光子學(xué)基礎(chǔ)—第一二章

1、上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2012年10月課堂授課：多媒體教學(xué)；實驗：特種光纖實驗室演示實驗；課外項目安排：部分內(nèi)容自學(xué)考核方式：期末考試（開卷，80%）+平時成績（20%）教材：黃肇明，光子學(xué)與光通信導(dǎo)論， 上海大學(xué)出版社，2001年2月 (自行打印)參考書目：1，S. O. Kasap，“Optoelectronics and Photonics, Principle and Practices, 光電子學(xué)與光子學(xué)的原理及應(yīng)用”，電子工業(yè)出版社，2003年3月；2，馬聲全、陳貽漢 編著，“光電子理論與技術(shù)”，電子工業(yè)出版社，2005年1月 光子學(xué)內(nèi)涵光子學(xué)內(nèi)涵從電子學(xué)到光子學(xué)從電子學(xué)到光子

2、學(xué)光子的特性光子的特性從牛頓力學(xué)到相對論從牛頓力學(xué)到相對論光的波動性與粒子性光的波動性與粒子性光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光子學(xué)的內(nèi)涵光子學(xué)的內(nèi)涵光子學(xué)作為學(xué)術(shù)詞匯 ，最早賦之以科學(xué)定義規(guī)范的當(dāng)數(shù)1970年 ，第九屆國際高速攝影會議 ，荷蘭科學(xué)家Poldervaart首次提出關(guān)于光子學(xué)的定義規(guī)范 ，他認為，光子學(xué)是“研究以光子為信息載體的科學(xué)”。過了幾年，他又作了補充，認為“以光子作為能量載體的”也應(yīng)屬光子學(xué)的研究內(nèi)容。 法國頗有影響的DGRST組織提出：激光二極 管的問世，使光子替代了電子成為信息的載體，從而促成了光子學(xué)的形成 世界著名的美國SPECTRA雜志，也于1982年率先更名為PHOTONIC

3、Sspectra，并提出光子學(xué)是“研究發(fā)生與利用以光子為量化單位的光，或其他輻射形式的科學(xué)”，并認為，“光子學(xué)的應(yīng)用范圍從能量的發(fā)生到通信與信息處理”。 貝爾實驗室著名的Ross教授為光子學(xué)作了一個頗為廣義的定義，他認為，可與電子學(xué)類比，“電子學(xué)是關(guān)于電子的科學(xué)”，光子學(xué)則應(yīng)是“關(guān)于光子的科學(xué)”。 龔祖同、錢學(xué)森等早在70年代末就頻頻發(fā)出呼吁，希望大家積極開展光子學(xué)的學(xué)科建設(shè)。錢學(xué)森教授提出，“光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)”，它主要“研究光子的產(chǎn)生、運動和轉(zhuǎn)化”。他還首次提出了“光子學(xué)光子技術(shù)光子工業(yè)”的關(guān)于光子學(xué)的發(fā)展模式。 1994年香山科學(xué)會議上，光子學(xué)定義、內(nèi)涵及研究范圍，較為一致的見解

4、是：光子學(xué)是研究作為信息光子學(xué)是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應(yīng)用的科學(xué)?；蛘邚V義和能量載體的光子行為及其應(yīng)用的科學(xué)?；蛘邚V義地講，光子學(xué)是關(guān)于光子及其應(yīng)用的科學(xué)。地講，光子學(xué)是關(guān)于光子及其應(yīng)用的科學(xué)。 在理論上，它主要研究光子的量子特性及其在與物在理論上，它主要研究光子的量子特性及其在與物質(zhì)質(zhì)(包括與分子、原子、電子以及與光子自身包括與分子、原子、電子以及與光子自身)的相的相互作用中出現(xiàn)的各類效應(yīng)及其規(guī)律；互作用中出現(xiàn)的各類效應(yīng)及其規(guī)律；在應(yīng)用方面，在應(yīng)用方面，它的研究內(nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以它的研究內(nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測規(guī)律等。及探測規(guī)律等。 光子學(xué)是

