Chap. 7 Quantum Optics.

Slides:



Advertisements
Similar presentations
物理思想与方法 1. 量子化的思想 能量发射和吸收时的量子化 —— 黑体辐射; 能量传输时的量子化 —— 光电效应、康普顿散射; 能量状态的量子化 —— 能级; 角动量的量子化;角动量空间取向的量子化; 自旋的量子化; 2. 波粒二象性的思想 一切物质都有粒子性和波动性,即两面性; 粒子性:整体性(不可分割),抛弃轨道概念;
Advertisements

莫名其妙的量子世界 『從原子到宇宙』課程第四週 胡維平 國立中正大學化學暨生物化學系 10/08/2015.
第十五章 量子物理 15-6 德布罗意波 实物粒子的二象性 物理学 第五版 1 光电效应 光子 爱因斯坦方程 1 “ 光量子 ” 假设 光可看成是由光子组成的粒子流,单个光 子的能量为. 2 爱因斯坦光电效应方程 逸出功与 材料有关.
康普顿散射的偏振研究 姜云国 山东大学(威海) 合作者:常哲 , 林海南.
诸法无我 宇宙身心皆是幻化,了无自性。 『无常』故『苦』,『苦』故『无我』,『无我』故『空』!
大型仪器介绍课程 小角X射线散射原理与应用 庄 文 昌 指导老师: 陈 晓.
第 1 章 波函数与Schröinger方程 §1.1 波函数的统计诠释 §1.2 Schrödinger 方程 §1.3 量子态叠加原理.
第一章 绪论 内容简介:在简单回顾和罗列经典物理困难的基础上,本章扼要的介绍了普朗克的能量量子化的概念、爱因斯坦的光量子和玻尔的量子论,以及如何利用这些量子化的假说解决经典困难。然后引入光的波粒二象性和德布罗意波。本章的许多结果,最后虽然被量子力学在更高的水平上重新给出,但本章的许多概念,即使在今天,对于物理学工作者仍然是极其重要的。
量子概念是 1900 年普朗克首先提出的,距今已有一百多年的历史
Chap. 7 Quantum Optics.
§18-1 热辐射 普朗克的量子假设 1. 热辐射现象 固体或液体,在任何温度下都在发射各种波长的电磁波,这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。 固体在温度升高时颜色的变化 800 K 1000 K 1200 K 1400 K 物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。
科学发现系列讲座 能量子的再发现.
第2章 电磁辐射的量子性.
國立成功大學 光電工程學系 National Cheng Kung University
1 光波、光线与光子 §1.5 光波场的量子性.
第17章 量子物理 §17.1 热辐射,普朗克的量子假设 §17.2 光的粒子性 §17.3 氢原子光谱,玻尔的氢原子理论
版權所有 翻印必究 指導教授:林克默 博士 報告學生:許博淳 報告日期: 2011/10/24. 版權所有 翻印必究 Results and discussion The crystalline peak at 33° corresponds to the diffraction of the (200)
方德清 马余刚 蔡翔舟 田文栋 王宏伟 陈金根 郭威
定标率的实际应用(量纲分析/半定性的物理学)
Platypus — Indoor Localization and Identification through Sensing Electric Potential Changes in Human Bodies.
量子物理概論, 固態能帶概念, 物質導電度, 半導體材料
『從原子到宇宙』課程第四週 胡維平 國立中正大學化學暨生物化學系 10/06/2011
D. Halliday, R. Resnick, and J. Walker
99新課綱內容: 量子現象 1. 光電效應 1-1 黑體輻射 1-2 愛因斯坦 光電效應 1-4 光電效應的應用
量子力学 主讲:张鲁殷 量子力学 Quantum Mechanics 教 材:陈鄂生《量子力学基础教程》 参考书:周世勋《量子力学教程》
普通物理 General Physics 27 - Circuit Theory
Fundamentals of Physics 8/e 27 - Circuit Theory
