量子光学基础课件.ppt

1、量子光学基础第二十一章第二十一章 量子光学基础量子光学基础21-1 热辐射热辐射 黑体辐射黑体辐射黑体辐射问题黑体辐射问题“紫外灾难紫外灾难”；光电效应光电效应0,无论无论I多大多大,没有光电子逸出没有光电子逸出;而它的能量只与而它的能量只与有关有关,和和I无关无关；原子的线状光谱及其规律原子的线状光谱及其规律,巴尔末巴尔末公式的物理机制？公式的物理机制？原子稳定性；原子稳定性；固体分子的比热问题固体分子的比热问题:CRC0；经典物理的几个困难：经典物理的几个困难：两大新理论的诞生：两大新理论的诞生：狭义和广义相对论；狭义和广义相对论；量子力学量子力学热辐射：热辐射：由于物体中分子、原子受到热

2、激发而发由于物体中分子、原子受到热激发而发 射电磁波辐射的现象。射电磁波辐射的现象。基本性质基本性质:温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 例如：加热铁块例如：加热铁块一一.基尔霍夫基尔霍夫(Kirchhoff)定律定律单色辐出度：单色辐出度：从物体单位表面积上发射的，波长介于从物体单位表面积上发射的，波长介于 和和+d 之间的辐射功率之间的辐射功率dE 与与d 之比之比。ddEM 辐出度辐出度:物体从单位表面积上发射的所有各种波长的辐射物体从单位表面积上发射的所有各种波长的辐射 总功率总功率。0)()(dTMTM单色吸收比：单色吸收比：当辐射从外界入射到物体表面时

3、，在当辐射从外界入射到物体表面时，在 到到+d 的波段内，吸收能量与入射能量之比。的波段内，吸收能量与入射能量之比。),(TM)m(401231700K1100K1300K1500K单色反射比：单色反射比：反射能量与反射能量与入射能量之比。入射能量之比。),(Tr1),(),(TrT基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：在同样的温度在同样的温度下，不同的物体或不同表面性下，不同的物体或不同表面性质的物体，其单色辐出度与单质的物体，其单色辐出度与单色吸收率之比是一恒量。色吸收率之比是一恒量。)(),()(),()(2211TMTTMTTMo结论：结论：一个好的吸收体一定也是一个好的发射体。一个好的吸收体一

4、定也是一个好的发射体。二二.黑体辐射定律黑体辐射定律黑体：黑体：能吸收一切外来辐射（即吸收比为能吸收一切外来辐射（即吸收比为1），），而无反射的物体。而无反射的物体。黑体是最理想的发射体黑体是最理想的发射体)(TM)m(401231700K1100K1300K1500K1.1.斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律：玻尔兹曼定律：物体的辐出度与温度的四次方成正比。物体的辐出度与温度的四次方成正比。4TMoo斯忒藩常数：斯忒藩常数：)KmW(106703.5428o2.2.维恩位移定律：维恩位移定律：能谱分布曲线的峰值对应的波长能谱分布曲线的峰值对应的波长 m与温度与温度 T的乘积为一常数。的乘积为一常数。

5、bTm)Km(10897.23b21-2 普朗克能量子假设普朗克能量子假设维恩定律：维恩定律：523)(TcoecTM（c2和c3为经验参数）)(0TM)m(4012356789维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯定律：金斯定律：TcTMo41)()2(1ckc)(0TM)m(4012356789瑞利瑞利-金斯线金斯线经典理论在短波区域的失败成为经典理论在短波区域的失败成为“紫外灾难紫外灾难”。普朗克普朗克经验公式：经验公式：12)(52kThcoehcTM)(0TM)m(4012356789dTMdTM),()(0012),(220kThehcTMSJ10626176.634h近代伟大的德国物理学家，

6、量子论的奠基近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人，一九一八年获诺贝尔物理学奖。人，一九一八年获诺贝尔物理学奖。(18581947)在长波情况下：在长波情况下：kThcekThc112)(52kThcoehcTM45222)(ckTkThchcTMo瑞利瑞利-金斯公式金斯公式12)(52kThcoehcTM在短波情况下：在短波情况下：1kThcekThcoehcTM522)(维恩公式维恩公式经典理论的基本观点：经典理论的基本观点：（1）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。频率与振动频率相同。（2）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续

7、的，）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的。辐射能量也是连续的。（3）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。普朗克量子假设：普朗克量子假设：对于频率为对于频率为 的振子，振子辐射的能量不是的振子，振子辐射的能量不是连续的，而是分立的，它的取值是某一最小能量连续的，而是分立的，它的取值是某一最小能量h 的整数倍。的整数倍。nhEn例题：例题：（1）温度为）温度为20的物体，它的辐射能中辐的物体，它的辐射能中辐出度的峰值所对应的波长是多少？出度的峰值所对应的波长是多少？（2）若使一物）若使一物体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围体单

8、色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？内，其温度应为多少？（3）上两小题中，总辐射）上两小题中，总辐射能的比率为多少？能的比率为多少？解：解：（1）(m)1089.92027310897.263Tbm （2）取）取=6500A(K)1046.4105.610897.2373mbT （3）443412121037.52931046.4TTMM21-3 光子光子 弱光起伏实验弱光起伏实验光电效应光电效应：当一束光照射在金属表面上时，金属当一束光照射在金属表面上时，金属表面有电子逸出的现象。表面有电子逸出的现象。GVKA-一一.光电效应光电效应实验一：实验一：入射光强度和频率不

