《光的量子性姚》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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（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(H,2,O),二硫化碳(CS,2,),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,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,M,0,(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,/d,W,dw,：物体单位面积上所吸收的辐射能量，,d,W,：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,A,b,（,T,）=1,黑体,A,b,（,T,）=1,白体,A,b,（,T,）=0,灰体 0,A,b,（,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,=6.62617610,-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,=,nE,0,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,-9,S）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：,eV,g,=,h,-,W,a,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、质子、原子等等实物粒子，都同时具有波动性和粒子性，即波粒二象性。,说明：,（1）一切物质（包括实物和场）都具有波粒二象性；,（2）电子或光子等微观客体即不是经典的波，也不是,经典的粒子；,（3）和光子相联系的波是电磁波，和电子相联系的波,是物质波，这两种波都可以决定它们在空间分布,的概率。,