和量子规律第第16章章场的量子性场的量子性第第17章章量子力学基本原理量子力学基本原理第第18章章量子力学应用简介量子力学应用简介普朗克能量子理论普朗克能量子理论爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论激光原理激光原理原子结构原子结构固体能带理论固体能带理论*超导超导*液晶液晶物质波波函数物质波波函数不确定关系不确定关系德布罗意公式德布罗意公式本讲稿第二页，共三十五页人类对光的本性的认识人类对光的本性的认识:早期早期牛顿：微粒说牛顿：微粒说惠更斯：波动说（光是以太中的机械波）惠更斯：波动说（光是以太中的机械波）
2、经典光学经典光学麦克斯韦电磁说（光是电磁波）麦克斯韦电磁说（光是电磁波）近代光学近代光学爱因斯坦光子说（光是光量子流）爱因斯坦光子说（光是光量子流）现代光学现代光学信息光学信息光学来自经典光学（夫琅和费衍射）来自经典光学（夫琅和费衍射）强光光学强光光学来自近代光学（激光）来自近代光学（激光）第十七章第十七章 场的量子性场的量子性本讲稿第三页，共三十五页上章介绍上章介绍 夫琅和费衍射夫琅和费衍射信息光学信息光学本章线索：本章线索：经典光学的困难经典光学的困难旧量子论旧量子论激光激光重点重点：爱因斯坦光子论，激光：爱因斯坦光子论，激光本讲稿第四页，共三十五页结构框图结构框图黑体辐射的黑体辐射的实验
3、规律实验规律普朗克能量普朗克能量子假设子假设光与物质的光与物质的相互作用相互作用 爱因斯坦光爱因斯坦光子理论子理论激光激光原理原理*非线性非线性光学简介光学简介氢原子光谱氢原子光谱实验规律实验规律 玻尔氢原子玻尔氢原子理论理论学时：学时：6本讲稿第五页，共三十五页17-1 热辐射热辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说一、黑体辐射的实验规律一、黑体辐射的实验规律1.1.热辐射热辐射一切物体都以电磁波形式向外辐射能量，其功率和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，称为波长取决于物体的温度，称为热辐射热辐射固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K8
4、00K1000K1200K不同的原子辐射谱线的颜不同的原子辐射谱线的颜色（频率）成分不同：色（频率）成分不同：锶锶(Sr)铷铷(Rb)铜铜(Cu)本讲稿第六页，共三十五页2.绝对黑体绝对黑体模型：空腔小孔模型：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。物体发射能量的同时，又吸收周围其它物体的辐射能。当发射当发射 =吸收时，其温度不变吸收时，其温度不变 平衡热辐射平衡热辐射 （动态平衡）（动态平衡）能全部吸收（不反射）任何波长的能全部吸收（不反射）任何波长的入射辐射能的物体入射辐射能的物体 绝对黑体绝对黑体物体对外来辐射能量的吸收、反射具有选择性，物体对外来辐射能量的吸收、反射具有
5、选择性，绝热不绝热不透明透明本讲稿第七页，共三十五页3.绝对黑体的辐射定律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。实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致。黑体黑体完全吸收体完全吸收体理想发射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：定义两个物理量：本讲稿第八页，共三十五页单位时间内从物体表面单位面积上发射的各种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波长的总辐射能T热电偶热电偶平行光管平行光管绝对黑体绝对黑体三棱镜三棱镜测定黑体单色辐射本领按波长分布的实验测定黑体单色辐射本领按波长分布
6、的实验装置装置本讲稿第九页，共三十五页0 1 2 3 4 5 61700K1500K1300K1100K实验曲线实验曲线本讲稿第十页，共三十五页 维恩位移定律维恩位移定律维恩常数：维恩常数：斯忒潘斯忒潘波尔兹曼定律波尔兹曼定律 斯忒潘恒量：斯忒潘恒量：实验定律：实验定律：T3 T2 T1T2 T1T1本讲稿第十一页，共三十五页例例由测量得到太阳辐射谱的峰值为由测量得到太阳辐射谱的峰值为490 nm，计，计算太阳表面温度、辐射功率和地球表面单位面算太阳表面温度、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。积上接受到的太阳辐射能功率。解：将太阳视为黑体，由维恩位移定律解：将太阳视为黑体，由
7、维恩位移定律由由斯忒潘斯忒潘波尔兹曼定律波尔兹曼定律本讲稿第十二页，共三十五页正对太阳辐射的地球表面单位面积上接受到的辐射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：能功率：注意：本题中注意：本题中“模型模型”的作用的作用本讲稿第十三页，共三十五页应用介绍：红外遥控技术进行地球考察红外遥控技术进行地球考察 宇宙背景辐射：宇宙背景辐射：与与 T=2.7 K 黑体辐射曲线相符黑体辐射曲线相符大爆炸和宇宙膨胀：大爆炸和宇宙膨胀：宇宙起源于一个奇点的大爆炸，宇宙起源于一个奇点的大爆炸，高度简单、对称，时间、空间、真空场高度简单、对称，时间、空间、真空场本讲稿第十四页，共三十五页引力从统一力中分