5、一個具有極強應(yīng)用背景的學(xué)科，并由此而形成了一系列的光子技術(shù)，如光子發(fā)生技術(shù)(激光技術(shù))、光子傳輸技術(shù)、光子調(diào)制與開關(guān)技術(shù)、光子存儲技術(shù)、光子探測技術(shù)、光子顯示技術(shù)等等。光子技術(shù)的基礎(chǔ)是光子學(xué)。 光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域 信息光子學(xué)(INFOPHOTONICS) 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(BIO-MEDOPHOTONICS) 基礎(chǔ)光子學(xué) ：量子光學(xué)、分子光學(xué)、非線性光學(xué)、超快光子學(xué)等 1. 電子學(xué)(通信)的簡史： 1825 發(fā)明莫爾斯電報。 1858 發(fā)送越洋(大西洋)電報。 1876 貝爾發(fā)明電話。 1887 赫芝發(fā)明電磁波。 1901 馬可尼-波波夫發(fā)明無線電報。 1904 發(fā)明真空電

6、子二極管-檢波。 1906 發(fā)明真空電子三極管-放大、振蕩。 1938 之后發(fā)明各種真空微波管。 1940 年代末以后發(fā)明各種半導(dǎo)體晶休管。2. 光纖通信簡史 1880 貝爾發(fā)明光電話 1960 發(fā)明激光 1964 提出光通信 1966 高錕提出玻璃光纖作為光傳輸介質(zhì) 1966 三-五族半導(dǎo)體光電探測器 1969 發(fā)明雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1976 第一條光纖通信試驗線建成 1988 發(fā)明光纖放大器EDFA 1994 左右推廣 WDM 技術(shù) 21 世紀人類進入了全光通信的時代“for groundbreaking achievements concerning the transmission

7、 of light in fibers for optical communication”“有關(guān)光在纖維中的傳輸有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面的開以用于光學(xué)通信方面的開拓性成就拓性成就”被授予被授予2009年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎高高 錕（錕（Charles Kao ）“光纖之父光纖之父” 1. 電子學(xué)的定義 以電子作為信息與能量載體的以電子作為信息與能量載體的科學(xué)科學(xué) 2. 電子學(xué)的 “瓶頸” 電子帶負電荷, 電子之間相互排斥 電子有靜止質(zhì)量 開關(guān)(弛豫)時間1ns (瓶頸) 最高工頻率100GHz (瓶頸) 微波 (特別是10GHz以上) 的電子設(shè)備價格昂貴克311011

8、. 9em 1. 光子學(xué)的定義以光子作為信息或能量載體的以光子作為信息或能量載體的科學(xué)科學(xué) 2. 光子學(xué)的優(yōu)點 光子無靜止質(zhì)量 光子的弛豫時間 光的頻率 光子學(xué)設(shè)備價格低廉 光子不帶電 無相互作用, 具有光學(xué)的透明性)(1015飛秒秒Hz1410 光子與電子的主要差別光子與電子的主要差別 特特 征征 電電 子子 光光 子子 靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量(m) m0 0 運動質(zhì)量運動質(zhì)量(m) me h/c2 傳傳 播播 特特 性性 不能在自由空間傳播不能在自由空間傳播 能在自由能在自由 空間傳播空間傳播 傳傳 播播 速速 度度 小于光速小于光速(c) 等于光速等于光速(c) 時時 間間 特特 性性 具時間

9、不可逆性具時間不可逆性 具一定的類時間可逆性具一定的類時間可逆性 空空 間間 特特 性性 高度的空間局域高度的空間局域 不具空間局域性不具空間局域性 粒粒 子子 特特 性性 費米子費米子 (費米統(tǒng)計費米統(tǒng)計) 玻色子玻色子 (玻色統(tǒng)計玻色統(tǒng)計) 電電 荷荷 - e 0 自自 旋旋 l(h)/2 l(h)電學(xué)電學(xué) 電子學(xué)電子學(xué) 電子回路電子回路 電子集成電子集成 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng) 電子工程電子工程電子產(chǎn)業(yè)電子產(chǎn)業(yè)光學(xué)光學(xué) 光子學(xué)光子學(xué) 光子回路光子回路 光子集成光子集成 光子系統(tǒng)光子系統(tǒng) 光子工程光子工程 光子產(chǎn)業(yè)光子產(chǎn)業(yè) 光子具有極高的信息容量和效率光子具有極高的信息容量和效率：光頻為5101

