电子科大大物第16章量子光学(完全版11)资料
合集下载
《大学物理》第二版 罗圆圆 第16章 量子物理
光电子
I GD
实验装置：
KA
i
A
V
R
GD为光电管，光通过石 英窗口照射阴极K，光电 子从阴极表面逸出。光 电子在电场加速下向阳 极A 运动，形成光电流
I GD
KA
i
A
V
R
光电效应引起的现象是赫兹在1887年发现的，当 1896年汤姆孙发现了电子之后，勒纳德才证明了 所发出的带电粒子是电子。十八年后（1905）爱 因斯坦光量子概念成功解释了光电效应
在同一散射角（j =120 ）测量各
种波长的散射光强度，作了大量 X
射线散射实验。这对证实康普顿效 应作出了重要贡献。
吴有训 （1897—1977）
“康普顿效应”这一伟大发现获得了举世公认。 诺贝尔奖评选委员会决定将“康普顿效应” 的发现列入下一届物理学奖的名单，并写信 通知康普顿教授，让他写下这一创举的过程、 价值以及获奖候选人的名单。康普逊教授决 定提名威尔逊和吴有训两个人同时受奖。吴 有训答：“如果没有我，教授，您的研究和 实验同样会有飞快的进展。我认为，一个伟 大真理的诞生，是任何艰难险阻也抵挡不住 的。我想这应该是人类进步、科学事业发展 的客观规律。” 吴有训的名字终于在获奖名 单上划去了。
2） 为什么在光电效应中不考虑动量守恒？ 在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，
光子能量低，电子与整个原子的联系不能忽略，
原子也要参与动量交换， 光子 电子系统动量 不守恒。又因原子质量较大，能量交换可忽略， ∴光子 电子系统能量仍可认为是守恒的。
3） 为什么可见光观察不到康普顿效应？ 因可见光光子能量不够大，原子内的电子不
h0m 0c2hm2c
h 0
c e0
e0
动量守恒
《量子光学》教学大纲
量子光学16学时/ 1学分英文译名：Quantum Optics适用领域：光学，光学工程教学目的：量子光学是描述激光与物质相互作用的一个新兴光学分支，通过讲授光场中二能级原子的密度矩阵方程，Maxwell-Bloch方程，光场中二能级原子的布洛赫方程，光场的量子化；光学孤子，光学自感应透明，光纤光孤子的产生，光孤子的传输系统；以及激光抽运，激光冷却，量子信息传递等技术使学生对光与物质的相互作用有深入的认识。
教学方式及学时分配：课堂授课12学时、查阅文献4学时教学主要内容及对学生的要求:先修知识：波动光学，量子力学，激光原理学习内容：本课程从激光与原子相互作用的角度出发，系统地介绍研究光子对原子外层电子的作用的基本原理及方法。
其中包括：密度矩阵方程，Maxwell-Bloch方程，光场中二能级原子的布洛赫方程，光场的量子化理论。
要求学生了解量子光学的研究内容和实际应用，为将来从事原子光学的研究提供必要的理论基础。
内容摘要：辐射场与原子相互作用的经典理论包括电偶极子的自发辐射，受迫振动、原子的吸收和色散，原子的谱线宽度，Do叩ler频移及增宽和渡越增宽。
用简化的光场中的二能级原子模型，推导出原子与光场相互作用的经典理论，光场中二能级原子的波函数，光场中二能级原子的密度矩阵方程，Maxwell-Bloch方程，光场中二能级原子的布洛赫方程，原子与光场相互作用产生Rabi振荡以及光场的量子化，二能级系统原子和光场相互作用的哈密顿算符等量子光学的基本理论。
量子光学的应用包括瞬态相干的光学现象(包括：光学章动、光子回波和光学自感应透明)，光学孤子的基本概念，光纤光孤子的产生，光孤子的传输系统等等；量子光学的最新进展方面含有激光抽运，激光冷去电磁感应透明(EIT),相干布局数囚禁(CPT)以及量子信息传递等技术。
考核方式：论文主要参考书目：1.沈柯编著，《量子光学导论》，北京理工大学出版社，1995年9月第一版2.郭光灿著，《量子光学》，高等教育出版社，1990年。
大学物理完整ch16量子力学基础-
2 、里兹组合原则
其他元素的光谱也可用两光谱项之差表示其波数，即：
~T (m )T (n )
前项参数的 m 值对应着谱线系。后项参数n 的值对应着各谱线系中的光谱系。
3 、卢瑟福原子核式模型 原子中的全部正电荷和几乎全部质量都集中
在原子中央一个很小的体积内，称为原子核，原 子中的电子在核的周围绕核作圆周运动。
波尔理论的缺陷在于没有完全摆脱经典物 理的束缚。一方面他把微观粒子看作经典力学 的质点。另一方面，又人为地加上一些与经典 不相容的量子化条件来限定稳定状态的轨道。
1929诺贝尔物理学奖
L.V.德布罗意 电子波动性的理论
研究
1937诺贝尔物理学奖
C.J.戴维孙 通过实验发现晶体
对电子的衍射作用
普朗克提出的量子假设不仅成功地解决了黑 体辐射的“紫外灾难”的难题，而且开创了物理 学研究的新局面，为量子力学的诞生奠定了基础。
1921诺贝尔物理学奖
• A.爱因斯坦 • 对现物理方面的贡
献，特别是阐明光 电效应的定律
16-2 光的量子性 一、光子理论
