诺贝尔奖与光学光的量子性

诺贝尔奖与光学NobelPrizeandOptics光的量子性光量子理论•光的粒子性–黑体辐射–光电效应–康普顿散射–正负电子的产生和湮灭•光的波粒二象性•原子的分裂谱线和原子结构人物及获奖时间获奖原因普朗克1918inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta能量子爱因斯坦1921forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephoto-electriceffect光电效应部分与光学有关的诺贝尔奖获得者人物及获奖时间获奖原因玻尔1922年forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem原子结构理论人物及获奖时间获奖原因密立根1923年forhisworkontheelementarychargeofelectricityandonthephotoelectriceffect“测量电子电荷和光电效应实验威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）•在已经建成的科学大厦上，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就可以了。•在物理学晴朗天空的远处，只有两朵小小的令人不安的乌云。《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》1900年于英国RoyalInstitution两朵乌云•热辐射实验：紫外灾难－量子论•迈克耳孙－莫雷实验：以太？－相对论NineteenthCenturyCloudsovertheDynamicalTheoryofHeatandLight•“Thereisnothingnewtobediscoveredinphysicsnow.Allthatremainsismoreandmoreprecisemeasurement.”——FromanaddresstotheBritishAssociationfortheAdvancementofScience(1900)•“Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.I.Thefirstcameintoexistencewiththeundulatorytheoryoflight,andwasdealtwithbyFresnelandDr.ThomasYoung;itinvolvedthequestion,howcouldtheearthmovethroughanelasticsolid,suchasessentiallyistheluminiferousether?II.ThesecondistheMaxwell–Boltzmanndoctrineregardingthepartitionofenergy.”——Froma1900,April27,RoyalInstitutionlecture.LordKelvin(WilliamThomson)节能荧光灯的发光谱黑体辐射•黑体辐射是一种特殊的热辐射•什么是热辐射？•传递热量的几种方式？•热平衡黑体辐射和普朗克的能量子假说•热辐射：T0K时的电磁辐射T1T2热辐射•本质：热能－电磁辐射热能：无规则运动－平动、转动、振动……－原子、分子改变能量状态－辐射电磁波•特征：E(v)–连续谱（近似）；形状依赖于温度热辐射•特征：E(v)–T上升，热辐射功率增加，vmax增大（600度，暗红）–吸收－发射对等：热平衡下吸收＝发射012E600KE800KE1000KE()h(eV)黑体和黑体辐射•不同物体辐射（吸收）的本领不同–强：表面黑色，粗糙–弱：表面明亮，光滑•黑体：完全吸收辐射－最大辐射能力－黑体辐射（理想模型）–与材料无关–实验实现：空腔黑体和黑体辐射•维恩（1911NobelPrizeinPhysics,OntheLawsofThermalRadiation）–用内壁涂黑、打孔的空腔代替黑体：光从小孔进入腔内－吸收或多次反射－从小孔逃逸几率～0（完全吸收）–空腔辐射～黑体辐射空腔黑体黑体辐射的规律•19世纪末的研究热点–处于开创阶段–工业高温测量、光度计•黑体：不依赖于材料和形状，可作为多数发光体（固体、液体）的近似黑体辐射的规律•辐射本领R（T）热辐射能量/单位表面积/单位时间•光谱辐射本领R（T，v）dvvTRTR0),()(黑体辐射的规律•斯忒潘－玻尔兹曼定律R(T)=σT4=5.6710-8W/m2K4•维恩位移定律λmaxT=CC=2.898×10-3m·K1000K~2.898μm6000K~0.5μm黑体辐射的规律•瑞利－金斯公式v增大，ρ无限增大（紫外灾难）•瑞利：（JohnWilliamStrutt）尊称瑞利男爵三世（ThirdBaronRayleigh），1904年诺贝尔物理学奖（在研究一些气体的密度中发现了惰性气体氩）。dvkTcvdvvT328),(普朗克公式MaxKarlErnstLudwigPlanck(TheNobelPrizeinPhysics1918,inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta)18),(32kThvehvcvvT普朗克公式•不应该是kT，应依赖于v，v－时应有•振子能量En=nhv（h=6.6260755×10-34J·s普朗克常数）•平均能量01kThvehvE普朗克公式•突破与混乱–量子：quanta(Latin:'howmuch?')