大学物理课件16量子光学概论.pdf

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1、第16章量子光学概论2018-6-181第16章量子光学概论量子物理1、经典物理学的发展过程力学热学经典物理电磁学光学物理学相对论量子论现代物理非线性2018-6-1822、近年来的发展第16章量子光学概论•粒子物理：•量子电动力学、重整化方法•天体物理：•有机体遗传程序的研究（须运•太阳中微子短缺问题用量子力学、统计物理、X射线、•引力波存在的问题电子能谱和核磁共振技术等）。•物体的速度能否超过光速的•非平衡热力学及统计物理问题•生物物理3、物理学发展的趋向原子是构成物质的•学科之间的大综合基本单元；•相互渗透结合成边缘学科能量是连续变化的。4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重

2、大问题•1887年的迈克耳孙—莫雷实验否定了绝对参考系的存在；•1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓“紫外灾难”；•1896年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物质的基本单元，原子20是18-可6-1分8的。3第16章量子光学概论十九世纪末、二十世纪初经典物理学理论已经确立。但仍然有两个实验现象无法很好解释。①热辐射实验；②迈克尔孙--莫雷实验量子理论的诞生相对论的诞生2018-6-184第16章量子光学概论§16.1黑体辐射一、黑体黑体辐射1、热辐射热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度

3、有关，故称为热辐射。热平衡现象：辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时温度恒定不变。2、黑体•定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。•说明：(1)黑体是个理想化的模型。2018-6-18(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。5第16章量子光学概论单色吸收比和单色反射比:被物体吸收的能量与入射能量之比称为吸收比，在波长λ到λ+dλ范围内的吸收比称为单色吸收比，用α(λ，T)表示。反射的能量与入射能量之比称为反射比，波长λ到λ+dλ范围内的反射比称为单色反射比，用r(λ，T)表示。绝对黑体:若物体在任何

4、温度下,全部吸收投射到其表面上的各种波长的辐射能，即不反射也不透射,则称该物体为绝对黑体,简称黑体。辐射本领最大。举例2018-6-186α(λ，T)=1，r(λ，T)=0第16章量子光学概论3、与热辐射有关的物理量单色辐出度从热力学温度为T的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，简称单色辐出度，用Mλ(T)表示。3W/m辐射出射度在单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面积上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称为辐射出射度，简称辐出度。2M(T)M(T)dW/m02018-6-187第16章量子光学概论基尔霍夫辐射

5、定律:在同样的温度下,各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等,并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。M(T)M(T)12M(T)Ba(T)a(T)12即好的吸收体也是好的辐射体。即为黑体2018-6-188二、斯忒藩玻第耳1兹6章曼定量律子光维学恩概位论移定律M(T)1、测量黑体辐射的实验原理图1700k1500k1300k2、斯特藩-玻耳兹曼定律3、维恩位移定律黑体的辐出度与黑体的热力学当黑体的热力学温度升高时，温度的四次方成正比，这就是与单色辐出度峰值相对应的斯特藩-玻耳兹曼定律。波长m向短波方向移动，这就是维恩位移定律。

6、4MTTTbm=5.67×10-8W·m-2·K-4为2斯018特-6-18藩-玻耳兹曼常量39b2.89810mK第16章量子光学概论【例15.1】设恒星表面的行为和绝对黑体相同，现侧得太阳和北极星辐射波谱的峰值波长λm分别为510nm和350nm，试估计这两个恒星的表面温度及每单位面积上发射的功率。解根据维恩位移定律Tbm3b2.898103T5.7010K太阳951010m3b2.898103T8.3010K北极星935010m2018-6-1810第16章量子光学概论【例15.1】设恒星表面的行为和绝对黑体相同，现侧

7、得太阳和北极星辐射波谱的峰值波长λm分别为510nm和350nm，试估计这两个恒星的表面温度及每单位面积上发射的功率。对于太阳483472ET5.6710(5.710)5.9910(W/m)对于北极星483482ET5.6710(8.3010)2.6910(W/m)2018-6-1811三、黑体辐射的瑞第利16—章金量斯子公光式学经概典论物理的困难1、目的：实验探求单色辐出度的数学表达式M(T)2、瑞利—金斯公式瑞利-