爱因斯坦的光子理论（光子假设）： 光是以光速运动的光量子流（简称光子流），
mT b
b2.891 8 03mK— 维恩常数
m 当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度
峰值波长
最大值向短波方向移动。
1918诺贝尔物理学奖
M.V.普朗克 研究辐射的量子理 论，发现基本量子 ，提出能量量子化 的假设
二、普朗克量子假设
瑞利和金斯公式：
MB
2ckT 4
按瑞利和金斯公式计算所得的曲线在长波区与
2、 波函数的统计解释
粒子运动状态的波函数的模的平方代表着微 观粒子在空间某点出现的概率密度（空间某点单 位体积内发现粒子的概率）。
其他元素的光谱也可用两光谱项之差表示其波数，即：
~T (m )T (n )
前项参数的 m 值对应着谱线系。后项参数n 的值对应着各谱线系中的光谱系。
3 、卢瑟福原子核式模型 原子中的全部正电荷和几乎全部质量都集中
在原子中央一个很小的体积内，称为原子核，原 子中的电子在核的周围绕核作圆周运动。
波尔理论的缺陷在于没有完全摆脱经典物 理的束缚。一方面他把微观粒子看作经典力学 的质点。另一方面，又人为地加上一些与经典 不相容的量子化条件来限定稳定状态的轨道。
1929诺贝尔物理学奖
L.V.德布罗意 电子波动性的理论
研究
1937诺贝尔物理学奖
C.J.戴维孙 通过实验发现晶体
对电子的衍射作用
普朗克提出的量子假设不仅成功地解决了黑 体辐射的“紫外灾难”的难题，而且开创了物理 学研究的新局面，为量子力学的诞生奠定了基础。
1921诺贝尔物理学奖
• A.爱因斯坦 • 对现物理方面的贡
献，特别是阐明光 电效应的定律
16-2 光的量子性 一、光子理论
爱因斯坦的光子理论（光子假设）： 光是以光速运动的光量子流（简称光子流），
mT b
b2.891 8 03mK— 维恩常数
m 当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度
峰值波长
最大值向短波方向移动。
1918诺贝尔物理学奖
M.V.普朗克 研究辐射的量子理 论，发现基本量子 ，提出能量量子化 的假设
二、普朗克量子假设
瑞利和金斯公式：
MB
2ckT 4
按瑞利和金斯公式计算所得的曲线在长波区与
2、 波函数的统计解释
粒子运动状态的波函数的模的平方代表着微 观粒子在空间某点出现的概率密度（空间某点单 位体积内发现粒子的概率）。
量子光学讲稿(2012.4)
《量子光学》讲稿
姓名： 学院：
王成志 物理与电子科学学院
长
沙
理
工
大
学
目
录
前言 第 1电 章磁 场 的量子化 § 1.1 真空中的经典电磁场 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 1.2 电磁场的量子化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 1.3 算符代数的某些定理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 2几 章种 重 要的光场态 § 2.1 光场的粒子数态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 2.2 光场的相干态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 2.3 光场的压缩态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 3光 章场 与 原子的相互作 用 § 3.1 光场与原子的相互作用哈密顿量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 3.2 量子化光场与原子的相互作用哈密顿量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 3.3 J–C模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
姓名： 学院：
王成志 物理与电子科学学院
长
沙
理
工
大
学
目
录
