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《物理光學(xué)教程 第七章 量子光學(xué)基礎(chǔ)ppt課件.ppt》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、第七章量子光學(xué)基礎(chǔ)§7.1光的量子性7.1.1輻射與能量子概念7.1.2光電效應(yīng)與光量子概念7.1.3康普頓散射和光量子性的進(jìn)一步證實(shí)7.1.4光的波粒二象性§7.2原子激發(fā)與發(fā)光的量子理論7.2.1α粒子散射和原子的核式結(jié)構(gòu)7.2.2氫原子光譜和玻爾原子模型7.2.3量子力學(xué)和原子發(fā)光7.2.4光譜線的展寬§7.3激光和激光器7.3.1激活介質(zhì)中的光放大7.3.2諧振腔中的光振蕩7.3.3激光的速率方程理論7.3.4激光的模式7.3.5典型激光器§7.4現(xiàn)代光量子理論基礎(chǔ)7.4.1矢量空間和線性算符7.4.2一維諧振子7.4.3電
2、磁場(chǎng)的量子化7.4.4相干光子態(tài)7.4.5密度算符和量子分布7.4.6光子光學(xué)簡(jiǎn)介7.1.1輻射與能量子概念1.輻射的早期理論最早動(dòng)搖經(jīng)典物理學(xué)的是黑體輻射問(wèn)題。根據(jù)熱力學(xué)理論，所有物體都會(huì)向外界輻射一定波長(zhǎng)范圍的電磁波，輻射能量及其按波長(zhǎng)的分布由輻射體的溫度決定。與輻射過(guò)程相反，任何物體都對(duì)投射到它表面的電磁波具有一定的吸收作用。吸收的電磁波能量中波長(zhǎng)范圍處于λ～λ+dλ的部分與相同波長(zhǎng)入射波能量之比稱為物體在波長(zhǎng)λ處的單色吸收度，它也是物體溫度的函數(shù)，并記為α(λ,T)。如果一個(gè)物體在任何溫度下對(duì)任何波長(zhǎng)的入射輻射能均滿足：α(
3、λ,T)≡1則稱該物體為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱為黑體。倘若在單位時(shí)間內(nèi)黑體輻射的能量恰好等于它吸收的入射能量，則該黑體處于熱平衡狀態(tài)。處于熱平衡狀態(tài)的黑體具有確定的溫度T，因而也具有確定的單色輻射出射度R0(λ,T)。返回19世紀(jì)末，人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同溫度下黑體單色輻射出射度隨波長(zhǎng)度變化的曲線(如圖7-1所示)1896年，維恩基于熱力學(xué)理論，在一定的假設(shè)條件下，給出一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式(7-2)4年后，瑞利和金斯導(dǎo)出瑞利-金斯公式：（7-3）式中是玻耳茲曼常數(shù)，c為真空中光速。返回2.普朗克的能量子概念1900年，普朗克給出：(7-4)
4、普朗克于同年晚些時(shí)候提出假設(shè)：輻射體由帶電的諧振子組成，這些諧振子只能處于某些特殊的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，它們的能量是某一最小能量ε的整數(shù)倍。當(dāng)輻射體向外界輻射時(shí)，其發(fā)射的電磁波能量也是ε的整數(shù)倍。這一最小能量即稱為能量子。對(duì)于頻率為ν的諧振子，相應(yīng)能量子的能量：ε=hν(7-5)式中h=6.6260755×10-34Ｊ·s稱為普朗克常數(shù)。在上述假設(shè)下，普朗克導(dǎo)出式(7-4)中的兩個(gè)常數(shù)分別為c１=2πhc２和c2=hc/k于是，最終得到：(7-6)這就是黑體輻射的普朗克公式。返回7.1.2光電效應(yīng)與光量子概念1.光電效應(yīng)當(dāng)波長(zhǎng)足
5、夠短的光(電磁波)照射到金屬上時(shí)，其表面會(huì)發(fā)射具有一定動(dòng)能的電子，這種現(xiàn)象便稱為光電效應(yīng)，而所發(fā)射的電子稱為光電子。光電效應(yīng)最早是由赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)的。研究光電效應(yīng)的一種簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)裝置如圖7-3所示。返回實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果如下：(1)光電效應(yīng)的產(chǎn)生與照射光頻率ν的關(guān)系：對(duì)于一定的金屬，光電效應(yīng)能否發(fā)生完全取決于入射光的頻率ν，而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。(2)光電子最大初動(dòng)能與照射光頻率的關(guān)系：當(dāng)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，光電子的最大初速度vM，因而最大初動(dòng)能12mev２M也是一個(gè)只取決于照射光頻率ν，而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)的量，且可以證明(7-7)式中e
6、為電子電荷；me為電子質(zhì)量；h～為與陰極材料無(wú)關(guān)的普適常數(shù)。(3)光電流與照射光強(qiáng)的關(guān)系：在光電效應(yīng)可以發(fā)生的條件下，產(chǎn)生的光電子數(shù)，因而光電流的大小，與照射光的強(qiáng)度成正比。(4)光電效應(yīng)的時(shí)間行為：在當(dāng)時(shí)的時(shí)間測(cè)量精度內(nèi)，完全可以認(rèn)為該過(guò)程是瞬間發(fā)生的。返回2.愛(ài)因斯坦的光量子理論愛(ài)因斯坦于1905年提出，電磁波不僅在發(fā)射時(shí)，而且在被吸收以及在空間傳播時(shí)也具有粒子性，這些粒子就是光量子。1926年，經(jīng)劉易斯提議簡(jiǎn)稱為光子。用光量子理論可以圓滿地解釋光電效應(yīng)：(1)電子脫離金屬表面需要一定的逸出功W，當(dāng)電子吸收一個(gè)頻率為ν的光量子而
7、獲得能量hν時(shí)，能否從金屬表面逸出便取決于hν和W的大小，如果hν＞W(wǎng)，則電子可以逸出；反之則不能逸出。而：ν０=W/h(7-8)便給出產(chǎn)生光電效應(yīng)的截止頻率或紅限頻率。(2)在hν＞W(wǎng)的條件下，由能量守恒關(guān)系，電子不僅能從金屬表面逸出，而且還會(huì)具有一定動(dòng)能：(7-9)(3)隨著入射光強(qiáng)的增長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)金屬表面的光子數(shù)增加，從而導(dǎo)致光電子數(shù)成比例增加。(4)在ν≥ν０的條件下，電子只要吸收一個(gè)光子，便可獲得足夠的能量從金屬表面逸出，而無(wú)需能量的積累過(guò)程，因此，光電效應(yīng)幾乎是瞬間發(fā)生的。根據(jù)愛(ài)因斯坦同年所創(chuàng)立的相對(duì)論中的質(zhì)-能關(guān)
8、系式，能量為hν的光量子具有質(zhì)量：(7-10)及動(dòng)量：(7-11)返回7.1.3康普頓散射和光量子性的進(jìn)一步證實(shí)1921年，康普頓通過(guò)對(duì)γ射線和X射線散射的研究，測(cè)量了在不同散射方向上的波長(zhǎng)，證明在散射光譜中既有波長(zhǎng)不變的射線也有向長(zhǎng)