10、4Hz ；電頻率僅為1010Hz量級。光子在光纖中能夠直接傳播上百公里以上，因此，前者可承載信息的容量起碼比后者高出34個量級，即千倍以上 。 光子具有極快的響應(yīng)能力光子具有極快的響應(yīng)能力 ：電子脈沖脈寬最窄限度在納秒(ns，10-9s) ，電子通信中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量級 。光子脈沖可輕易做到脈寬為皮秒(ps，10-12s)量級 ，小于10個飛秒(fs,10-15s)量級 ，光子為信息載體，信息速率能夠達到每秒幾十、幾百個 Gb，甚至幾個、幾十個Tb( 1012bit / s) 光子具有極強的互連能力與并行能力光子具有極強的互連能力與并行能力 ：第六代計算機神

11、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機中 ，速率可達1010 bit / s，這差不多是目前計算機的最高水平 光子具有極大的存儲能力光子具有極大的存儲能力：不同于電子存儲，光子除能進行一維、二維存儲外，尚能完成三維存儲。如果使用可見光(500nm)，光子的存儲能力則可達到1012bitcm3量級。 光子具有極強的互連能力與并行能力光子具有極強的互連能力與并行能力 ：全息存儲全息存儲三維立體存儲三維立體存儲 牛頓(1666)從三梭鏡的研究提出： “光以微小粒子的形式從發(fā)光物體傳播出來”。這些光粒子服從牛頓力學(xué)，已知現(xiàn)在的狀態(tài)就可以預(yù)期以后的狀態(tài)光的費馬原理(1657)-“自然界的行為永遠以路程最短為準則”，對光來說：它以

12、最短時間到達目的地，即兩點之間直線為最短光程牛頓的光粒子以光速 c 作勻速直線運動(第三定律) 1911年愛因斯坦預(yù)言光子存在運動質(zhì)量，在日全食時，掠過太陽旁的星光會被吸引而扭彎，彎曲大約千分之二度。1919年英國日食考察隊分別到巴西和幾內(nèi)亞觀測證 實了愛因斯坦的理論。最近英國天文學(xué)家觀察 到 “愛因斯坦環(huán)”，這種 現(xiàn)象被看作 “引力透鏡引力透鏡”。太陽地球恒星形成Einstain環(huán)月亮空間的彎曲類似一個大球放在橡皮膜上形成彎曲的曲面。當(dāng)小球(光子)滾向大球時，就以曲線方式滾向大球，走一條曲線。一般人看來是牛頓的引力將小球引向大球。愛因斯坦說 “物質(zhì)告訴空間怎樣彎曲，空間告訴物質(zhì)怎樣運動” 按

13、愛因斯坦廣義相對論時空會被扭曲，1919 年確定了空間的彎曲。1962 年哈佛大學(xué)的科學(xué)家、在塔頂與塔底安裝兩臺非常精密的光子鐘測出一億年后會差一秒。證實，塔底的鐘，因為更接近地球，光子能量低一些，光頻也就低一些，所以鐘走得稍慢一些。 地球上不同高度的鐘的速度不同，在實用上地球上不同高度的鐘的速度不同，在實用上, 有很大有很大的重要性。現(xiàn)在人們用衛(wèi)星定位，因為衛(wèi)星上鐘走得較的重要性?，F(xiàn)在人們用衛(wèi)星定位，因為衛(wèi)星上鐘走得較快若不以廣義相對論作修正，地面上的位置會誤差幾英快若不以廣義相對論作修正，地面上的位置會誤差幾英里。里。1. 狹義相對論 物理定律不變原理 光速不變原理 光速不變原理的效應(yīng) 2

14、. 廣義相對論 廣義物理定律不變原理 等效原理 引力場與能量的存在使時間、空間扭曲 (鐘變慢，尺縮短) 3. 劃分經(jīng)典力學(xué)與相對論的適用范圍是運動速度 。 牛頓力學(xué)牛頓的光粒子，作勻速直線運動絕對時間、空間存在不動的 “以太”存在絕對的 “觀察者” (上帝)歐幾里德空間“平直” (在空間中不存在質(zhì)量與能量)判據(jù) 相對論力學(xué) 愛因斯坦的光量子，受引力場作用而彎曲 相對時間、空間 不存在 “以太” 光速c是絕對的， (不論光源與觀察者運動與否) 黎曼空間 “曲面 ” (在空間中存在質(zhì)量與能量) 判據(jù)cv cv 牛頓之后，光是一種波動在18、19以至20世紀己深入人心，不會懷疑。例如，孔的衍射現(xiàn)象在