前言 第 1电 章磁 场 的量子化 § 1.1 真空中的经典电磁场 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 1.2 电磁场的量子化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 1.3 算符代数的某些定理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 2几 章种 重 要的光场态 § 2.1 光场的粒子数态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 2.2 光场的相干态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 2.3 光场的压缩态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 3光 章场 与 原子的相互作 用 § 3.1 光场与原子的相互作用哈密顿量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 3.2 量子化光场与原子的相互作用哈密顿量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 3.3 J–C模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
高考物理一轮复习 第16章 量子论初步章末整合课件 人教大纲版
A．氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出γ射线 B．氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时会辐射出紫外线 C．在水中传播时，a光较b光的速度小 D．氢原子在n＝2的能级时可吸收(xīshōu)任意频率的光而发生电离 解析：γ射线是原子核受激发而产生，故A项错误；从n＝4向n＝3能级跃迁时辐射光 子的能量小于从n＝3向n＝2能级跃迁时辐射光子的能量，而紫外线的能量大于可见 光，所以B项错误；由氢原子能级图知，a光子的能量Ea＝hva大于b光子的能量Eb＝ hvb，故va>vb，而光子频率越大，在介质中的折射率越大，折射率越大，在同种介 质中传播时传播速度越小，C项正确；氢原子在n＝2能级上需要吸收(xīshōu)大于ΔE ＝3.4 eV的光子能量才可以发生电离，故D项错误． 答案：C
章末整合
第一页，共11页。
1．(2007·四川理综，19)两种单色光a和b，a光照射某金属时有光电子逸出，b光照射 该金属时没有(méi yǒu)光电子逸出，则( )
A．在真空中，a光的传播速度较大
B．在水中，a光的波长较小
C．在真空中，b光光子的能量较大
D．在水中，b光的折射率较小
第二页，共11页。
第十页，共11页。
6．(2007·上海单科，8)光通过各种不同的障碍物后会产生各种不同的衍射条纹，衍 射条纹的图样与障碍物的形状相对应，这一现象说明( )
A．光是电磁波
B．光具有波动性
C．光可以携带信息
D．光具有波粒二象性
解析：衍射现象是光特有(tè yǒu)的属性，故B正确．衍射条纹的图样与障碍物的 形状相对应，说明光可以携带信息，故C正确．
第七页，共11页。
解析：本题考查氢原子光谱及玻尔原子结构理论．原子光谱都是线状谱，A项错 误．根据玻尔原子结构理论，氢原子能级是分立的(能级量子化)，氢原子光谱是氢原 子由能量较高的激发态向能量较低的激发态(或基态)跃迁时发出的，由hv＝Em－En 知，发出光子的频率(pínlǜ)由两个能级差决定，所以氢原子只能发出某些特定频率 (pínlǜ)的光，B、C项正确，D项错误． 答案：BC
《量子光学》PPT课件_OK
13
一般辐射的复杂性
14
黑体
15
*绝对黑体：能100%吸收投射在它上面的外来辐射。
为什么引入绝对黑体模型？
O
*基尔霍夫定律
实验表明：经过一段时间后容器内
ab cd
物体达到相同温度,即处于热平衡态. 这表明:容器内的每一个物体单位时
a,b,c,d 是四个 温度不同的物体 封闭在真空容器 中它们只能通过 热辐射交换能量
贝尔物理学奖.
普朗克在处理绝对黑体的热辐射问题上，其方法是十分
成功的。但是还存在着一个需要解决的矛盾，
思考：是什么矛盾？
35
辐射体与辐变化.
爱因斯坦看到了这种不协调，于1905年提出电磁场 能量量子化假设，从而揭露了光的波粒二象性。
当人们面对普朗克提出“能量子”这个史无前例的全新 概念还无法接受之时，爱因斯坦却应用并推广了普朗克 的量子概念，进一步提出了辐射场能量量子化的设想， 即电磁波是由“光量子”构成的（普朗克的“能量子” 和爱 因斯坦的“光量子”后来被统一命名为“光子”）。 根据“光量子”的假设，很成功地解释了光电效应的实 验规律。
•生物物理
•有机体遗传程序的研究（须运用量子 力学、统计物理、X射线、电子能谱 和核磁共振技术等）。 •非平衡热力学及统计物理
原子是构成物质的基本单元； 能量是连续变化的。
4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题
•1887年的迈克耳孙—莫雷实验否定了绝对参考系的存在；
•1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓
新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量 子力学理论.
