《量子物理学》课程电子教案（PPT教学课件）第21章 量子光学基础 fundament of quantun optics（21.3-21.7）

子物理学 牛顿力学、热学、电磁学和波动学,统称经典物理 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一不适用 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一不 适用于电子、原子、分子等微观领域。 相对论和量子物理学统称近代物理学

1 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。 相对论和量子物理学统称近代物理学

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。 量子一不连续

2 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

第?1章 光学基础 (fundament of quantun optics) (6)

3 第 21 章 (fundament of quantun optics) (6) 量子光学基础

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 ☆§21-1热帮射 §21-2普朗克量子假说 §21-3光子 光电效应的实验定律

4 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 一.光电效应的实验定律 *§21-1 热辐射 *§21-2 普朗克能量子假说 §21-3 光 子

l饱和电流强度与光强成正比 实验发现,当入射光频率一定时,光电流I和两极间 电压U的关系如图21-2所示。当加速电压增加到一定 值时光电流达到一饱和值/。实验还表明:饱和电流 值和光强成正比。 光强较大 光强较小 A 图21-1 电源 U. O 图21-2

5 1.饱和电流强度与光强成正比 实验发现,当入射光频率一定时,光电流I和两极间 电压U的关系如图21-2所示。 图21-2 -Ua U I o 光强较大 光强较小 Is 当加速电压增加到一定 值时,光电流达到一饱和值Is 。实验还表明: 饱和电流 值Is和光强成正比。 - I A U 电源 图21-1 A K

从图21-2的实验曲线可以看出,加速电压为零时, 光电流并不为零。仅当加以反向电压U时,光电流才 等于零。这一电压值U称为截止电压(又称遏止电压) 显然 m02=eU(21-1) 光强较大 光强较小 A 图21-1 电源 U 图 21-2

6 从图21-2的实验曲线可以看出，加速电压为零时， 光电流并不为零。仅当加以反向电压Ua时,光电流才 等于零。这一电压值Ua称为截止电压(又称遏止电压)。 显然 图21-2 -Ua U I o 光强较大 光强较小 Is a mυ = eU 2 2 1 (21-1) A U 电源 图21-1 - I A K

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 频率v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v称为光电效应的 红限频率。实验指出,不同物质具有不同的红限频率。 4立即发射,时延不超过10 ●波动说的困难 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

7 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。实验指出,不同物质具有不同的红限频率。 4.立即发射，时延不超过10-9 s。 •波动说的困难 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

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。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 定量值而逸出金属表面,根本不应存在红限。但实验 指出,当入射光的频率小于某一频率v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。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le的金属,从光开始照射到 释放出电子大约要等待16mn,这同光电效应瞬时响应 的实验结果完全不符合

8 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。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。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。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

爱因斯坦光子假设 爱因斯坦认为,光不仅在发射和吸收时是以能量为 h颗粒形式进行的,而且以这种颗粒的形式以速度 c在空间传播。就是说,一束光就是以光速c运动的粒 子流,这种粒子称为光子。频率为y的光的光子能量 为 E=hy 21-2 式中,h=6.63×1034Js,是普朗克常数 根据爱因斯坦光子理论,光电效应方程为 hv=-mo +A 21-3) 1905年,爱因斯坦用光子理论成功地解释了光电 效应

9 二.爱因斯坦光子假设 爱因斯坦认为,光不仅在发射和吸收时是以能量为 h的颗粒形式进行的，而且以这种颗粒的形式以速度 c在空间传播。就是说，一束光就是以光速c运动的粒 子流，这种粒子称为光子。频率为的光的光子能量 为 E =h (21-2) 式中, h= 6.63×10-34 J·s，是普朗克常数。 根据爱因斯坦光子理论， h = m + A 2 2 1   (21-3) 1905年，爱因斯坦用光子理论成功地解释了光电 效应

逸出功:A=加vshe 21-4) 小结:光子的特性 hv=-mu+A (1)光子的能量E=hv=hc (2)光子的质量 E=mc E hy h 动质量:m=2 (21-5) 静质量:m=0 (3)光子的动量 DZ p=mc= 21-6) (光子的速度U=c

10 小结：光子的特性 (1)光子的能量 E =h =hc/ (2)光子的质量 逸出功： o o hc A h  =  = (21-4) c h c h c E m   = = = 动质量： 2 2 (21-5) 静质量： 2 2 1 c m m o  − = (光子的速度 =c) h = m + A 2 2 1   2 E = mc (3)光子的动量  = = h p mc (21-6) c = mo=0