15、當(dāng)時就不能用粒子性講清楚波長波長( /nm)分布：分布：)cos(00kztEEx)(exp)exp(Re),(00kztjjEtzExkdtdzvvelocityPhase)cos(),(00r rk kr rtEtEkdtdzvvelocityPhase2200222222tEzEyExEequationwaveEMsMaxwellr 1019 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 10110-10 10-910-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

16、101 102 103 104 105 106 107 1nm 1 m 1mm 1m 1km1埃埃 X光 X光(倫琴射線)(倫琴射線)紫外線紫外線 可見光可見光近紅近紅外線外線遠紅遠紅外線外線米波米波電視電視發(fā)射 發(fā)射 用 用無線電廣播無線電廣播 發(fā)射用 發(fā)射用超聲波超聲波音 頻音 頻光通信光通信微波微波頻率(Hz)波長(m) (1T)(1G)(1M)(1k)1011 1018 f f射頻射頻電磁波譜電磁波譜 阿佛伽德羅常數(shù)：molN/1002. 6230 它是宏觀與微觀物理的連接紐帶 1摩爾（克分子）任何氣體的分子數(shù)摩爾（克分子）任何氣體的分子數(shù) 原子量：1mol粒子的質(zhì)量。 原子量=質(zhì)量0

17、N 氣體的表示量：宏觀普適常數(shù)molKJNkRB/314. 80 微觀量玻爾茲曼常數(shù)每個分子單位溫度的能量每個分子單位溫度的能量KJkB/103805. 1231摩爾氣體的單位溫度的能量摩爾氣體的單位溫度的能量黑體輻射圖 (這是實驗事實)1)溫度愈高熱輻射愈強 ，溫度從低到高，爐體從暗紅到強烈的發(fā)光。2)溫度愈高，光譜中最強輻射的頻率愈高 ， 顏色由 “紅” 到“白” 到 “藍”。 維恩位移定律：維恩位移定律：KcmCTaxm2898. 00hXckTB2014. 01maxsJhckChXckTBB3401max10626. 62014. 0h普朗克常數(shù) 普朗克（普朗克（Plank德國）德國

18、）1901年假設(shè)：年假設(shè)： 發(fā)射輻射的物質(zhì)是發(fā)射輻射的物質(zhì)是有一些諧振子組成的，這些諧振子具有的能量均以有一些諧振子組成的，這些諧振子具有的能量均以h 為為單位，因此，相鄰振子彼此間能量差為等間隔單位，因此，相鄰振子彼此間能量差為等間隔h 。引入。引入的能量子的能量子h 就是光子的概念。就是光子的概念。 光由光子組成，光子的靜止質(zhì)量為零，光子帶有電磁場光由光子組成，光子的靜止質(zhì)量為零，光子帶有電磁場和動量。它還有本征角動量（或自旋），這一角動量決和動量。它還有本征角動量（或自旋），這一角動量決定了光子的極化特性。光子在真空中的速度為定了光子的極化特性。光子在真空中的速度為c，在物質(zhì)，在物質(zhì)中，

19、這一速度變慢。決定光子空間位置時，光子顯示波中，這一速度變慢。決定光子空間位置時，光子顯示波動性，因此光子會產(chǎn)生干涉和衍射。動性，因此光子會產(chǎn)生干涉和衍射。設(shè)黑體腔為邊長等于 d 的立方體駐波條件(l,m,n為模數(shù)-1,2,3,4,-)波矢量一個模的體積 ( )3dV dmkdnkdlkzyx)()(222222222為折射率此處ncnckkkkzyx1nml3ddkdkdkzyx)2,2(dlld黑體腔內(nèi)從 0 諧振模的數(shù)目 (n為腔內(nèi)介質(zhì)折射率)腔內(nèi)單位體積、單位頻率間隔中模的數(shù)目VcndcnN3333338234812 32381cnddNVp在 T 溫度下，腔模幾率按玻爾茲曼分布，某一

20、腔模其能量處在 E 和 E+dE 之間的幾率 dp 可表為其中 C 是一個常數(shù)。若腔模能量是連續(xù)連續(xù)的，每個模的平均能量為 dETkECdpBexpkTdETkEdETkEEEBB00expexp當(dāng)能量不連續(xù)能量不連續(xù)時，每個模的平均能量為黑體輻射普朗克公式 ( T 溫度下能量密度公式 )nhE 1expexpexp00TkhhTknhTknhnhEBBB 1exp8323TkhhcnEpBT(n為光粒子數(shù)) 普朗克成功地證明了黑體輻射公式從而在1900年確立了光是粒子-光(電磁輻射)能量是一份一份的即 h不久愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)更形象地說明光的粒子本性試舉幾個生活中光是粒子的例子一、光電效應(yīng)