量子力学
微观世界的理论
起源于对波粒二相性的认识
一般辐射的复杂性
14
黑体
15
*绝对黑体：能100%吸收投射在它上面的外来辐射。
为什么引入绝对黑体模型？
O
*基尔霍夫定律
实验表明：经过一段时间后容器内
ab cd
物体达到相同温度,即处于热平衡态. 这表明:容器内的每一个物体单位时
a,b,c,d 是四个 温度不同的物体 封闭在真空容器 中它们只能通过 热辐射交换能量
贝尔物理学奖.
普朗克在处理绝对黑体的热辐射问题上，其方法是十分
成功的。但是还存在着一个需要解决的矛盾，
思考：是什么矛盾？
35
辐射体与辐变化.
爱因斯坦看到了这种不协调，于1905年提出电磁场 能量量子化假设，从而揭露了光的波粒二象性。
当人们面对普朗克提出“能量子”这个史无前例的全新 概念还无法接受之时，爱因斯坦却应用并推广了普朗克 的量子概念，进一步提出了辐射场能量量子化的设想， 即电磁波是由“光量子”构成的（普朗克的“能量子” 和爱 因斯坦的“光量子”后来被统一命名为“光子”）。 根据“光量子”的假设，很成功地解释了光电效应的实 验规律。
•生物物理
•有机体遗传程序的研究（须运用量子 力学、统计物理、X射线、电子能谱 和核磁共振技术等）。 •非平衡热力学及统计物理
原子是构成物质的基本单元； 能量是连续变化的。
4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题
•1887年的迈克耳孙—莫雷实验否定了绝对参考系的存在；
•1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓
新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量 子力学理论.
量子力学
微观世界的理论
起源于对波粒二相性的认识
电子科大大学物理期末疑难
电子绕核作圆周运动，但其轨道角动量L决定于 下述条件:
L mr n 量子数n=1,2,… (16-9)
式中： h
2
15
(3)量子跃迁假设
原子从定态Ｅn跃迁到Ｅk发出(或吸收)光的频率
由下式决定:
h En Ek
En Ek h
(16-10)
四.玻尔的氢原子理论
m mo
c=
12 / c2
解得：
o
2h moc
sin2
θ 2
(16-7)
11
例题16-8 将波长o =0.03Å的X射线投射到石墨 上, 测得反冲电子的速度 =0.6c, 求: (1)电子因散射而 获得的能量是静能的几倍? (2)散射光子的波长=?波
长改变量为多少？
解 (1)反冲电子的能量:
U
当反向电压达到某一值时, 光电子全部不能达到阳极, 没有光电流.
这一反向电压称为遏止 电压,Ua表示.
图16-1
1 2
mυ2
eU a
(16-1)
4
四.光子理论解释光电效应 1 按光子理论,要产生光电效应,需有光电子逸出.
1 m 2 0
2
min
A
h 0
h A
A
h
当入射光的频率 0时,方能产生光电效应.
