第16章.量子光學(xué)基礎(chǔ)ppt課件.ppt

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1、第十六章量子光學(xué)基礎(chǔ)前面講述了光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象充分證明光具有波動性。到了20世紀(jì)初,當(dāng)實驗涉及到光與原子、電子相互作用時,光卻顯示出粒子性,從而使經(jīng)典物理學(xué)遇到了嚴(yán)重的困難。本章內(nèi)容提要：?光電效應(yīng)及愛因斯坦的光子理論?康普頓效應(yīng)?玻爾原子理論?激光和激光器原理§16-1光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)的實驗定律(1)飽和電流強度與光強成正比實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)入射光頻率一定時,光電流I和兩極間電壓V的關(guān)系如圖16-2所示。圖16-2-VaVIo光強較大光強較小Is當(dāng)加速電壓增加到一定值時,光電流達(dá)到一飽和

2、值Is。實驗還表明:飽和電流值Is和光強成正比。AV電源圖16-1-IKA從圖16-2的實驗曲線可以看出，加速電壓為零時，光電流并不為零。僅當(dāng)加以反向電壓Va時,光電流才等于零。這一電壓值Va稱為截止電壓(又稱遏止電壓)。顯然圖16-2-VaVIo光強較大光強較小Is(16-1)AV電源圖16-1-IKA(2)光電子的初動能隨入射光的頻率線性增加，與入射光的強度無關(guān)。(3)存在紅限實驗指出,對一給定的金屬,當(dāng)入射光的頻率小于某一頻率?o時,無論入射光強如何,都沒有光電子從金屬中逸出(即沒有光電流)。這一頻率

3、?o稱為光電效應(yīng)的紅限頻率。實驗指出,不同物質(zhì)具有不同的紅限頻率。(4)立即發(fā)射，時延不超過10-9s。?波動說的困難以上實驗結(jié)果是光的經(jīng)典波動圖像無法解釋的。按照光的波動說,金屬在光的照射下,其中的電子受到電磁波中電場作用而作受迫振動,吸收光波的能量,從而逸出金屬表面。按照這種受迫振動的理論，光強愈大，受迫振動的振幅愈大，發(fā)射出的光電子的初動能就應(yīng)愈大。但實驗結(jié)果是光電子的初動能與入射光強無關(guān)，而與入射光的頻率成線性關(guān)系。同時，只要入射光強足夠大(入射能量足夠多)，金屬中的電子就能從光波中吸收足夠的能量并

4、積累到一定量值而逸出金屬表面，根本不應(yīng)存在紅限。但實驗指出，當(dāng)入射光的頻率小于某一頻率?o時,無論入射光強如何,都沒有光電子從金屬中逸出(即沒有光電流)。其次，按照波動理論，能量的積累是需要一定時間的。不會立即發(fā)射。理論計算表明,在功率為1mW的入射光照射下,逸出功為1eV的金屬，從光開始照射到釋放出電子,大約要等待16min,這同光電效應(yīng)瞬時響應(yīng)的實驗結(jié)果完全不符合。2.愛因斯坦光子假設(shè)愛因斯坦認(rèn)為,光不僅在發(fā)射和吸收時是以能量為h?的顆粒形式進(jìn)行的，而且以這種顆粒的形式以速度c在空間傳播。就是說，一束光

5、就是以光速c運動的粒子流，這種粒子稱為光子。頻率為?的光的光子能量為E=h?(16-4)式中,h=6.63×10-34J·s，是普朗克常數(shù)。根據(jù)愛因斯坦光子理論，光電效應(yīng)方程為(16-6)1905年，愛因斯坦用光子理論成功地解釋了光電效應(yīng)。小結(jié)：光子的特性(1)光子的能量E=h?=hc/?(2)光子的質(zhì)量逸出功：(16-8)動質(zhì)量：(16-11)靜質(zhì)量：mo=0(光子的速度?=c)(3)光子的動量(16-12)c=??例題16-1已知銫的紅限波長?o=6500?,今有波長為?=4000?的光投射到

6、銫表面,試問:(1)由此發(fā)射出來的光電子的速度是多少?(2)要使光電流為零，遏止電勢差為多大?解(1)由光電效應(yīng)方程代入數(shù)據(jù)求得:?=6.5×105(m/s)(2)由公式c=??由此求得:Va=1.19(V)h=6.63×10-34例題16-2波長為?的光投射到一金屬表面,由此發(fā)射出來的光電子在勻強磁場B中作半徑R的圓運動,求此金屬的逸出功及遏止電勢差。解由公式得由得例題16-3以一定頻率的單色光照射到某金屬表面,測出其光電流的曲線如圖中實線所示；然后在光強度不變的條件下增大照射光的頻率，測出其光電流

7、的曲線如圖中虛線所示。滿足題意的圖是圖16-3VIo(A)VIo(B)VIo(C)VIo(D)(D)例題16-4一平面單色光的能流密度S=30(W/m2),垂直投射到某金屬表面，(1)求單位時間內(nèi)投射該金屬表面單位面積上的總動量;(2)若金屬表面的反射率為1,求金屬表面受的光壓。解單位時間內(nèi)投射該金屬表面單位面積上的光子數(shù)為于是單位時間內(nèi)投射該金屬表面單位面積上的總動量為=1.0×10-7(kg.m.s-1)=2.0×10-7(pa)由動量定理:F?t=?p=2?p,于是光壓為§16-2康普頓散射1.散射向

8、一定方向傳播的光線通過不均勻物質(zhì)后，向各個方向傳播的現(xiàn)象，稱為散射。按照經(jīng)典波動理論，光波照射到物質(zhì)上，引起物質(zhì)分子作受迫振動，分子振動就向各個方向發(fā)出散射光。不過，各個方向的散射光與入射光的頻率和波長是相同的，而散射光的強度與波長成反比。這個結(jié)論對一般波長是正確的。如：我們看見的陽光就是一種散射光。但實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波長極短的X射線被輕元素(如石墨)散射后，散射光的波長卻隨散射角?的增大而增大。這種改變波長的散射，