21、的實驗規(guī)律一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 金屬中的自由電子在光的照射金屬中的自由電子在光的照射下，吸收光能而逸出金屬表面，下，吸收光能而逸出金屬表面，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。在光。在光電效應(yīng)中逸出金屬表面的電子電效應(yīng)中逸出金屬表面的電子稱為稱為光電子光電子。光電子在電場的。光電子在電場的作用下運動所提供的電流，稱作用下運動所提供的電流，稱為為光電流光電流。 UG實驗原理實驗原理AK光電效應(yīng)有如下規(guī)律：光電效應(yīng)有如下規(guī)律：U0312UIIS01. 光電流的強度光電流的強度 對于同一單色光，單位時間對于同一單色光，單位時間內(nèi)逸出金屬表面的光電子數(shù)，內(nèi)逸出金屬表面的光電子數(shù)，與入射光強成正

22、比。與入射光強成正比。 2. 光電子的初動能光電子的初動能 光電子的初動能隨入射光頻率的上升而線性地光電子的初動能隨入射光頻率的上升而線性地增大，但與入射光強無關(guān)。增大，但與入射光強無關(guān)。 0221eVeKmu3. 引起光電效應(yīng)的入射光的頻率下限引起光電效應(yīng)的入射光的頻率下限 如果入射光的頻率低于該金屬的紅限，則無論入射如果入射光的頻率低于該金屬的紅限，則無論入射光強多大，都不會使這種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)。光強多大，都不會使這種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)。 KV00（金屬的紅限金屬的紅限）4. 引起光電效應(yīng)的時間引起光電效應(yīng)的時間 只要入射光的頻率大于該金屬的紅限，當(dāng)光照射到只要入射光的頻率大于該金屬的紅限

23、，當(dāng)光照射到這種金屬的表面時，幾乎立即產(chǎn)生光電子，而無論這種金屬的表面時，幾乎立即產(chǎn)生光電子，而無論光強多大。光強多大。 電子逸出的時間間隔不超過電子逸出的時間間隔不超過10-9 s。 光的波動理論認為光的波動理論認為，光波的能量決定于光波的強度，而光，光波的能量決定于光波的強度，而光波的強度與其振幅的平方成正比。所以，入射光的強度越高，波的強度與其振幅的平方成正比。所以，入射光的強度越高，金屬內(nèi)自由電子獲得的能量就越大，光電子的初動能也應(yīng)該金屬內(nèi)自由電子獲得的能量就越大，光電子的初動能也應(yīng)該越大。但實驗表明越大。但實驗表明, , 光電子的初動能與入射光強無關(guān)。光電子的初動能與入射光強無關(guān)。

24、根據(jù)光的波動理論根據(jù)光的波動理論，如果入射光的頻率較低，總可以用增，如果入射光的頻率較低，總可以用增大振幅的方法使入射光達到足夠的能量，以便使自由電子獲大振幅的方法使入射光達到足夠的能量，以便使自由電子獲得足以逸出金屬表面的能量。所以，不應(yīng)該存在入射光的頻得足以逸出金屬表面的能量。所以，不應(yīng)該存在入射光的頻率限制。與實驗結(jié)果相矛盾。率限制。與實驗結(jié)果相矛盾。 從光的波動理論觀點看從光的波動理論觀點看，產(chǎn)生光電子應(yīng)該有一定的時間間，產(chǎn)生光電子應(yīng)該有一定的時間間隔，而不應(yīng)該是瞬時的。因為自由電子從入射光那里獲得能隔，而不應(yīng)該是瞬時的。因為自由電子從入射光那里獲得能量需要一個積累的過程，特別是當(dāng)入射