(2)此金属的逸出功及遏止电势差。
解 (1) E = h = hc/
E m c2 =h/ c
p =mc =h/
(2) hc 1 mυ2 A 2
R mυ , υ ReB
eB
m
hc R2e2B2 A
2m
8
大学物理16量子
第十六章 量子物理基础
§16-2 光电效应
(3)电子吸收光波能量只 光电子是即时发 有到一定量值时，才 射的
会从金属中逸出
三、爱因斯坦光子理论
1905年爱因斯坦提出光子假说：
一束光就是一束以光速运动的粒子流
，这些粒子称为光子。频率为 的光的 每一光子具有能量h
第十六章 量子物理基础
§16-2 光电效应
----“紫外灾难”
维恩线
经典物理学的推导均与实验不符
第十六章 量子物理基础
§16-1 热辐射
四、普朗克公式 1.普朗克的经验公式
德国物理学家普朗克综合维恩和瑞利金斯公式，提出
M B (T )
C1
5
eC 2
1
/ T
1
C1和C2分别为第一和第二辐射常数 该结果与实验结果惊人地相符
第十六章 量子物理基础
0
0
450
900
1350
第十六章 量子物理基础
§16-3 康普顿效应
(3)同一衍射角下，所 有散射物质，波长的 偏移 都相同，但原
波长的谱线强度随散 射物质的原子序数的 增大而增加，新波长 的谱线强度随之减小
第十六章 量子物理基础
§16-3 康普顿效应
二、光子理论的解释
经典波动理论：
M B (T )
C1
5
eC 2
1
/ T
1
2hc2
1
M B (T ) 5 ehc/ kT 1
----普朗克公式
C1 2hc2 3.74177491016 W m2
C2 hc k 1.438769102 m K
第十六章 量子物理基础
§16-1 热辐射
大物第16章 量子物理基础
E
T R 1
U0 ⅡⅢ
B3 = 0 0a
入射粒子一部分透射到达III 区，另一部分被势垒反射回I 区
讨论 (1)E > U0 , R≠0, 即使粒子总能量大于势垒高度，入射粒子并非
全部透射进入 III 区,仍有一定概率被反射回 I 区。
(2)E < U0 , T≠0, 虽然粒子总能量小于势垒高度，入射粒子仍 可能穿过势垒进入 III 区 — 隧道效应
电子绕核转动的角动量 L 的大小 L l(l 1)
角量子数 l = 0 ，1 ，2 ， …… , n-1
通常用 s, p, d, f , 代表 l 0,1,2,3,等各个状态
3. 角动量空间量子化
波函数指出
电子云的转动具有角动量量子化； 角动量的空间取向也是量子化的。
电子云转动相 当于一圆电流
的单位体积中出现的概率，又称为概率密度
1. 时刻 t , 粒子在空间 r 处 dV 体积内出现的概率
dW |Ψ(r,t) |2 dV Ψ(r,t)Ψ*(r,t)dV
2. 归一化条件 (粒子在整个空间出现的概率为1)
|Ψ(r,t) |2dxdydz 1
3. 波函数必须单值、有限、连续
概率密度在任一处都是唯一、有限的, 并在整个空间内连续
2 2m
2 x 2
2 y 2
2 z 2
V
(r ,
t)(r ,
t
)
i
(r , t)
t
粒子在稳定力场中运动，势能函数 V ( r ) 、能量 E 不随时
间变化，粒子处于定态，定态波函数写为
由上两式得
Ψ(r,
t
)
i Ψ(r )e
E
t
大学物理量子物理课件
2
c
sin
2
θ
2
其= 中 λc h= / m0c 0.0024 nm（电子的康普顿波长）
∆λλ=λλ −
0=
2
c
sin
2
θ
2
= λc h= / m0c 0.0024 nm
结论： 1. 波长的改变量 ∆λ 与散射角θ有关，散
射角θ 越大， ∆λ 也越大。
2. 波长的改变量∆λ与入射光的波长无关。
问题：为什么在可见光的散射实验中我们没有看到 康普顿效应呢？用x射线是否能看到？
通有电流的电炉丝
热辐射频谱分布曲线 λ
总结：(热辐射的特点) (1) 连续； (2) 频谱分布随温度变化； (3) 温度越高,辐射越强； (4) 物体的辐射本领与温度、材料有关； 辐射本领越大，吸收本领也越大.
通有电流的灯丝 不同温度的铆钉
二、黑体和黑体辐射的基本规律
1. 黑体（绝对黑体） 能完全吸收各种频率的电磁波而无反射的物体,称为黑体。
§16.1 热辐射 普朗克能量子假设
主要内容：
1. 热辐射现象 2. 黑体辐射的规律 3. 普朗克公式和能量量子化假设
一、热辐射 物体内的分子、原子受到热激 发而发射电磁辐射的现象。
物体辐射总能量及能量按波长 分布都决定于温度
例如：加热铁块
（人头部热辐射像）
800K 1000K 1200K 1400K
I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多.
光电子最大初动能和光频率 ν 成线性关系.
光频率ν > A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出 ( ν o= A/h) .
电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累.
