第七章光的量子性

1、從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述 物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學物理學經(jīng)典物理經(jīng)典物理現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理力學力學熱學熱學電磁學電磁學光學光學相對論相對論量子論量子論非線性非線性時間時間 t關(guān)關(guān)鍵鍵概概念念的的發(fā)發(fā)展展力學力學電磁學電磁學熱學熱學相對論相對論量子論量子論1600 1700 1800 19007.1 7.1 光速及其測定光速及其測定一、真空中的光速一、真空中的光速1、理論值：skmc/500.792,2991002、測量值：skmc/)001. 0458.792,299(二、測量方法二、測量方法最可靠值1、天文學方法：、天文學方

2、法：（羅默，1676年）：skmc/000,215天文學方法受觀測精度的影響，精度很低。（布喇法雷，1728年）：skmc/000,303光速的實驗室測量方法 光速的測定包含著對光所通過的距離和所需時間的量度，由于光速很大，所以必須測量一個很長的距離和一個很短的時間，實驗室測量法就是圍繞著如何準確測定距離和時間而設(shè)計的各種方法 世界上最早用實驗方法測定光速的是伽利略。他在1607年做了一個實驗。當時，他叫甲乙兩個人在夜間各帶一只燈，分立在兩個山頂上，甲先迅速取去燈罩對乙發(fā)出信號，乙在看到信號后，立即取去燈罩，對甲發(fā)出信號。兩山的距離和光往返的時間來計算光速。由于當時的技術(shù)條件限制，測得的光速很

3、不精確。（Galileo Galilei，1564-1642），意大利物理學家、天文學家和哲學家，近代實驗科學的先驅(qū)者。 齒輪法 1849年德國物理學家菲索用“齒輪法”測出光速 齒輪的齒數(shù)已知，測出齒輪的轉(zhuǎn)速，可算出齒輪轉(zhuǎn)過一個齒的時間t，再測出M、N間的距離，就可以算出光速。菲索當時測得空氣中的光速：c315300千米秒。 后來，法國科學家傅科用一只旋轉(zhuǎn)的鏡子測定光速。他讓鏡子以一定的速度轉(zhuǎn)動，使它在光線發(fā)出并從一面靜止鏡子反射回來這段時間內(nèi)，恰好旋轉(zhuǎn)一周。 在光速測定的研究中，他是采用旋轉(zhuǎn)平面鏡的方法來測量光速的。其測得的光速為29.8107米/秒，并分析實驗誤差不可能超過5105米/秒。

4、 （Jean Bernard Leon Foucault 18191868）法國實驗物理學家 旋轉(zhuǎn)鏡法l邁克耳遜的旋轉(zhuǎn)鏡法用一個正八面鋼質(zhì)棱鏡代替了旋轉(zhuǎn)鏡法中的旋轉(zhuǎn)平面鏡，從而光路大大的增長，并利用精確地測定棱鏡的轉(zhuǎn)動速度代替測齒輪法中的齒輪轉(zhuǎn)速測出光走完整個路程所需的時間，從而減少了測量誤差從1879年至1926年，邁克耳遜曾前后從事光速的測量工作近五十年，在這方面付出了極大的勞動 1926年他的最后一個光速測定值為 :c=299796km/s 隨著科學科技的不斷發(fā)展，人們不斷地改進實驗裝置和技術(shù)，20世紀60年代，激光器的出現(xiàn)，使光速的測定越發(fā)精確，1972年測定的光速值為299792公里

5、秒。目前國際計量委員會承認的光速是299792458米1.2米秒。光速的測定在光學的研究歷程中有著重要的意義。雖然從人們設(shè)法測量光速到人們測量出較為精確的光速共經(jīng)歷了三百多年的時間，但在這期間每一點進步都促進了幾何光學和物理光學的發(fā)展。7.2 經(jīng)典輻射定律經(jīng)典輻射定律化學發(fā)光化學發(fā)光：在輻射過程中物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生化學變化的；：在輻射過程中物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生化學變化的； 比如：燃燒比如：燃燒光致發(fā)光光致發(fā)光：用外來的光或任何其他輻射不斷地或預先地：用外來的光或任何其他輻射不斷地或預先地照射物質(zhì)而使之發(fā)光的；照射物質(zhì)而使之發(fā)光的； 比如：熒光、磷光比如：熒光、磷光場致發(fā)光場致發(fā)光：由電場作用引起輻射的過程；