自引力体系统计物理的新进展 Ping He
Short Version : 6. Work, Energy & Power 短版: 6. 功,能和功率
机器人学基础 第四章 机器人动力学 Fundamentals of Robotics Ch.4 Manipulator Dynamics
普通物理 General Physics 29 - Current-Produced Magnetic Field
Interval Estimation區間估計
NaI(TI)单晶伽马能谱仪实验验证 朱佩宇 2008年1月3日.
Understanding masses of charm-strange states in Regge phenomenology
LD Didactic GmbH, Leyboldstrasse.1, Huerth, Germany –2008
塑膠材料的種類 塑膠在模具內的流動模式 流動性質的影響 溫度性質的影響
Fundamentals of Physics 8/e 28 - Magnetic Force
Chapter 8 Thermodynamics of High-Speed Gas Flow (第8章 气体和蒸气的流动)
辐射带 1958年:探险者一号、探险者三号和苏联的卫星三号等科学卫星被发射后科学家出乎意料地发现了地球周围强烈的、被地磁场束缚的范艾伦辐射带(内辐射带)。 这个辐射带由能量在10至100MeV的质子组成,这些质子是由于宇宙线与地球大气上层撞击导致的中子衰变产生的,其中心在赤道离地球中心约1.5地球半径。
First-Law Analysis for a Control Volume
Neutron Stars and Black Holes 中子星和黑洞
Energy, temperature and hea
句子成分的省略(1).
Fundamentals of Physics 8/e 0 – Table of Contents
普通物理 General Physics 21 - Coulomb's Law
行星運動 人類對天體的運行一直充滿著好奇與幻想,各式各樣的傳說與理論自古即流傳於各地。在這些論述中,不乏各式神鬼傳說與命運註解,也包含了許多爭論不休的學術觀點。雖然這些形而上的虛幻傳奇仍然流傳於坊間,但是科學上的爭執卻因牛頓重力理論(law of gravitation)的出現而大致底定。
从物理角度浅谈 集成电路 中的几个最小尺寸 赖凯 电子科学与技术系 本科2001级.
Mechanics Exercise Class Ⅰ
交流阻抗的量測與分析 交流阻抗 (AC Impedance) 電阻的阻抗 Z=R 電容的阻抗 電感的阻抗 Z〞 ω變大 R Z′
動量與能量.
Thinking Physics -Vibrations.
激光器的速率方程.
實 驗 1 : 電 場(Electric Field) (課本實驗14)
形容词短语(续).
第15章 量子力学(quantum mechanics) 初步
Q & A.
光电效应的发现与三位诺贝尔物理学奖 1 赫兹发现了光电效应现象
Nucleon EM form factors in a quark-gluon core model
磁共振原理的临床应用.
Mechanics Exercise Class Ⅱ
Q1: How do we determine the crystal structure?
量子力学 复旦大学 苏汝铿.
同位语从句.
§17.4 实物粒子的波粒二象性 一. 德布罗意假设(1924年) 波长 + ? 假设: 实物粒子具有 波粒二象性。 频率
X-ray sources X-rays have the proper wavelength (in the Ångström range, ~10-10 m) to be scattered by the electron cloud of an atom of comparable size (we.
句子成分的省略(3).
定语从句(4).
Principle and application of optical information technology
第七章 振动和波.
Presentation transcript:

Chap. 7 Quantum Optics

7.1 Monochromatic radiant exitance and absorptance、 Kirchhoff’s law 7.2 Wien’s formula and Rayleigh-Jeans’s formula 7.3 Planck radiation formula energy quanta 7.4 Photo-electric effect、 photonics 7.5 Compton effect 7.6 wave-corpuscle duality

7.1 Monochromatic radiant exitance and absorptance、Kirchhoff’s law 一、thermal radiation and luminescenc(irrediance) 热辐射和发光 Kinds of radiation: Chemiluminescence, photoluminescence, electroluminescence, Cathode luminescence, thermal radiation. 化学发光、光致发光、场致发光、阴极发光、热辐射 Several physical quantities Monochromatic radiant exitance (单色幅出度) ——物体表面单位面积在单位频率间隔内辐射的功率。 Radiant exitance ——物体表面单位面积辐射的功率。

dW 表示照射到温度为T的物体的单位面积上、频率在+d范围内的辐射能 。 absorptance 吸收比 dW 表示照射到温度为T的物体的单位面积上、频率在+d范围内的辐射能 。 dW‘表示温度为T的物体单位面积所吸收的频率在+d范围内的辐射能。 2. Kirchhoff’s law universal function 普适函数与材料无关 is related to the material

7.2 Wien’s formula and Rayleigh-Jeans’s formula 一、black body/ideal radiator黑体 Black body——absorb all electromagnetic waves in any temperature。 在任何温度状态下、 全部吸收任何波长的电磁波 applying Black body, Universal constant is the monochromatic radiation exitance of black body. T=6000k T=5000k T=3000k Visible light 普适常数就是黑体的单色幅出度。 ∴ Kirchhoff’s law Discussion: 1.In the same temperature,black body radiates most. 2.There is no ideal radiator, so black body model is applied to study 3.Is black body black, and black object is black body?

二、classical radiation laws of black body and their limitation Monochromatic radiation exitance of black body 1. Two experiment laws (1)Stefan-Boltzmann’s law 斯特藩——玻尔兹曼定律 Radiation of black body 黑体的幅出度  = 5.6703210-8 w/(m2K4) Stefan-Boltzmann constant (2)Wien’s displacement law 维恩位移定律 There is a maximum in and its wavelength is, b= 2.897810-3 m·K Wien constant When temperature goes up, maximum moves to short wave.

2. classical radiation laws of black body and their limitation Wien’s formula Rayleigh-Jeans’s law 瑞利——金斯定律(能量均分定理) k= 1.3810-38 J/K 瑞利——金斯线 Boltzmann constant Wien line Ultraviolet disaster 紫外灾难

R=1.5×1011m r=1.39×109m 例7-1(1)如果将恒星表面的辐射近似地看作是黑体辐射, 就可以用测量λmax的方法来估算恒星表面的温度。现测量到太阳 的λmax为510nm,试求它的表面温度。 (2)太阳常数(太阳在单位时间内垂直照射在地球表面 单位面积上的能量)为1352w/m2,日地间的距离为1.5×108km, 太阳直径为1.39×106km,试用这些数据估算一下太阳的温度。 R=1.5×1011m r=1.39×109m

7.3 Planck radiation formula energy quantum In 1900,Planck proposed a hypothesis: 普朗克提出一个假设:(实用主义解释实验, 但由此步入量子化,有质的飞跃。) 辐射体由各种振动频率的谐振子组成,辐射能量连续。 2.每个谐振子能量不连续变化,只能处于某些分立的能量 状态。最小的能量单位E0 即为能量子。E0,2E0,3E0,… h= 6.62617610-34 J·s——Planck constant ——谐振子振动频率 3.谐振子从一个能量状态到另一个能量状态 E02E0 Absorb radiation 吸收外来辐射 2E0E0 Radiate energy 辐射能量

二、Planck formula普朗克公式 According to Planck hypothesis and Boltzmann distribution The probability of oscillator with temperature T and energy E= nE0 is  Average energy of every oscillator: 每个振子平均能量为: The equation of black body radiation changes into: 普朗克黑体辐射公式为:

results:1. Fit well with the experimental curve 2. Short wave, small  Wein’s formula Long wave, large  Raleigh-Jeans’s formula 3. calculate is consistent with experimental law  b accords with experimental law From experiment, we can measure  and b,then apply Planck’s formula to calculate h and k . We found that their values are consistent with experimental results. 由普朗克公式推得h和k,其值与其它 实验结果一样,说明普朗克公式有其正确方面。 From classical to quantum 实现从经典量子的过渡。

7.4 Photo-electric effect 7.4.1Experimental results of photo-electric effect Einstein, in 1905, explained the photoelectric effect based on Planck’s idea of quantum theory of light. 光电效应——电子在光的作用下从金属表面发射出来的现象 逸出来的电子称为光电子 普朗克:振子辐射能量量子化,但辐射场是连续的电磁波 1905年爱因斯坦对光电效应研究电磁场以量子的形式存在 Experimental facility Experimental curve of I-V G V G: galvanometer V I Vg Im V: voltmeter