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
但实验结果是光电子的初动能与入射光强无关，而与入 射光的频率成线性关系。 同时，只要入射光强足够大(入射能量足够多)，金属中 的电子就能从光波中吸收足够的能量并积累到一定量值 而逸出金属表面，根本不应存在红限频率。
但实验指出，当入射光的频率小于某一频率o时, 无论
入射光强如何, 都没有光电子从金属中逸出(即没有光电流)。 其次，按照波动理论，能量的积累是需要一定时间的。
2
第 16 章
量子光学基础
(fundament of quantum optics)
(6)
3
本章内容提要： •光电效应及爱因斯坦的光子理论 •康普顿效应 •玻尔氢原子理论 •激光和激光器原理
*§16-1 热辐射与普朗克能量子假说 §16-2 光 子
一.光电效应和其实验定律
4
一 光电效应现象与实验:
量子物理学
牛顿力学、热学、电磁学和波动学，统称经典物 理学。经典物理学研究的基本上是宏观领域的物理现 象。
经典物理学虽然在宏观领域取得了巨大的成功， 但有它的局限性。
相对论指出了经典物理学的第一个局限性不适用 高速运动领域。
量子物理学指出了经典物理学的第二个局限性不 适用于电子、原子、分子等微观领域。
实验指出,不同金属物质具有不同的红限频率。
4.立即发射，时延不超过10-9s。
•波动说的解释 以上实验结果是光的经典波动图像无法解释的。
按照光的波动说,金属在光的照射下,其中的电子受到 电磁波中电场作用而作受迫振动,吸收光波的能量,从而逸 出金属表面。
9
按照这种受迫振动的理论，光强愈大，受迫振动的振幅 愈大，发射出的光电子的初动能就应愈大。
光电子不会立即发射。 理论计算表明,在功率为1mW的入射光照射下,逸出功
为1eV的金属，从光开始照射到释放出电子,大约要等待 16min,这同光电效应瞬时响应的实验结果完全不符合。
10
三.爱因斯坦光子理论 1.爱因斯坦光子假设
A 光在空间中传播时,也具有粒子性. (大胆的假设!)
一束光就是以光速c运动的粒子流，这种粒子称为光子。 B 不同频率的光,其光子的能量不同.
Is;
Is
光频率一定 光强较大
光强较小
-
IA
-Ua
o
U
图16-2
K
A U
电源
图16-1 8
2.光电子的初动能随入射光的频率线性增加，与 入射光的强度无关。
3.存在红限 实验指出,对一给定的金属, 当入射光的频率小于某
一频率o时, 无论入射光强如何, 都没有光电子从金属中 逸出(即没有光电流)。这一频率o称为光电效应的红限频率。
相对论和量子物理学统称近代物理学。
1
从经典物理学到近代物理学，不仅仅是尺度上的 问题，而是一次物理观念的革命，是人们认识物质世 界的一次飞跃。
量子物理学研究的对象是微观粒子(如电子、原 子、分子等)。而微观粒子往往有我们意想不到的性 质。
这其中最主要和最普遍的是微观粒子的量子性和 波动性。
量子 不连续。
吸收一个光子能量.无需能量积累时间 因此,光电效应应该是瞬时效应.
3 由光子方程, 1 m 2 h A
知道:
1
m
2
2与成线性关系
1
m
2
2 与光子数N无关,
1 m 2与入射光强度无关.
2
2
4 在满足红限频率的条件下,光强大,光子数多.因而吸
收光子能量成为光电子的数目多,饱和电流大.
因此,饱和光电流和入射光强成正比.
-
A A
U I
不加电压,还是有光电流. 说明光电子有初速度.
K
6
加反向电压, 光电流减小.
E
-F
AA
K
U
当反向电压达到某一值时, 光电子全部不能达到阳极, 没有光电流.
这一反向电压称为遏止 电压,Ua表示.
图16-1
1 2
mυ2
eU a
(16-1)
7
二 实验规律:
I
1.饱和电流强度与光强成正比 (光的频率一定)
当光照射在阴极K(金属)时,就有电子从阴极从表 面逸出. 这一现象称作光电效应现象. 这种电子叫光电子.
在电场的作用下,光电子由K奔向阳极A,形成光电流.
F-
AA
K
U
I
调节滑动变阻器,使 加速电压增大,光电 流增大.
当加速电压增加到 一定值时,光电流达 到一饱和值Is 。
I电流 NesV
5
图16-1
频率为的光的光子能量为
E =h
(16-2)
式中, h= 6.63×10-34 J·s，是普朗克常数。
按此假说,一束光有N个光子，则该束光的光强
I光强 Nh
11
按照光子假说： a 光经过单缝衍射后,在光屏上的光强分布曲线就可以 理解为光子的堆积曲线.