25、光的強度較弱時，積量需要一個積累的過程，特別是當(dāng)入射光的強度較弱時，積累能量需要的時間較長。實驗結(jié)果光電子的產(chǎn)生是瞬時的。累能量需要的時間較長。實驗結(jié)果光電子的產(chǎn)生是瞬時的。 光子假說：光子假說：光是一粒一粒以光速運動的粒子流，這種粒子流稱為光子，或光量子。每一個光子的能量由光的頻率所決定（h）。 光電效應(yīng)顯示了光的微粒光電效應(yīng)顯示了光的微粒特性特性：光子與電子相互作用諾貝爾物理學(xué)獎光子假說：光子假說：光是一粒一粒以光速運動的粒子流，這光是一粒一粒以光速運動的粒子流，這種粒子流稱為光子，或光量子。每一個光子的能量種粒子流稱為光子，或光量子。每一個光子的能量由光的頻率所決定。由光的頻率所決定。

26、頻率為頻率為 的光子的能量為的光子的能量為 = h 光子在運動時具有的質(zhì)量、能量和動量為光子在運動時具有的質(zhì)量、能量和動量為22chcmhchcmp其中其中c電子從入射光中吸收一個光子后，能量變?yōu)殡娮訌娜肷涔庵形找粋€光子后，能量變?yōu)閔 ，能量一部分，能量一部分消耗于逸出金屬表面時所必須的逸出功消耗于逸出金屬表面時所必須的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮拥某鮿幽?，由能量守恒得：電子的初動能，由能量守恒得：Amuh221光電效應(yīng)的愛因斯坦方程光電效應(yīng)的愛因斯坦方程 光子的頻率為截止頻率光子的頻率為截止頻率 0時時，光電子剛好逸出金屬表面，光電子剛好逸出金屬表面，電子初動能為零，由

27、愛因斯坦方程電子初動能為零，由愛因斯坦方程有：有： 光子的頻率小于截止頻率光子的頻率小于截止頻率 0 時時，光電子不能逸出金屬表，光電子不能逸出金屬表面。只要光子的頻率滿足面。只要光子的頻率滿足 0 ，電子就會立即逸出金屬電子就會立即逸出金屬表面，是表面，是“瞬時的瞬時的”。hWmvE02k 021 當(dāng)入射光強度大時當(dāng)入射光強度大時，單位時間內(nèi)電子吸收的光子數(shù)就多，單位時間內(nèi)電子吸收的光子數(shù)就多，光電流就大，光電流與入射光強度成正比。光電流就大，光電流與入射光強度成正比。愛因斯坦方程不僅圓滿地解釋了光電效應(yīng)的實驗愛因斯坦方程不僅圓滿地解釋了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，而且還給出了常量規(guī)律，而且還給出了

28、常量K和和V0的數(shù)值。的數(shù)值。 eAVehK0,0221eVeKmuAmuh221由由和和比較，得比較，得 光電效應(yīng)顯示了光的微粒特性光電效應(yīng)顯示了光的微粒特性，光子與電子相互作用時，光子與電子相互作用時，電子吸收了光子的全部能量，光子也是構(gòu)成物質(zhì)的一種，電子吸收了光子的全部能量，光子也是構(gòu)成物質(zhì)的一種微觀粒子。微觀粒子。例題例題 ：用波長為：用波長為400 nm的紫光去照射某種金屬，觀察到光的紫光去照射某種金屬，觀察到光電效應(yīng)，同時測得遏止電勢差為電效應(yīng)，同時測得遏止電勢差為1.24 V，試求該金屬的紅限，試求該金屬的紅限和逸出功。和逸出功。 解解: 由愛因斯坦方程，得由愛因斯坦方程，得22

29、1muhA等號兩邊同除以普朗克常量等號兩邊同除以普朗克常量h，得，得 hmuhA22等號左邊等于紅限等號左邊等于紅限 0，所以，所以 hmuc220因為因為 2a21mueV 所以所以heVca0.Hz10514Hz10992Hz10507Hz1063624110601Hz10004100031414143419780.代入數(shù)值，得代入數(shù)值，得根據(jù)逸出功根據(jù)逸出功A與紅限與紅限 0的關(guān)系，可求得逸出功的關(guān)系，可求得逸出功 eV1.87=J10992J10636105141934140.hA例題例題 ：有一鉀薄片，距光源3米，此光源功率為1瓦。鉀原子以原子半徑為0.5A。(0.05nm)的圓面積