The following results were observed: Vg Im 1.The number of photo-electrons ejected depends upon the intensity of the incident light. Thus, the photo-electric current depends upon the intensity of the incident light. 饱和电流Im  入射光强 I。 2. The stopping potential Vg depends upon the frequency of the incident light and is independent of the intensity of the incident light, and its value is equal to the maximum kinetic energy of the electrons emitted by the surface. 遏止电压Vg与入射光频率有关, 与I。无关。光电子的最大初动能= eVg

只要  >0 ,不管I。多弱,一照上去,就有光电流产生。 3. Light of frequency greater than the critical frequency ejects electrons of different velocities. 只要  >0 ,不管I。多弱,一照上去,就有光电流产生。 4. For a given metallic surface, there is a smallest value of frequency for which the incident light can eject the photo-electrons out of the metal. Light of frequency smaller than this particular value cannot eject electrons, no matter how long it falls on the surface or how high is its intensity. 入射光频率 <0(某一频率),无论照射多长时间,无光电流产生。 截止频率0 (红限) 5.驰豫时间τ<10-9s

7.4.2 contradiction of photoelectric effect and wave theory of light 光电效应与波动理论的矛盾 Electron energy obtained from the incident light 电子从光波获得的能量 w:自由电子运动到金属表面的能量 w:逸出功(自由电子脱出金属表面所需能量) The maximum of kinetic energy of electron : Applying wave theory to explain photoelectric effect: 用波动理论解释光电效应

3.4.与驰豫时间τ<10-9s 矛盾 1. 照射光愈强,逸出表面的电子数多,当电压足够大时, 全部电子到达阳极,所以饱和电流Im  入射光强 I0 2. 照射的光强,接受的能量愈多, Vg应与光强有关,实际却与光的频率有关。矛盾 3.照射时间长,积累能量多,只要照射足够长时间,总会有 电子逸出,有电流。实际却是若入射光频率 <0 , 无论照射多长时间,无光电流产生。矛盾 4.光很弱,必须要照射长时间,才能积累足够的能量, 使电子从金属表面逸出。但实际却只要  >0, 不管I0多弱,一照上去,就有光电流产生。矛盾 3.4.与驰豫时间τ<10-9s 矛盾

7.4.3 Einstein’s quanta explanation 爱因斯坦的量子解释 一、Einstein’s photon hypothesis and photo-electric equation 爱因斯坦的光子假设和光电效应方程 1. Photon hypothesis Planck:吸收、辐射是分立的,电磁波是连续的; 即振子能量量子化,而辐射场仍作连续的。 Einstein:光在传播过程中具有波动性,而在与物质相互 作用过程中,能量集中在光(量)子上。 Each photon has an energy: ——frequency of light h——Planck’s constant

2. photo-electric equation When a photon collides with an electron , it may radiate or absorb energy in the form of a photo energy, this transfer is an “all or none” process. 发射和吸收能量时,以一个光子为最小单位 2. photo-electric equation Ejecting energy Photon energy The maximum kinetic energy of photo-electron光电子最大动能 An electron absorbs energy of a photon 一个电子吸收一个光子能量,一对一吸收

二、quanta explanation of photoelectric effect 对光电效应的量子解释 The intensity of incident light I0  N h ,photoelectrons ejected n  N,when the voltage is large enough, all photoelectrons can reach the anode, so the saturation current Im=ne I0. 2. The higher of frequency, the larger of Vg 3. The energy of photon is large with high frequency, And only when h  W, there are photoelectrons to eject. 0 = c/0 :the critical wavelength 红限波长 4. When photon energy is larger than ejecting energy h  W , There is a photon of incident light, there is an electron to escape. 不管入射光多弱,有一个光子,就会有电子逸出,无需时间积累。

三、experiment verification 实验验证 In 1916, Millikan a negative potential to the cylinder And a positive potential to the plate. 密立根用“接触电势差”替代“阳极、阴极”, It is found that the stopping potential Vg is independent of the intensity of the incident light, while depending on the frequency of the incident light. Thus, Einstein’s hypothesis was verified experimentally. 实验上证实了爱因斯坦假设。 -W/e 0  Vg Millikan obtained the Nobel prize in 1923.