8、离，粒子产生（未区分），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，各种粒子相互转化离，各种粒子相互转化.光子海，粒子丰度基本不变光子海，粒子丰度基本不变.一百万年：一百万年：3000 K,原子形成原子形成 .大爆炸遗迹：光子波长大爆炸遗迹：光子波长 1mm,相应温度相应温度 5K本讲稿第十五页，共三十五页 宇宙背景辐射：宇宙背景辐射：与与 T=2.7 K 黑体辐射曲线相符黑体辐射曲线相符（相对强度）（相对强度）1978年年 诺贝尔物理奖（大爆炸宇宙学论据）诺贝尔物理奖（大爆炸宇宙学论据）1990年年 美国美国CO
9、BE卫星精密观测，得其能谱为卫星精密观测，得其能谱为1964年年 贝尔实验室贝尔实验室威尔孙威尔孙彭齐亚斯、彭齐亚斯、发现发现本讲稿第十六页，共三十五页二二.经典物理的困难经典物理的困难1.瑞利瑞利金斯公式金斯公式长波与实验曲线吻合长波与实验曲线吻合短波相差很大短波相差很大紫外灾难紫外灾难2.维恩公式维恩公式短波与实验曲线接近短波与实验曲线接近长波相差很大长波相差很大从经典理论出发推从经典理论出发推本讲稿第十七页，共三十五页01 2 3 4 5 6 7 8 9实验值实验值瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难维恩线维恩线本讲稿第十八页，共三十五页三、普朗克能量子假说三、普朗克能量子假说1.经验
10、公式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线相符的经验公式0(T,)本讲稿第十九页，共三十五页2.能量子假设（模型）能量子假设（模型）黑体：由大量包含各种固有频率黑体：由大量包含各种固有频率 的谐振子的谐振子 组成的系统组成的系统能量子能量子谐振子的能量只能取某个基本单元谐振子的能量只能取某个基本单元的整数倍的整数倍能量子能量能量子能量作用量子作用量子 普朗克恒量普朗克恒量本讲稿第二十页，共三十五页3.意义：意义：导出与实验曲线相吻合的经验公式，解决了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。黑体辐射的困难
11、。引入能量量子化的概念，是量子物理开端，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。为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定基础。“敲响近代物理晨钟敲响近代物理晨钟”普朗克恒量普朗克恒量 h 已经成为物理学中最基本、最重要已经成为物理学中最基本、最重要的常数之一。的常数之一。1900年年12月月14日日 正常光谱中能量分布律的理论正常光谱中能量分布律的理论1918年年 诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖量子力学诞生日量子力学诞生日本讲稿第二十一页，共三十五页“我当时打算将基本作用量子我当时打算将基本作用量子 h 归并到经典理论归并到经典理论范畴中去，但这个常数对所有这种企
12、图的回答都是范畴中去，但这个常数对所有这种企图的回答都是无情的无情的”“企图使基本作用量子与经典理论调和起来的这种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巨大的精力”普朗克普朗克普朗克之魂普朗克之魂 四川人民出版社四川人民出版社 1 1992作者作者 赵鑫珊赵鑫珊推荐读物：推荐读物：本讲稿第二十二页，共三十五页17-2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论光与物质相光与物质相互作用的基互作用的基本形式本形式光电效应光电效应光子论的提出光子论的提出康普顿效应康普顿效应电子偶效应电子偶
13、效应光子论的应用和检验光子论的应用和检验1.光电效应的光电效应的实验规律实验规律(1)光电效应是瞬时发生的光电效应是瞬时发生的it(s)10-9本讲稿第二十三页，共三十五页iisOU饱饱和和电电流流U0遏遏止止电电压压光强较强光强较强光强较弱光强较弱(2)入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比本讲稿第二十四页，共三十五页(3)光电子初动能和入射光频率的关系光电子初动能和入射光频率的关系遏止电压的存在说明遏止电压的存在说明光电子具有初动能，光电子具有初动能，iisuoua实验指出遏止电压实验指出遏止电压和入射光频率有线和入射光频率有线性关系：性关系：
14、ouaCsNa Ca本讲稿第二十五页，共三十五页 (1)按经典理论光电子的初动能应决定于入射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。光的光强，而不决定于光的频率。(2)无法解释红限的存在。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无法解释光电效应的产生几乎无须时间的 积累。积累。2.经典电磁波理论的困难经典电磁波理论的困难(4)对于任何金属，存在一个红限频率对于任何金属，存在一个红限频率0ouaCsNa Ca本讲稿第二十六页，共三十五页3.爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论 光是以光速运动的光子流光是以光速运动的光子流 光强即光的能流密度光强即光的
