光学第 3 章。量子光学第 1 部分
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1. 光的历史
2. 光的本质
3. 与其他光学器件的比较
a. 量子光学第 2 部分
1. 光的历史
⑴ 概述
①波动理论：光被描述为波动。
②粒子理论：光被描述为粒子。
③光研究的历史可以看作是确定光是波还是粒子的历史。
⑵ 历史直至近代
①亚里士多德（BC.384-322）：当我们看到世界上的某些东西时，从我们的眼睛中看到的是物体反射的东西。
② Hasan Ibn al Haytham (965-1040)：声称眼睛的解剖结构与针孔相机之间有相似之处。
③ Francesco Maria Grimaldi（博洛尼亚）：1660年将光的衍射解释为粒子理论。
④惠更斯：倡导光的波动说。有效地解释了反射和折射。
○光论 (1690)
○ 思想光是通过称为“以太”的介质传播的波。
⑤ 牛顿：声称光由称为微粒的粒子组成。
○光学 (1704)
⑥ 衍射实验
⑦ 散射实验
⑧ 托马斯·杨 (1773-1829)
○ 双缝干涉实验（1801-1803）
○ 光波长的测量
⑨ 奥古斯丁·菲涅尔 (1788-1827)
○ 主张光的波动性
○ 根据惠更斯原理开发了衍射方法（1818）
⑩ 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (1831-1879)
○ 将电学和磁学的数学理论表述为4个麦克斯韦方程组
○ 提出电磁波传播理论（1873）
○ 计算电磁波的速度，发现它等于光速
⑪ 海因里希·赫兹 (1857-1894)：产生并检测到麦克斯韦 (1887) 预测的电磁波
⑶光电效应：通过爱因斯坦的解释，作为光的粒子性的证据。
① 概述
○ 定义：入射光与金属板碰撞，发射光电子的现象。
○ 功函数：光电效应所需的最小能量，相当于电离能。
○ 阈值频率：光产生光电效应的最低频率。 h × 阈值频率 = 功函数。
○ 光子最大动能：入射光能-功函数
图1. 电压、光电电流和光强度之间的关系。
② 物质与光的相互作用
图 2. 能级和光电效应。
○ X = a、Y = b、Z = c
○ 当X和Z分别照射时，不会发射光电子。当 Y 被照射时，会发射光电子。
○ 光子 Y 的能量等于光子 X 和 Z 的能量之和。
○ 当 X 和 Z 同时照射 P 点时，不发射光电子。
○ 原因：光子与单个原子相互作用只能相互作用一次。
③ 应用领域
○ 发光二极管
○ 电荷耦合器件 (CCD)
○ X射线光电子能谱（XPS）
⑷【黑体辐射】(https://jb243.github.io/pages/750)
①定义：凡是具有能量的物体都会发光的现象。
② 黑体：吸收所有入射能量并发射所有吸收能量的物体。
③ 波形模式数量
○ 基于Steady Waves，根据方向分配。» ○ 一维稳态波：根据状态数n（自然数），长度L存在各种不同频率的稳态波。
○ 3D 稳态波：根据波的状态向量 (l、m、n)，存在各种波（在本例中为光）。
○ 状态向量可以与正交坐标相关：由于正整数 l、m、n，考虑 1/8 八分圆。
○ 波模数：对于距离原点 p 和半径 p 在 1/8 八分圆格点内的距离，N*(p)，
○ 模数（N*）与频率（ν）的关系
○ 该公式没有考虑两个波具有相同状态数但相位相反的可能性。
○ 结论：对于体积 V = L^3，单位体积的状态数 N = N* / V，
④ 瑞利-金斯定律
○ 概述：要将黑体辐射分析为波，应观察紫外线灾变。
○ 热力学：除了平移和旋转运动之外的平均振动能量，指定自由度为 2。
○ 频率ν下单位体积的平均辐射能
○ Ultraviolet Catastrophe（紫外线灾难）：黑体辐射无限接近的波长接近0的光。
○ 实际上，波长接近 0 的光会收敛到零强度。
⑤ 普朗克定律
○ 马克斯·普朗克于 1900 年引入粒子并假设 E = hν 成功解释了它。
○ 单光子能量
○ 具有频率为ν的n个光子的概率：具有特定能量的粒子的概率遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布)。
○ 系统平均能量
○ 频率ν下单位体积的平均辐射能
图 3. 普朗克曲线。
○ 系统单位体积总能量
○ 光子通量
⑥ 斯特凡-玻尔兹曼定律：黑体单位时间内单位面积发射的能量与黑体绝对温度T(K)的四次方成正比。
○ 真实物体有时会在方程中考虑反射率 ε
○ σ：斯蒂芬-玻尔兹曼常数，8.22 × 10^-11
⑦ 维恩位移定律：发射最大辐射能量时的波长λmax (μm)与黑体的绝对温度T(K)成反比。
○ α：维恩常数，2.89 × 10^3
⑧ 泡利不相容原理
○ 定义：同一轨道上电子的两个量子数不可能相同。
○ 为什么普朗克曲线显示为连续图
○ 当原子聚集时，能级会轻微移动，并且能级会连续出现。
图 4. 由于轨道重叠而导致能级分裂。
图 5. 由于轨道重叠而形成能带。
⑸ 康普顿散射
① 光入射到静止的电子上，光子与电子发生弹性碰撞的现象。
② 光粒子性的证据
③【实验设计】(https://jb243.github.io/pages/756)
⑹ 电子的波动性
① Davisson-Germer 实验：展示电子束入射到镍晶体上时的衍射。
② 汤姆森的电子散射实验（1925）
○ 将电子束照射到金属箔上，得到类似于X射线衍射的电子衍射图
图 6. 汤姆森的电子散射实验。
左：X 射线衍射图，右：电子散射图
○ 结论：实验证明电子（通常称为粒子）可以发生衍射。
○ 推论：如果电子具有类波性质，则无法确定其精确轨道。
2.光的本质
⑴光是一种传递电磁力的电磁波。
⑵ 光速不变定律
⑶ 静止质量=0
米<子>0 = 0⑷ 自旋为 1 的矢量粒子
⑸ 费用为0
3。与其他光学器件的比较
⑴ 几何光学 ⊂ 波动光学 ⊂ 量子光学
⑵ 几何光学：将光视为射线
⑶ 波动光学：将光视为波
⑷ 量子光学：将光视为粒子。利用费曼图。波长 500 nm 的光子能量：E = hf = hc / λ = 3.98 × 10^-19 J
输入： 2020-03-23 23:03
修改： 2022-09-12 19:42