6、：由電場作用引起輻射的過程； 比如：電弧放電、火花放電、輝光放電比如：電弧放電、火花放電、輝光放電陰極發(fā)光陰極發(fā)光：通過電子轟擊引起固體產(chǎn)生輻射的過程；：通過電子轟擊引起固體產(chǎn)生輻射的過程； 以上發(fā)光統(tǒng)稱為以上發(fā)光統(tǒng)稱為非熱輻射非熱輻射1. 熱輻射熱輻射熱輻射熱輻射:物體處于一定溫度的熱平衡狀態(tài)下的輻射物體處于一定溫度的熱平衡狀態(tài)下的輻射稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。熱輻射強度按波長(頻率)的分布和溫度有關(guān)， 高溫物體發(fā)出的是紫外光。熾熱物體發(fā)出的是可見光，低溫物體發(fā)出的是紅外光， 溫度 短波長的電磁波的比例 。任何物體（氣、液、固）在

7、任何溫度下，都會有熱輻射。熱輻射波譜是連續(xù)譜，各種波長(頻率)都有，但是強度不同。 例如加熱鐵塊，隨著溫度的升高: 開始不發(fā)光 黃白色橙色暗紅熱輻射紅外照相機拍攝的人的頭部的紅外照相機拍攝的人的頭部的熱圖熱圖 熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色熱輻射能量來自物體的熱運動（低溫，高溫）熱輻射能量來自物體的熱運動（低溫，高溫） 在任何溫度下（不是絕對零度）輻射連續(xù)光譜在任何溫度下（不是絕對零度）輻射連續(xù)光譜發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng) 發(fā)射本領(lǐng)（單色輻射出射度）：是用來發(fā)射本領(lǐng)（單色輻射出射度）：是用來描述輻射物體發(fā)射能量的能力的物理量。描述輻射物體發(fā)射能量的能力

8、的物理量。1ds (1)(1)單色輻射出射度單色輻射出射度單色輻出度：單色輻出度：溫度為溫度為T的熱輻射體，的熱輻射體，單位時間內(nèi)從物體單位面積向各個單位時間內(nèi)從物體單位面積向各個方向發(fā)射的、頻率在方向發(fā)射的、頻率在+范圍的能量為范圍的能量為: dTMdW),(ddWTM),(叫做物體在溫度為叫做物體在溫度為T時，發(fā)射頻率為時，發(fā)射頻率為的的單色輻射出射度。單色輻射出射度。其中，.),()(00dTMdWTM1ds.0:dWWdTA),().,(),(),(TfTATM),(Tf.1),(TAb),(),(),(),(TfTMTATMbbb 能全部吸收各種波長的電磁波而不發(fā)生反射能全部吸收各種

9、波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體稱為的物體稱為絕對黑體絕對黑體。 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看可近似看作作黑體黑體。在相同的溫度下，黑體的吸收本領(lǐng)最大，。在相同的溫度下，黑體的吸收本領(lǐng)最大，因而輻射本領(lǐng)也最大。因而輻射本領(lǐng)也最大。黑體模型黑體模型),(),(TfTMb1700K1500K1300K1100K)(),(12mcmJTM0 1 2 3 4 5 )( m絕對黑體的輻出度按波長分布曲線絕對黑體的輻出度按波長分布曲線 實驗曲線實驗曲線由實驗及理論都可以得到由實驗及理論都可以得到斯忒藩斯忒藩玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律00),()(dTMTM曲線下的

10、面積等于絕對黑體在一曲線下的面積等于絕對黑體在一定溫度下的輻射出射度定溫度下的輻射出射度即：即：),(TM)(0TM4281067. 5 KmW斯忒藩斯忒藩玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù) 400),()(TdTMTM維恩位移定律維恩位移定律: 維恩位移定律指出維恩位移定律指出：當絕對黑體的溫度升高時，：當絕對黑體的溫度升高時， 單色輻出度單色輻出度最大值最大值向短波方向移動。向短波方向移動。最大值所對應的波長為最大值所對應的波長為),(TMm 峰值波長峰值波長bTmKmb 31089. 2),(TMm 1400 K800 K1000 K1200 K固體在溫度升高時顏色的變化固體在溫度升高時顏色的變化