30、來吸收光能量，并發(fā)射光電子。光電子脫離鉀表面的脫出功為1.8eV。問按波動的觀點，鉀原子要從光源吸收到這么些光能量，需要多長時間？解 鉀原子面積上照到的光能量為：逸出光電子所需的時間：顯然用光波動理論無法解釋光電效應(yīng)秒焦耳瓦米米/107134)105 .0(232210P秒40001106 . 11078 . 11923eVJWeVt本章的學(xué)習(xí)重點：電子與光子的異同；光的波動性與粒子性學(xué)習(xí)難點：黑體輻射的普朗克公式推導(dǎo)教學(xué)要求：掌握光子的基本特性，理解光的波粒二象性光壓光壓光學(xué)黏膠光學(xué)黏膠幾率波幾率波測不準原理測不準原理1. 光光是波、也是粒子是波、也是粒子 緒論已經(jīng)回答了的問題 光是波 它具

31、有波長 和頻率 光是粒子 它具有能量 和動量 按普朗克 / 愛因斯坦的假設(shè) 能量因為 所以， 動量 光子質(zhì)量光子質(zhì)量與波長成反比EP2mcE hchcEP12chcEmhvE 2. 光子有動量就應(yīng)當(dāng)具有光壓力光子有動量就應(yīng)當(dāng)具有光壓力 設(shè)有n個光子投射到完全吸收黑薄片上，則總動量為： 光強 I為單位時間, 通過單位面積的總能量 在面積 S 上光子動量產(chǎn)生的壓強為： cnhPt/cIdtdEScdtdPSSnFAtt11dtdESIt1dtdPdtdvmmaF 用強光照射用強光照射 Na 原子原子 (原子量為原子量為 23, 原子直徑原子直徑 1 A), 若要若要求光子產(chǎn)生的壓力比重力產(chǎn)生的壓力

32、大求光子產(chǎn)生的壓力比重力產(chǎn)生的壓力大 10 倍倍, 試求入試求入射的光強度為多少射的光強度為多少? 解解 按題意寫出按題意寫出式中式中 m = 23 Mp, g = 10 (m / Sec2)為重力加速度為重力加速度, S為為 Na原子的截面積。將各參數(shù)代入上式得：原子的截面積。將各參數(shù)代入上式得： 這就是說當(dāng)光強達到這就是說當(dāng)光強達到0.147(瓦瓦 / 毫米毫米2)時時, Na 原子上受原子上受到的光壓力是重力的十倍。到的光壓力是重力的十倍。SgmcIA10)/(1014723米瓦In1997年，華裔科學(xué)家朱棣文朱棣文因開發(fā)出 “激光冷卻原子激光冷卻原子” ” 的的 “ “光學(xué)粘膠光學(xué)粘膠

33、” 技術(shù)而得諾貝爾物理學(xué)獎。 上、下、左、右、前、后六光束會聚于中央原子區(qū)使原子冷卻至近絕對溫度零度光的粒子性光的粒子性光壓光壓 1924年法國物理學(xué)家德布洛意(de Broglie)在光的二象性的啟發(fā)下，提出實物粒子，例如: 電子、原子、中子等也具有波粒二象性的假設(shè)。粒子的能量 E 和動量 P與“粒子波”的頻率和波長之間，德布洛意借用了光子的波粒二象關(guān)系式把物質(zhì)波也表示為： 以后物理學(xué)界就把這種物質(zhì)粒子的波動稱為德布洛意波或物質(zhì)波。1929年德布洛意為此獲得諾貝爾獎金。/hPhE數(shù)字的例數(shù)字的例 中子的平均動能為中子的平均動能為 kBT, 試求試求 在在 300K 溫度溫度下，中子下，中子的

34、德布洛意波長的德布洛意波長 = ? 解 利用 其中 代入得 (中子的質(zhì)量 代入)常溫下中子的波長大約比光波長小三個數(shù)量級常溫下中子的波長大約比光波長小三個數(shù)量級。Ph)(1078. 12210米TmkhmEhBkgm271067. 1mPmPEmcPmcE2/2121222粒子的平均動能：mPE223) 電子顯微鏡的線分辨率約等于德布洛意波長，使用電子顯微鏡的線分辨率約等于德布洛意波長，使用的電壓為的電壓為100仟伏，求這臺電子顯微鏡的波長理論極仟伏，求這臺電子顯微鏡的波長理論極限限?解埃埃039. 0)(3 .122VmeVh粒子的幾率波演示實驗粒子的幾率波演示實驗粒子的幾率波演示實驗粒子的

