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光与物质的相互作用光的辐射理论.pptx
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1、 一一.一般特征一般特征物体在任何温度下都辐射电磁波。物体在任何温度下都辐射电磁波。(例如铁块温度逐渐升高时的现象例如铁块温度逐渐升高时的现象)1.基本性质基本性质 :温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 平衡热辐射:平衡热辐射:物体辐射的能量等于在同一时物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量间内所吸收的能量1第九章第九章 光的量子性光的量子性 激光激光1 热辐射热辐射物体物体 辐射场辐射场2.单色辐出度单色辐出度 r(,T)从物体从物体单位表面积单位表面积上上单位时间单位时间内发出的频率内发出的频率在在 附近单位频率间隔附近单位频率间隔内内的电磁波的能量。的电
2、磁波的能量。(单色辐射本领,书上:辐射本领的谱密度。单色辐射本领,书上:辐射本领的谱密度。)3.(总总)辐出度辐出度 R(T)2在给定温度下,在给定温度下,单色辐出度单色辐出度 r()就是从物体单位就是从物体单位表面积发出的辐射能通量表面积发出的辐射能通量(对频率对频率)的分布函数。的分布函数。(书上:辐射本领书上:辐射本领 R)p.260,(1.8)式式 4.基尔霍夫定律基尔霍夫定律吸收本领吸收本领 a(,T)平衡热辐射,任何物体在同一温度平衡热辐射,任何物体在同一温度T 下的单色辐下的单色辐出度出度 r(,T)与单色吸收本领与单色吸收本领 a(,T)成正比,成正比,其比值只由其比值只由 和
3、和 T 决定,而与物体性质无关。决定,而与物体性质无关。(对波长对波长)二二.黑体辐射的基本规律黑体辐射的基本规律1.(绝对绝对)黑体黑体 :完全吸收各种波长电磁波而无完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体,即理想的反射的物体,即理想的 a(,T)=1 的物体的物体。它。它的的 r(,T)最大最大,且和材料、表面状态无关。,且和材料、表面状态无关。F(,T)是与物质、物体表面状况无关的普适函数。是与物质、物体表面状况无关的普适函数。维恩设计的维恩设计的黑体黑体-空窖空窖(空腔空腔)只注意大小:只注意大小:常用波长常用波长 表示表示,实验测得黑体的实验测得黑体的 r0(,T)33.维恩维恩(Wie
4、n)位移定律位移定律2.斯特藩斯特藩-玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 =5.67 10 8 W/m2 K4黑体的辐出度黑体的辐出度 RT,RT=T 4 斯特藩斯特藩-玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数极大值所对应的波长极大值所对应的波长 M维恩常数维恩常数 b=2.898103 mK4 经典理论遇到无法克服的困难。经典理论遇到无法克服的困难。4.理论与实验的对比理论与实验的对比从经典物理学曾从经典物理学曾导出几种黑体辐导出几种黑体辐射公式:射公式:维恩公式,维恩公式,(短波长区域较好,短波长区域较好,长波方面不对。长波方面不对。)瑞利瑞利-金斯公式,金斯公式,(“紫外灾难紫
5、外灾难”)普朗克给出了与实验结果完全符合的公式,普朗克给出了与实验结果完全符合的公式,提出提出“能量子假说能量子假说”,5三三.普朗克的黑体辐射公式和能量子假说普朗克的黑体辐射公式和能量子假说2.普朗克假定(普朗克假定(1900)h=6.626075510 34 Js3.普朗克公式普朗克公式 (p.269p.271)经典经典能量能量在全波段与实验在全波段与实验结果惊人地符合结果惊人地符合 物体物体 -大量振子组成,和辐射场交换能量。大量振子组成,和辐射场交换能量。经典理论:振子的能量可连续取值。经典理论:振子的能量可连续取值。1.“振子振子”的概念的概念(1900 年以前已有年以前已有)量子量
6、子频率为频率为 的谐振子,其能量取值的谐振子,其能量取值为为 能量子能量子 0=h 的整数倍。的整数倍。或或(意义意义)6(1918,Nobel Prize)一一.光电效应光电效应光电子光电子光电效应光电效应实验装置实验装置2 光光的粒子性的粒子性 饱和光电流强度饱和光电流强度 im 与入射光强与入射光强 I 成正比成正比1.实验规律实验规律 :(这表示这表示 单位时单位时间内从阴极发出间内从阴极发出的光电子数目与的光电子数目与光强成正比光强成正比)7 只有当入射光频率只有当入射光频率 v 大于一定的频率大于一定的频率 v0 时时,才会产生光电效应。才会产生光电效应。0 称为该金属的称为该金属