11、例子：低溫火爐輻射能集中在紅光。例子：低溫火爐輻射能集中在紅光。 高溫物體輻射能集中在綠、藍色。高溫物體輻射能集中在綠、藍色。應用：光測高溫計，測量發(fā)電廠爐內(nèi)溫度。應用：光測高溫計，測量發(fā)電廠爐內(nèi)溫度。問題：問題：如何從理論上找到符合實驗曲線的函數(shù)式如何從理論上找到符合實驗曲線的函數(shù)式 ？),(),(TfTMb 這個公式與實驗曲線短波長處符合得很好，這個公式與實驗曲線短波長處符合得很好，但在波長很長處與實驗曲線相差較大。但在波長很長處與實驗曲線相差較大。7- 3 普朗克輻射公式普朗克輻射公式 能量子能量子TcfcTMb55,kTcTMkTcTMbb4222),(2),(，或者 這個公式在波長很

12、長處與實驗曲線比較相近，這個公式在波長很長處與實驗曲線比較相近， 但在短波區(qū)，按此公式，但在短波區(qū)，按此公式， 將隨波長趨向?qū)㈦S波長趨向 于零而趨向無窮大的荒謬結(jié)果，即于零而趨向無窮大的荒謬結(jié)果，即“紫外災難紫外災難”。),(TMb 維恩公式和瑞利維恩公式和瑞利- -金斯公式都是用經(jīng)典物理學金斯公式都是用經(jīng)典物理學的方法來研究熱輻射所得的結(jié)果，都與實驗結(jié)果不的方法來研究熱輻射所得的結(jié)果，都與實驗結(jié)果不符，明顯地暴露了經(jīng)典物理學的缺陷。黑體輻射實符，明顯地暴露了經(jīng)典物理學的缺陷。黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中驗是物理學晴朗天空中一朵令人不安的烏云。一朵令人不安的烏云。 為了解決上述困難，普朗克提

13、出了一個著名的為了解決上述困難，普朗克提出了一個著名的能量子假設(shè)能量子假設(shè)。普朗克的量子假說普朗克的量子假說 普朗克公式普朗克公式 普朗克在能量子假說的基礎(chǔ)上，普朗克在能量子假說的基礎(chǔ)上，利用內(nèi)利用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長波插法將適用于短波的維恩公式和適用于長波的瑞利的瑞利- -金斯公式銜接起來，金斯公式銜接起來， 提出并確立了提出并確立了一個新的公式：一個新的公式：112),(52kThcbehcTMsJh34106260755. 6普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) ！ 這一公式稱為這一公式稱為普朗克公式。普朗克公式。它與實驗結(jié)它與實驗結(jié)果符合得好果符合得好 ！ 參見下圖。參見下圖。o實驗

14、值/m維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災災難難普普朗朗克克線線12345678),(TMb普朗克公式還可以用頻率表示為：普朗克公式還可以用頻率表示為：112),(23kThbechTM 普朗克得到上述公式后意識到，如果僅僅普朗克得到上述公式后意識到，如果僅僅是一個僥幸揣測出來的內(nèi)插公式，其價值只能是一個僥幸揣測出來的內(nèi)插公式，其價值只能是有限的。必須尋找這個公式的理論根據(jù)。他是有限的。必須尋找這個公式的理論根據(jù)。他經(jīng)過深入研究后發(fā)現(xiàn)：必須使諧振子的能量取經(jīng)過深入研究后發(fā)現(xiàn)：必須使諧振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。分立值，才能得到上述普朗克公式。能量子假說：能量子假說：1.

15、1.輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。振子可以發(fā)射和吸收輻射能。2.2.這些諧振子的能量不能連續(xù)變化（象經(jīng)典物理學所這些諧振子的能量不能連續(xù)變化（象經(jīng)典物理學所允許的可具有任意值）。只能取一些分立值，這些分允許的可具有任意值）。只能取一些分立值，這些分立值是某一最小能量立值是某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即稱為能量子）的整數(shù)倍，即：1, 2, 3, . 1, 2, 3, . n n。n n為正整數(shù)為正整數(shù), ,稱為稱為量子數(shù)量子數(shù)。 頻率為頻率為的諧振子最小能量為：的諧振子最小能量為：能量能量量子量子經(jīng)典經(jīng)典h 振子在輻射或吸收能量時，從一個狀態(tài)躍遷到振子在輻射或吸收能量時，從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)。在能量子假說基礎(chǔ)上，普朗克由玻另一個狀態(tài)。在能量子假說基礎(chǔ)上，普朗克由玻爾茲曼分布律和經(jīng)典電動力學