15、能流密度N:单位时间通过垂直于单位时间通过垂直于单位面积的光子个数单位面积的光子个数 每个光子能量和动量每个光子能量和动量本讲稿第二十七页，共三十五页4.光电效应方程光电效应方程由能量守恒：由能量守恒：入射光子能量入射光子能量=逸出功逸出功+光电子初动能光电子初动能斜率斜率heUa 0hA-A本讲稿第二十八页，共三十五页 5.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释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，所以光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以 饱和光电流也大。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，电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所
16、以无须时间的累积过程。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，可得到从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到 红限频率：红限频率：光电效应现象在日常生活中已有了广泛的应用光电效应现象在日常生活中已有了广泛的应用3)3)从方程可以看出光电子初动能和照射光的从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率频率 成线性关系。成线性关系。本讲稿第二十九页，共三十五页例题例题 波长为波长为 4000 的单色光照射在逸出功为的单色光照射在逸出功为 2.0 的的金属材料上，光射到金属单位面积上的功率为金属材料上，光射到金属单位面积上的功率为 ，求：，求：1)单位时间内、单位面积金属上发射的光电
17、子数单位时间内、单位面积金属上发射的光电子数2)光电子的最大初动能光电子的最大初动能解：解：1)对于单光子光电效应，金属发射的光电子数对于单光子光电效应，金属发射的光电子数等于在同一时间内射到金属表面的光子数：等于在同一时间内射到金属表面的光子数：本讲稿第三十页，共三十五页2)由爱因斯坦光电效应方程：由爱因斯坦光电效应方程：光电子的最大初动能为光电子的最大初动能为 ：本讲稿第三十一页，共三十五页 普朗克能量子理论普朗克能量子理论 爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论一、光电效应一、光电效应1.实验规律实验规律2.经典电磁波理论的困难经典电磁波理论的困难*3.爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论*4
18、.光电效应方程光电效应方程 5.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释爱因斯坦光子理论对光电效应的解释本讲内容：本讲内容：自学：自学：171页页 多光子吸收多光子吸收本讲稿第三十二页，共三十五页6.光的波粒二象性光的波粒二象性爱因斯坦爱因斯坦论我们关于辐射本质和组成观点的发展论我们关于辐射本质和组成观点的发展“象人们已经知道的那样，光的干涉、衍射现象表象人们已经知道的那样，光的干涉、衍射现象表明对于把光看成是一种波动，看来是难以怀疑的，明对于把光看成是一种波动，看来是难以怀疑的，而不容否认的是有这样一类关于辐射的事实表明，而不容否认的是有这样一类关于辐射的事实表明，光具有某些基本属性，这些属性用光的
19、发射论点比光具有某些基本属性，这些属性用光的发射论点比光的波动观点好得多。光的波动观点好得多。”“两种特性结构，波动结构和量子结构都应当适两种特性结构，波动结构和量子结构都应当适合于辐射，而不应当认为彼此不相容。理论物理合于辐射，而不应当认为彼此不相容。理论物理发展的随后一个阶段将给我们带来这样一种光学发展的随后一个阶段将给我们带来这样一种光学理论，它可以是光的波动论和发射论的某种综合，理论，它可以是光的波动论和发射论的某种综合，需要建立一个既能描述辐射的波动结构，又能描需要建立一个既能描述辐射的波动结构，又能描述辐射的量子结构的数学理论。述辐射的量子结构的数学理论。”本讲稿第三十三页，共三十
20、五页光的性质光的性质不同侧面不同侧面波动性：波动性：突出表现在传播过程中突出表现在传播过程中（干涉、衍射）（干涉、衍射）粒子性：粒子性：突出表现在与物质相互作用中突出表现在与物质相互作用中（光电效应、康普顿效应、电子偶效应）（光电效应、康普顿效应、电子偶效应）单纯用单纯用波动波动粒子粒子均不能完整地描述光的性质均不能完整地描述光的性质无法用经典语言准确建立光的模型无法用经典语言准确建立光的模型光：既不是经典波，又不是经典粒子光：既不是经典波，又不是经典粒子光子：光子：用量子力学描述用量子力学描述本讲稿第三十四页，共三十五页光子的量子力学模型光子的量子力学模型振幅越大，表示光子数越多，振幅越大，表示光子数越多，光子到达该处概率越大光子到达该处概率越大 概率波。概率波。“波粒二象性波粒二象性”借用经典借用经典“波波”和和“粒子粒子”术语，但术语，但既不是经典波，又既不是经典波，又不是经典粒子。不是经典粒子。本讲稿第三十五页，共三十五页