第七章光的量子性.

第七章光的量子性从经典物理到现代物理概述物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900§7.1光速及其测定一、真空中的光速1、理论值：skmc/500.792,2991002、测量值：skmc/)001.0458.792,299(二、测量方法——最可靠值1、天文学方法：•（罗默，1676年）：skmc/000,215天文学方法受观测精度的影响，精度很低。•（布喇法雷，1728年）：skmc/000,303光速的实验室测量方法•光速的测定包含着对光所通过的距离和所需时间的量度，由于光速很大，所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间，实验室测量法就是围绕着如何准确测定距离和时间而设计的各种方法．世界上最早用实验方法测定光速的是伽利略。他在1607年做了一个实验。当时，他叫甲乙两个人在夜间各带一只灯，分立在两个山顶上，甲先迅速取去灯罩对乙发出信号，乙在看到信号后，立即取去灯罩，对甲发出信号。两山的距离和光往返的时间来计算光速。由于当时的技术条件限制，测得的光速很不精确。伽利略（GalileoGalilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。齿轮法•1849年德国物理学家菲索用“齿轮法”测出光速•齿轮的齿数已知，测出齿轮的转速，可算出齿轮转过一个齿的时间Δt，再测出M、N间的距离，就可以算出光速。菲索当时测得空气中的光速：c＝315300千米／秒。后来，法国科学家傅科用一只旋转的镜子测定光速。他让镜子以一定的速度转动，使它在光线发出并从一面静止镜子反射回来这段时间内，恰好旋转一周。在光速测定的研究中，他是采用旋转平面镜的方法来测量光速的。其测得的光速为29.8×107米/秒，并分析实验误差不可能超过5×105米/秒。傅科（JeanBernardLeonFoucault1819～1868）法国实验物理学家旋转镜法迈克耳逊的旋转镜法用一个正八面钢质棱镜代替了旋转镜法中的旋转平面镜，从而光路大大的增长，并利用精确地测定棱镜的转动速度代替测齿轮法中的齿轮转速测出光走完整个路程所需的时间，从而减少了测量误差．从1879年至1926年，迈克耳逊曾前后从事光速的测量工作近五十年，在这方面付出了极大的劳动．1926年他的最后一个光速测定值为:c=299796km/s随着科学科技的不断发展，人们不断地改进实验装置和技术，20世纪60年代，激光器的出现，使光速的测定越发精确，1972年测定的光速值为299792公里／秒。目前国际计量委员会承认的光速是299792458米±1.2米／秒。光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义。虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间，但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展。米的定义秒的定义7.2经典辐射定律化学发光：在辐射过程中物质内部发生化学变化的；比如：燃烧光致发光：用外来的光或任何其他辐射不断地或预先地照射物质而使之发光的；比如：荧光、磷光场致发光：由电场作用引起辐射的过程；比如：电弧放电、火花放电、辉光放电阴极发光：通过电子轰击引起固体产生辐射的过程；以上发光统称为非热辐射1.热辐射热辐射:物体处于一定温度的热平衡状态下的辐射称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关，高温物体发出的是紫外光。炽热物体发出的是可见光，低温物体发出的是红外光，温度短波长的电磁波的比例。任何物体（气、液、固）在任何温度下，都会有热辐射。热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。例如加热铁块，随着温度的升高:开始不发光→→→黄白色橙色暗红热辐射红外照相机拍摄的人的头部的热图热的地方显白色，冷的地方显黑色热辐射能量来自物体的热运动（低温，高温）在任何温度下（不是绝对零度）辐射连续光谱发射本领和吸收本领发射本领（单色辐射出射度）：是用来描述辐射物体发射能量的能力的物理量。1ds(1)单色辐射出射度单色辐出度：温度为T的热辐射体，单位时间内从物体单位面积向各个方向发射的、频率在ν～ν+△ν范围的能量为:dTMdW),(ddWTM),(叫做物体在温度为T时，发射频率为ν的单色辐射出射度。其中，(2)辐射出射度(简称辐出度)MO(T):温度为T的热辐射体,单位时间单位面积,向2立体角辐射出的所有波长的能量..),()(00dTMdWTM1ds.~0:(3)吸收本领A(ν,T):入射到物体上的辐射通量,一部分被物体散射或反射(对透明物体,还会有一部分透射),其余的为物体所吸收.吸收本领定义为:dWWdTA),(吸收入射(4)基尔霍夫定律（见图7－4）:物体的单色辐出度和吸收本领的比值与物体性质无关。对于所有物体，这个比值是波长和温度的函数，可表示为:).,(),(),(TfTATM),(Tf是与物体性质无关的普适函数.上式是基尔霍夫定律的数学表达式。2.黑体辐射黑体辐射定律能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射的物体称绝对黑体，简称黑体.(1)黑体.1),(TAb由基尔霍夫定律，对黑体也应有:),(),(),(),(TfTMTATMbbb能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为绝对黑体。不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，因而辐射本领也最大。黑体模型黑体辐射的单色辐出度与物体热辐射普适函数有相同的形式。人们研究热辐射，需要找出这个普适函数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普适函数的一个有效途径。),(),(TfTMb)(),(12mcmJTM012345)(m绝对黑体的辐出度按波长分布曲线实验曲线由实验及理论都可以得到斯忒藩—玻尔兹曼定律（1）斯忒藩（Stefan)—玻尔兹曼定律00),()(dTMTMλ曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度即：~),(TM)(0TM4281067.5KmW斯忒藩—玻尔兹曼常数400),()(TdTMTM维恩位移定律:维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。（2）维恩（Wien)位移定律最大值所对应的波长为),(TMm峰值波长bTmKmb31089.2λ),(TMm（实验经验值）1400K800K1000K1200K固体在温度升高时颜色的变化例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在绿、蓝色。应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。1、维恩经验公式:问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式？),(),(TfTMb这个公式与实验曲线短波长处符合得很好，但在波长很长处与实验曲线相差较大。§7-3普朗克辐射公式能量子2、瑞利--金斯经验公式:kTcTMkTcTMbb4222),(2),(，或者这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，将随波长趋向于零而趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难”。),(TMb维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。为了解决上述困难，普朗克提出了一个著名的能量子假设。普朗克的量子假说普朗克公式普朗克在能量子假说的基础上，利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接起来，提出并确立了一个新的公式：112),(52kThcbehcTMsJh34106260755.6普朗克常数！这一公式称为普朗克公式。它与实验结果符合得好！参见下图。o实验值/μm维恩线瑞利--金斯线紫外灾难普朗克线12345678),(TMb1600K普朗克公式还可以用频率表示为：112),(23kThbechTM普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。能量子假说：1.辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。2.这些谐振子的能量不能连续变化（象经典物理学所允许的可具有任意值）。只能取一些分立值，这些分立值是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：1ε,2ε,3ε,...nε。n为正整数,称为量子数。频率为ν的谐振子最小能量为：能量量子经典h振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式。能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获1918年诺贝尔物理学奖。