在中央明条纹内,光子堆积的数目多 b 光与物质间进行的能量交换是以光子能量(h)为交换 单位.
1 m 2 0
2
min
A
h 0
h A
A
h
当入射光的频率 0时,方能产生光电效应.注意Biblioteka A B0 0A
hc
0
A h 0 是一个常用的式子.
称为光电效应的红限波长.
当入射光波长 0时,才能发生光电效应.
h 1 m 2 A
2
(2131-3)
2 当光子的能量 h A时,金属中的束缚电子一次性
小结: 光子理论完全成功地解释了光电效应的实验规律
光电效应证明了光子假设的正确性. 14
五 光的波粒二象性 光具有干涉,衍射现象,说明光是一种波. 光电效应又显示光具有粒子性. 因此,光具有波粒二象性.光既是粒子又是波. 在光的传播过程中,主要表现出波动性;当光和其他物质 作用时,主要表现为粒子性.
描写光的波动性质的物理量是: 和
描写光的粒子性质的物理量是: 能量 E 质量m 动量p
15
光的二象性之间的联系:
E =h =hc/
m
E c2
h
c2
h
c
静质量：mo=0
(16-5)
p mc h (16-6)
E mc2
m mo
2
1 c2
(光子的速度 =c)
16
光电效应的常用公式小结:
h 1 m 2 A
2 爱因斯坦光子方程
当光和金属相互作用时,金属中的束缚电子吸收一个 光子的能量后,一部分用于从金属表面逸出时所需要的 逸出功,其余部分能量成为光电子的初动能.
h 1 m 2 A
2
(16-3)
上式称为爱因斯坦光子方程. 此过程遵守能量守恒.
12
四.光子理论解释光电效应 1 按光子理论,要产生光电效应,需有光电子逸出.
2
逸出功：
A
ho
hc o
(21-4)
1 2
m 2
eU a c
h
c
A
h
h 0
h h
0
17
例题16-1 已知铯的红限波长o=6500Å, 今有波长 为 =4000Å的光投射到铯表面,试问:
但实验指出，当入射光的频率小于某一频率o时, 无论
入射光强如何, 都没有光电子从金属中逸出(即没有光电流)。 其次，按照波动理论，能量的积累是需要一定时间的。
2
第 16 章
量子光学基础
(fundament of quantum optics)
(6)
3
本章内容提要： •光电效应及爱因斯坦的光子理论 •康普顿效应 •玻尔氢原子理论 •激光和激光器原理
*§16-1 热辐射与普朗克能量子假说 §16-2 光 子
一.光电效应和其实验定律
4
一 光电效应现象与实验:
量子物理学
牛顿力学、热学、电磁学和波动学，统称经典物 理学。经典物理学研究的基本上是宏观领域的物理现 象。
经典物理学虽然在宏观领域取得了巨大的成功， 但有它的局限性。
相对论指出了经典物理学的第一个局限性不适用 高速运动领域。
量子物理学指出了经典物理学的第二个局限性不 适用于电子、原子、分子等微观领域。
实验指出,不同金属物质具有不同的红限频率。
4.立即发射，时延不超过10-9s。
•波动说的解释 以上实验结果是光的经典波动图像无法解释的。
按照光的波动说,金属在光的照射下,其中的电子受到 电磁波中电场作用而作受迫振动,吸收光波的能量,从而逸 出金属表面。
9
按照这种受迫振动的理论，光强愈大，受迫振动的振幅 愈大，发射出的光电子的初动能就应愈大。
光电子不会立即发射。 理论计算表明,在功率为1mW的入射光照射下,逸出功
为1eV的金属，从光开始照射到释放出电子,大约要等待 16min,这同光电效应瞬时响应的实验结果完全不符合。
10
三.爱因斯坦光子理论 1.爱因斯坦光子假设
A 光在空间中传播时,也具有粒子性. (大胆的假设!)
一束光就是以光速c运动的粒子流，这种粒子称为光子。 B 不同频率的光,其光子的能量不同.