35、幾率波演示實驗u 以二種方式來做電子束通過鋁片的衍射實驗。如果入射的電子束流是強大的，在單位時間內(nèi)有許多電子從晶體薄膜中透射出來，使熒光底片上立即出現(xiàn)衍射的圖形。u 如果電子束流的強度很弱，以致于電子是一個個地從薄膜中透射出來，這時在熒光底片上將出現(xiàn)一個一個點子，這些點子是無規(guī)地分布著的，顯示出電子的粒子性 。隨著時間的延長，點子的數(shù)目越來越多，最后奇跡出現(xiàn)了：所有的無規(guī)則點子構(gòu)成了一個有規(guī)則圖樣-衍射圖樣，顯示出電子的波動性。 從上述實驗看，前者(強電流)是對空間求統(tǒng)計平均，而后者(弱電流)是對時間求統(tǒng)計平均。 在前一情況下，如果說電子(或光子)落在某些地方(條紋處）稠密些，在后一情況下，就

36、是落在這些地方的電子(或光子)頻繁些。 用統(tǒng)計的觀點，便把波、粒二象性聯(lián)系了起來。若用波函數(shù) 表示 粒子的狀態(tài)，從而形成這樣的概念：波在某時刻和某空間的 “強度”（振幅絕對值的平方 ）就是該時刻、在該空間處找到粒子的幾率。tr,tr,2 這種統(tǒng)計的方法確實統(tǒng)一了粒子和波動兩個物理概念。從粒子方面看，粒子的質(zhì)量、能量、動量出現(xiàn)在空間某處的幾率，正好與從波動方面看，波的振幅在該處形成相干疊加的強度（幅值的平方 ）相吻合。 這也正是愛因斯坦的觀念：他把波振幅的平方解釋為粒子出現(xiàn)的幾率密度，從而使粒子和波動的二象性成為可以理解的。tr,2己經(jīng)看到微觀粒子具有波粒二象性，它不象經(jīng)典粒子是決定論的，一但把

37、粒子的位置(力學(xué)量)確定準確，其波長或頻率就會廣延到很大的范圍(廣延量)。所以微觀粒子不是決定論的只能說出粒子到達某處的兒率。海森堡的測不準關(guān)系式海森堡的測不準關(guān)系式(德國物理學(xué)家德國物理學(xué)家1927年提出）年提出）海森堡根據(jù)波粒二象性和實驗上不能同時測準位置與動量的實驗事實實驗事實得出即量子體系中，位置與動量及時間與能量(或頻率)不能同時測準的物理量。2/12/ ttE或2/xpx)2/(hhEl海森堡測不準原理是通過一些實驗來論證的海森堡測不準原理是通過一些實驗來論證的l設(shè)想用一個設(shè)想用一個射線顯微鏡來觀察一個電子的坐標，因為射線顯微鏡來觀察一個電子的坐標，因為射線顯射線顯微鏡的分辨本領(lǐng)受

38、到波長微鏡的分辨本領(lǐng)受到波長的限制，所用光的波長的限制，所用光的波長越短，顯微越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測定電子坐標不確定的程度鏡的分辨率越高，從而測定電子坐標不確定的程度x x就越小，就越小，所以所以xx。但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子。但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子和電子的碰撞，波長和電子的碰撞，波長越短，光量子的動量就越大，所以有越短，光量子的動量就越大，所以有p1/p1/。經(jīng)過一番推理計算，海森堡得出：。經(jīng)過一番推理計算，海森堡得出：x xp ph/4h/4。即即“在位置被測定的一瞬，當(dāng)光子正被電子偏轉(zhuǎn)時，電子的動量在位置被測定的一瞬，當(dāng)光子正被電子偏轉(zhuǎn)時，電子的動量發(fā)生一個不連續(xù)的變化，因此，在確知電子位置的瞬間，關(guān)于它發(fā)生一個不連續(xù)的變化，因此，在確知電子位置的瞬間，關(guān)于它的動量我們就只能知道相應(yīng)于其不連續(xù)變化的大小的程度。于是的動量我們就只能知道相應(yīng)于其不連續(xù)變化的大小的程度。于是，位置測定得越準確，動量的測定就越不準確，反之亦然，位置測定得越準確，動量的測定就越不準確，反之亦然”l海森堡還通過對確定原子磁矩的斯特恩海森堡還通過對確定原子磁矩的斯特恩- -蓋拉赫實驗的分析證明蓋拉赫實驗的分析證明，原子穿過