7、的截止频率截止频率,或或红限频率红限频率,8 V0=K C与入射光强无关与入射光强无关光电子的最大初动能为光电子的最大初动能为4.06.0 8.0 10.0(1014Hz)0.01.02.0Vc(V)CsNa Ca 截止电压截止电压 光电效应是瞬时发生的,光电效应是瞬时发生的,时间不超过时间不超过109 s。2.爱因斯坦的光子假说爱因斯坦的光子假说 对光电效应的解释对光电效应的解释 经典物理学所遇到的困难:经典物理学所遇到的困难:光波的能量分布在波面上,阴极中电子积累能量克服光波的能量分布在波面上,阴极中电子积累能量克服逸出功逸出功需要一段时间,光电效应不能在瞬时发生。需要一段时间,光电效应不
8、能在瞬时发生。普朗克的量子假定普朗克的量子假定 还不够还不够 :它只涉及发射或吸收时振子能量不连续它只涉及发射或吸收时振子能量不连续,未涉及在空未涉及在空间传播的辐射场的能量。间传播的辐射场的能量。9按照光的经典电磁理论,光波的强度与频率无关,电按照光的经典电磁理论,光波的强度与频率无关,电子吸收的能量也与频率无关,子吸收的能量也与频率无关,不应存在截止频率!不应存在截止频率!电磁辐射的能量在空间不是连续分布的,而是由电磁辐射的能量在空间不是连续分布的,而是由能量量子能量量子(光子)(光子)组成,每个光量子的能量为组成,每个光量子的能量为 爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905)=h
9、对光电效应的解释对光电效应的解释显然,当显然,当 h A 时,不发生光电效时,不发生光电效应应。红限频率红限频率(光电效应的光电效应的意义意义 )光量子具有光量子具有“整体性整体性”,在以光速运动时在以光速运动时“不瓦解不瓦解”,且只能整个地被吸收或发射。,且只能整个地被吸收或发射。10A 是阴极材料的脱出功。是阴极材料的脱出功。电子吸收一个光子能量电子吸收一个光子能量 h ,从阴极逸出而成为从阴极逸出而成为光电子,其最大动能为光电子,其最大动能为(A.Einstein,1921,Nobel Prize)二二.光的波粒二象性光的波粒二象性 康普顿效应康普顿效应1.光的波粒二象性光的波粒二象性
10、光的性质光的性质-波粒二象性波粒二象性 在有些情况下,光突出显示波动性;在有些情况下,光突出显示波动性;粒子不是经典粒子粒子不是经典粒子,波也不是经典的波。波也不是经典的波。基本关系式基本关系式粒子性:粒子性:能量能量 ,动量动量 p波动性:波动性:波长波长 ,频率频率 而在另一些情况下,则突出显示粒子性。而在另一些情况下,则突出显示粒子性。11(整体性整体性)(弥散性,可叠加性弥散性,可叠加性)2.康普顿效应康普顿效应康普顿康普顿 (Compton)研究研究 X 射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射 实验规律:实验规律:电子的电子的 Compton波长波长准直系统准直系统入射光入射光 0 散
11、射光散射光 探探测测器器石墨石墨散射体散射体 康普顿效应的特点康普顿效应的特点12 康普顿的解释:康普顿的解释:X 射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰撞弹性碰撞 碰撞过程碰撞过程能量守恒,动量守恒能量守恒,动量守恒解得波长偏移为解得波长偏移为 康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义 康普顿效应验证了光的量子性康普顿效应验证了光的量子性 经典电磁理论的困难经典电磁理论的困难13 e(A.H.Compton,1927,Nobel Prize)激光激光 (laser),也音译为也音译为镭射镭射,它的它的意思是意思是“辐射的受激发射的光放大辐射的受激发射的光放大”(Lig
12、ht Amplification by Stimulated Emission of Radiation),或者说,或者说,“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”。3 激光激光 1916,Einstein,关于关于受激辐射的理论。受激辐射的理论。4050年代,观测到年代,观测到受激辐射。受激辐射。1954,Townes 做成做成 微波激射器(微波激射器(maser)。)。1960,Maiman 做成第一台激光器(红宝石)。做成第一台激光器(红宝石)。1960,1962,连续工作的,连续工作的 He-Ne 气体激光器。气体激光器。14一般性质:一般性质:方向性极好方向性极好(发散角(发散角10-4