四、mass and momentum of photon 光子的质量和动量 Photon is a kind of particle, but it is different from particle. It has wave-corpuscle duality. 光子是一种粒子,但它不同于微粒,具有波粒二象性 Wave character:, Particle property:m,p 1. Mass and energy equation of relativity 相对论的质量和能量公式 (1) m0 :static mass 静止质量 (2)mass and energy equation 质能公式 Total energy of particle 粒子总能量 Static energy 静止能量 The kinetic energy ( 适用于<<c)

2. Mass and momentum of photon (3)relation of momentum and energy 动量——能量关系 p—momentum 2. Mass and momentum of photon 光子的质量和动量 Static mass of photon: m0=0 Energy of photon: Mass of photon: Momentum of photon:

已知:波长为=200nm的光入射铝表面,铝逸出功W=4.2ev 求:1,出射最快电子动能;2,Vg;3,铝红限波长 解: 1, 2, 3,

N=I/hν 例7-2 波长为200nm的光照射在铝表面上,对铝而言, 移去一个电子所需的能量为4.2eV,试求: (1)射出的最快光电子的动能是多少? (2)遏止电压是多少? (3)铝的截止波长是多少? (4)如果入射光强为2W/m2,则单位时间内打到金属板 单位面积上的光子数为多少? N=I/hν

7.5 Compton effect 一、experimental phenomenon 无法用波动理论解释 X光管 康普顿效应 一、experimental phenomenon X光管 Scattering material 散射物质 X ray photometer 检测器 0  X光分光计 1923年发现此现象 1927年康普顿获 诺贝尔奖 Experimental results: 1. Scattering light: 0,>0; 无法用波动理论解释 2. =-0, ,; ,Is(0)  ,Is()  3.  is independent of scattering material and wave length of the incident light, and only depended on the scattering angle . Is(0) increased with increasing the atomic number of scattering material 随散射物质的原子序数的增加而增大; While Is()decreased. 随散射物质的原子序数的增加而减小。

二、quanta explanation of Compton effect 康普顿现象的量子解释 Suppose the photon of energy hν strikes a free electron at rest. 光子与散射原子中电子发生弹性碰撞。 Conservation of energy Conservation of momentum  (m: mass of electron) Applying cosine law, we have, =0.00241nm Compton wavelength 康普顿波长

Explanation shows that: (From the upper equation) ,,  is independent of scattering material and wave length of the incident light. 2. c=0.00241nm is consistent with experimental results 0.00236nm. 3. In the region of visible light, /10-5 can be neglected, then phenomenon represents the classical scattering. For X-ray,  0.1nm ,/10-2, phenomenon represents quantum property. 4. In scattering material , there are free electrons and bound electrons.When the incident photon strikes again a free electron, the wavelength of scattered photon is more than the incident. When the photon strikes a bound electron,the scattered photon has the same wavelength and frequency of the incident photon. 实际散射物质中,存在束缚电子,看成光子与原子 碰撞, 0,散射光中有原波长0 。原子序数增大,束缚电子增多,散射光中的Is(0)增大。

例7-3 现有:(a)波长λ=0.1nm的X射线;(b)从137Cs样品 入射方向成90°角的方向去观察散射辐射,问每种情况下: (1)康普顿波长偏移是多少? (2)相对康普顿波长偏移是多少? (3)给予反冲电子的动能是多少?

7.6 De Broglie wave and wave-corpuscle duality 德布罗意波和波粒二象性 The dual behavior of photons inspired De Broglie to suggest a model of the atom. 德布罗意波提出假设: 由光具有波粒二象性, Partiles like electrons have wave-corpuscle duality. 一切实物粒子都具有波粒二象性。 Davisson and Germer experiment 戴维孙、革末用实验证实了德布罗意的假设。 v G 0 单晶M K D De Broglie wavelength: In 1929, De Broglie obtained the Nobel prize. 德布罗意1929年获诺贝尔奖

例7-4 在电子显微镜中,电子受到90kV的电压加速,如果要 观察到数量级为10-9cm的分子结构,显微镜的数值孔径应该 多大? chapter 7