9、变入射光强度和频率不变IU0aVIH1、增加电压、增加电压U，光电流光电流随之增加，直至饱和。随之增加，直至饱和。3、当反向电压、当反向电压U=Va时时,光电流光电流 I=0。2、电压、电压U=0时，光电时，光电流流 I=0。截止电压：截止电压：光电子刚好不能到达光电子刚好不能到达A极时所加的反极时所加的反向电压值向电压值 Va。ameVmv 221实验二：实验二：改变入射光强度和频率改变入射光强度和频率IU0I1I2I3VaIU0Va1Va2Va31、入射光频率不变，饱、入射光频率不变，饱和电流和电流 IH 的大小与入射的大小与入射光的强度成正比。光的强度成正比。2、入射光的强度不变、入射光

10、的强度不变时，其频率越高，截时，其频率越高，截止电压止电压Va越大。越大。即：即：K极逸出的电子数与极逸出的电子数与入射光的强度成正比入射光的强度成正比。即：即：光电子初动能与入光电子初动能与入射光的强度无关，只与射光的强度无关，只与入射光的频率有关。入射光的频率有关。3、存在一个、存在一个“截止频率截止频率”（红限）（红限）o。4、光电效应瞬时响应的性质。、光电效应瞬时响应的性质。t m)谱线的波数可以表示为两光谱项之差。谱线的波数可以表示为两光谱项之差。光谱项：光谱项：2)(nRnT)11(22nmcRc莱曼系：莱曼系：（紫外光紫外光）22111nRH,3,2n帕邢系：帕邢系：（红外光红外

11、光）22131nRH,5,4n布拉开系：布拉开系：（红外光红外光）22141nRH,6,5n普丰德系：普丰德系：（红外光红外光）22151nRH,7,6n三三.玻尔假设：玻尔假设：1、原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，、原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。3、轨道角动量呈量子化。、轨道角动量呈量子化。),3,2,1(2nnhnmvrL2、当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃、当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。迁时，要发射或吸收光子。hEEmnmn(18851962)丹麦物

12、理学家丹麦物理学家,哥本哈根学派的创始人哥本哈根学派的创始人,1922年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。2224nonnrervm224nonmver玻尔量子化条件：玻尔量子化条件：nnmrnhv2222menhron21nrmmehro1022110529.0电子的轨道半径：电子的轨道半径：,9,4,111rrr),3,2,1(n轨道能量：轨道能量：nonnremvE42122nnmrnhv2222menhron22248nhmeEon氢原子的基态能量：氢原子的基态能量：eV6.1382241hmeEo氢原子能级：氢原子能级：,9,4,111EEE莱曼系巴尔末系帕邢系布拉开系普丰德系氢原子

13、能级图氢原子能级图-13.58-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)n12354氢原子能级图氢原子能级图17324m10097373.18chmeRoH22248nhmeEon比较比较)11(22nmcRc例题：例题：如用能量为如用能量为12.6eV的电子轰击氢原子，将产的电子轰击氢原子，将产生那些谱线？生那些谱线？解：解：22111nmRH2211nmchRchEH2116.136.12n69.36.126.136.13n取取 n=3可能的轨道跃迁可能的轨道跃迁：31，32，217227110975.0311110097.11m10025.1717227210823.0211

14、110097.11m10216.1727227310152.0312110097.11m10579.672例题：例题：氢原子中把氢原子中把 n=2 状态下的电子移离原子需状态下的电子移离原子需要多少能量？要多少能量？解：解：mn,2chRchREEE22246.134chReV4.3电子移离原子需要电子移离原子需要 3.4eV一、自发辐射和受激辐射一、自发辐射和受激辐射1、吸收过程：、吸收过程：12EEh2、自发辐射过程：、自发辐射过程：12EEh激发态激发态 E2E3E4hh基态基态 E121-8 激光器原理激光器原理激光又名镭射激光又名镭射 (Laser),它的全名是它的全名是“辐射的受激

15、发射光放大辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)3、受激辐射过程：、受激辐射过程：h E1 E2hh12EEh受激辐射的特点结论：受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。与原来的光子具有完全相同的状态。结论：结论：受激辐射而得到的光是受激辐射而得到的光是相干光相干光。二、激光原理二、激光原理1、粒子数反转、粒子数反转kTEkkenE1E221NN 粒子数反转粒子数反转产生激光的必要条件：产生激光的必要条件：实现粒子数反转。实现粒子数反转。激励（泵浦

16、）：激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。实现粒子数反转的过程。具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。红宝石激光器（三能级系统）红宝石激光器（三能级系统）E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)h氦氖激光器（四能级系统）氦氖激光器（四能级系统）E1E2E3E4hE1E2E3E4(10-8s)(10-3s)2、光学谐振腔、光学谐振腔工作物质工作物质全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜谐振腔长度：谐振腔长度：),3,2,1(2nnL谐振腔的作用：谐振腔的作用：（1）维持光振荡，起到光放大作用。）维持光振荡，起到光放大作用。（2）使激光产生极好的方向性。）使激光产生极好的方向性。（3）使激光的单色性好。）使激光的单色性好。氦氖激光：氦氖激光：6328A红宝石激光：红宝石激光：6943A三、激光的特点三、激光的特点1、方向性好。、方向性好。2、单色性好。、单色性好。3、相干性好。、相干性好。4、能量集中。、能量集中。共同学习相互提高谢谢聆听