13、弧度)弧度)脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大(可达(可达10 14瓦瓦 以上)以上)H 空间相干性好,有的激光波面上空间相干性好,有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。H 时间相干性好(时间相干性好(10-8埃),埃),相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。相干性极好相干性极好 亮度极高亮度极高 特点特点 波长范围:极远紫外波长范围:极远紫外 可见光可见光 亚毫米亚毫米 (100 n m)(1.222 m m)(X 激光)激光)15 按工作方式分按工作方式分 连续式(功率可达连续式(功率可达104 W)脉冲式(瞬时功率可达脉冲式(瞬时功率可达1014 W)种类:种类:固体(
14、如红宝石固体(如红宝石Al2O3)液体(如某些染料)液体(如某些染料)气体(如气体(如 He-Ne,CO2)半导体(如砷化镓半导体(如砷化镓 GaAs)按工作物质分按工作物质分 一一.粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 原子的激发原子的激发 由大量原子组成的系统,在温度不太低的由大量原子组成的系统,在温度不太低的 平衡态,原子数目按能级的分布服从平衡态,原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布:玻耳兹曼统计分布:16 若若 E2 E 1,则两能级上的原子数目之比,则两能级上的原子数目之比 数量级估计:数量级估计:T 103 K;kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-
15、E 11 eV;17 要产生激光,必须使大量原子激发,在两能级要产生激光,必须使大量原子激发,在两能级间形成间形成 N2 N1,这称为这称为粒子数布居反转粒子数布居反转(population inversion)。原子激发的几种基本方式:原子激发的几种基本方式:1.气体放电激发;气体放电激发;2.原子间碰撞激发;原子间碰撞激发;3.光激发光激发(光泵浦光泵浦)。激光器中必须有激发装置激光器中必须有激发装置(能源能源)提供能量。提供能量。二二.自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射 和受激吸收和受激吸收1.自发辐射自发辐射(spontaneous radiation)E2E1N2N1h 18 设设
16、N1、N2 为单位体积中处于为单位体积中处于 E1、E2 能级的原能级的原子数。子数。单位体积中单位时间内,从单位体积中单位时间内,从 E2 E1自发自发辐射的原子数辐射的原子数 21 自发辐射系数,自发辐射系数,一个原子在单位一个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子各原子自发辐射自发辐射的光是互相独立的,的光是互相独立的,相位上随机的,或者说是互不相干的相位上随机的,或者说是互不相干的。192受激辐射受激辐射(stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 u(、)代表温度为)代表温度为 时时,频率频率为为 =(E
17、2-E1)/h 附近单位频率间隔的附近单位频率间隔的外来光的能量密度。外来光的能量密度。单位体积中单位时间内,单位体积中单位时间内,从从 E E受激辐射的原子数:受激辐射的原子数:20写成等式写成等式 B21 受激辐射系数受激辐射系数W21 一个原子在单位时间内发生一个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射受激辐射光与外来光的频率、相位、偏振方向及光与外来光的频率、相位、偏振方向及传播方向均相同传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21 B21 u(、T)213.吸收吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸上述
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