–普朗克：仍然企图用连续性代替量子(Insummary,Icanonlycharacterizetheentireworkasanactofdesperation…Myunavailingattemptstosomehowreintegratetheactionquantumintoclassicaltheoryextendedoverseveralyearsandcausedmemuchtrouble.)–爱因斯坦：光量子E=hv解释光电效应•MaxBornwroteaboutPlanck:Hewasbynatureandbythetraditionofhisfamilyconservative,aversetorevolutionarynoveltiesandskepticaltowardsspeculations.Buthisbeliefintheimperativepoweroflogicalthinkingbasedonfactswassostrongthathedidnothesitatetoexpressaclaimcontradictingtoalltradition,becausehehadconvincedhimselfthatnootherresortwaspossible.Fromlefttoright:W.Nernst,A.Einstein,M.Planck,R.A.MillikanandvonLaueatadinnergivenbyvonLaueinBerlinon11November1931光电效应和爱因斯坦的光量子论Light–matterinteraction•Low-energyphenomena–Photoelectriceffect•Mid-energyphenomena–Thomsonscattering–Comptonscattering•High-energyphenomena–Pairproduction光电效应•现象：赫兹HeinrichHertz（~1887）、勒纳德（~1900）（NobelPrize1905）、汤姆孙（~1899）（NobelPrize1906）•理论：爱因斯坦（1905）（NobelPrize1921）•系统实验：密立根（1904-1914）（NobelPrize1923）•1887年，Ｈ•赫兹(HeinrichHertz，1857—1894)在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受光辐射的影响。•1888年，德国物理学家霍耳瓦克斯(W．Hallwacks)用弧光照射带负电的锌板，发现锌板上的电荷迅速消失；锌板带正电则无此现象。•俄国的斯托列托夫(Stoletov)更详细地研究了光电效应。实验表明负电极在弧光照射下放出了负电荷，形成了电流。•1899年，J．J．汤姆生用磁场偏转法测光电流的荷质比，结果与阴极射线一样，于是肯定光电流也是由电子组成的。光照到金属表面，使金属表面释放电子，这就是光电效应的本质。•1900年，勒纳(P．Lenard，1862—1947)创造了一种独特的测量方法，使光电效应的研究取得重要成果。他的办法就是在电极间加一反向电压，使光电流截止到零，然后从反向电压值推算出电子逸出金属表面的最大速度。光电效应－光电子光照（紫外光）－金属－发射电子实验参数：光：v，光强电流：i，V材料：不同金属E：金属板（光阴级）C：收集电子hvGVDCCEe•Uc=K-U04.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa与入射光强无关光电子的最大初动能0221UKeeUumcm－im1im2-Uc光电效应－实验规律•只有当入射光频率v大于一定的频率v0时，才会产生光电效应0002)(21KeKUKeUKeumm0称为截止频率或红限频率·饱和光电流强度im与入射光强i成正比im1im2-Uc•光电效应是瞬时发生的驰豫时间不超过10-9s光电效应－实验规律•时间分辩:hv－t－e发射测不出t（10-9s,1928年实验）经典电磁理论：需要一定t以积累能量光电效应的基本规律•实验结果与经典电磁理论相悖：–经典：1.光强增大，电场振动幅度增大，则光电子动能应增大2.各种频率的光都可被吸收，没有截止频率3.……？爱因斯坦的光电效应理论•光子说（photon）电磁辐射是以分立的形式存在的（比普朗克更进一步）每一份E=hv，称为光子，不可再分TheNobelPrizeinPhysics1921:forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect爱因斯坦的光电效应理论•光子说－颠覆对于电磁辐射的经典图象–WaveimpossibleI：在真空中传播，不需要介质–WaveimpossibleII：不连续•1913年普朗克等人提名爱因斯坦为普鲁士科学院会员时，指出：“有时，他可能在他的思索中失去了他的目标，如他的光量子假设。”爱因斯坦的光电效应理论•光电效应方程–1个光子－1个电子（n个光子－1个电子）–Ek=hv-Φ爱因斯坦的光电效应理论•光电效应方程–光电子产生过程：电子吸收光子，能量增加hv；在金属中碰撞，损失部分能量；逃出金属（电子在金属中势能较低）Φ0U金属真空hv？爱因斯坦的光电效应理论•光电效应方程Ekmax=hv-Φ0爱因斯坦的光电效应理论对实验的解释和预测1)饱和光电流：光强光子数2)Ekmax(Vs)与入射光强无关，只与v有关3)VsvVs=Ekmax/e=(hv-Φ0)/e可测h/e：测量h的途径之一（Millikan：测定e，h）4)Φ0由材料决定5)电子吸收光子无时间积累过程－半经典理论（物质内部量子化，辐射连续）无法解释光电效应的应用•光电管：快速光测量器件•光电倍增管•XPS(X-rayPhotonelec