Is;
Is
光频率一定 光强较大
光强较小
-
IA
-Ua
o
U
图16-2
K
A U
电源
图16-1 8
2.光电子的初动能随入射光的频率线性增加，与 入射光的强度无关。
3.存在红限 实验指出,对一给定的金属, 当入射光的频率小于某
一频率o时, 无论入射光强如何, 都没有光电子从金属中 逸出(即没有光电流)。这一频率o称为光电效应的红限频率。
相对论和量子物理学统称近代物理学。
1
从经典物理学到近代物理学，不仅仅是尺度上的 问题，而是一次物理观念的革命，是人们认识物质世 界的一次飞跃。
量子物理学研究的对象是微观粒子(如电子、原 子、分子等)。而微观粒子往往有我们意想不到的性 质。
这其中最主要和最普遍的是微观粒子的量子性和 波动性。
量子 不连续。
吸收一个光子能量.无需能量积累时间 因此,光电效应应该是瞬时效应.
3 由光子方程, 1 m 2 h A
知道:
1
m
2
2与成线性关系
1
m
2
2 与光子数N无关,
1 m 2与入射光强度无关.
2
2
4 在满足红限频率的条件下,光强大,光子数多.因而吸
收光子能量成为光电子的数目多,饱和电流大.
因此,饱和光电流和入射光强成正比.
-
A A
U I
不加电压,还是有光电流. 说明光电子有初速度.
K
6
加反向电压, 光电流减小.
E
-F
AA
K
U
当反向电压达到某一值时, 光电子全部不能达到阳极, 没有光电流.
这一反向电压称为遏止 电压,Ua表示.
图16-1
1 2
mυ2
eU a
(16-1)
7
二 实验规律:
I
1.饱和电流强度与光强成正比 (光的频率一定)
当光照射在阴极K(金属)时,就有电子从阴极从表 面逸出. 这一现象称作光电效应现象. 这种电子叫光电子.
在电场的作用下,光电子由K奔向阳极A,形成光电流.
F-
AA
K
U
I
调节滑动变阻器,使 加速电压增大,光电 流增大.
当加速电压增加到 一定值时,光电流达 到一饱和值Is 。
I电流 NesV
5
图16-1
频率为的光的光子能量为
E =h
(16-2)
式中, h= 6.63×10-34 J·s，是普朗克常数。
按此假说,一束光有N个光子，则该束光的光强
I光强 Nh
11
按照光子假说： a 光经过单缝衍射后,在光屏上的光强分布曲线就可以 理解为光子的堆积曲线.
在中央明条纹内,光子堆积的数目多 b 光与物质间进行的能量交换是以光子能量(h)为交换 单位.
1 m 2 0
2
min
A
h 0
h A
A
h
当入射光的频率 0时,方能产生光电效应.注意Biblioteka A B0 0A
hc
0
A h 0 是一个常用的式子.
称为光电效应的红限波长.
当入射光波长 0时,才能发生光电效应.
h 1 m 2 A
2
(2131-3)
2 当光子的能量 h A时,金属中的束缚电子一次性
小结: 光子理论完全成功地解释了光电效应的实验规律
光电效应证明了光子假设的正确性. 14
五 光的波粒二象性 光具有干涉,衍射现象,说明光是一种波. 光电效应又显示光具有粒子性. 因此,光具有波粒二象性.光既是粒子又是波. 在光的传播过程中,主要表现出波动性;当光和其他物质 作用时,主要表现为粒子性.
描写光的波动性质的物理量是: 和
描写光的粒子性质的物理量是: 能量 E 质量m 动量p
15
光的二象性之间的联系:
E =h =hc/
m
E c2
h
c2
h
c
静质量：mo=0
(16-5)
p mc h (16-6)
E mc2
m mo
2
1 c2
(光子的速度 =c)
16
光电效应的常用公式小结:
h 1 m 2 A
2 爱因斯坦光子方程
当光和金属相互作用时,金属中的束缚电子吸收一个 光子的能量后,一部分用于从金属表面逸出时所需要的 逸出功,其余部分能量成为光电子的初动能.
h 1 m 2 A
2
(16-3)
上式称为爱因斯坦光子方程. 此过程遵守能量守恒.
12
四.光子理论解释光电效应 1 按光子理论,要产生光电效应,需有光电子逸出.
2
逸出功：
A
ho
hc o
(21-4)
1 2
m 2
eU a c
h
c
A
h
h 0
h h
0
17
例题16-1 已知铯的红限波长o=6500Å, 今有波长 为 =4000Å的光投射到铯表面,试问: