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光子概念发展
摘 要:本文介绍光子概念的提出、发展过程,光子的一些性质以及基于光子的研究发展起来的光子学技术在现代生活中的应运。
关 键 词:光子,光子学技术
引 言 关于光的认识,历史上微粒说和波动说争论了很长时间,一段时间光的波动理论占了上风。后来又发现了黑体辐射,光电效应等经典理论不能解释的现象,直到普朗克和爱因斯坦提出量子论,爱因斯坦提出光量子(即光子),将微粒说和波动说统一起来,波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。此后,科学家对光子的结构、质量以及电磁性质都做了理论分析和实验研究,在此基础上发展起了光子学,在现代军事、工农业生产、环境保护、医学等方面都有重要应运。
1.微粒说和波动说的争论
关于光微粒说和波动说经历了很长时间的争论,后来,以波动说的暂时胜利而结束,建立了光的波动理论,最后也归结为麦克斯韦方程。
2.光子概念发展历史
19世纪末期,物理学理论在当时看来已发展到相当完善的阶段,光的现象有光的波动理论,但后来人们发现了一些新的物理现象,如黑体辐射,光电效应,原子的光谱线等,这些现象揭露了经典物理学的局限性,从而为发现微观世界的规律打下基础。
2.1黑体辐射
19世纪中期,当时黑体辐射(black-body radiation)正引起物理学家高度的注意。从机器时代开始铁匠就已经知道把金属加热到足够高的温度时会发出可见光,在较低的温度会发出较暗且偏红的光,在较高的温度 会发出较亮且偏蓝的光,由金属发光的亮暗和颜色就可以判断铁的温度是否适当,是否可以打了。在19世纪中期物理学家对热力学和电磁学已有足够的了解,他们知道高温的金 属之所以会发光是由于属上的电荷因处于高温状能而激烈运动因而发出可见光 波段的电磁波,并把这种因为温度造成物体所发出的电磁波称为黑体辐射。在1850年末期,热力学和电磁学大师克希何夫(G.R.Kirchhoff)对上述现象感到兴趣并开始研究黑体辐射问题 。他考虑一个处在某一固定温度由某种材质所制作的表面上有一小孔的中空容器,并推论如果小孔面积远小于这容器的內壁面积,由这个小孔离开容器的电磁辐射就相当于黑体辐射。其在各个电磁波段能量的比重(即频谱)和中空容器的材质与容器的形状没有关系,唯一对电磁波频谱造成影响的只有温度,很遗憾的是他并无法得到频谱的温度函数。在那之后如何由理论或实验得到频谱的温度函数就成为物理学家们的一大挑战。在此后的40年里,物理学家做了许多精确的实验,也提出了各种不同的模型和理论來解释实验结果。
2.1.1斯特藩——玻尔兹曼定律
黑体的辐射通量与绝对温度T的四次方成正比,即:
, (1)
式中为普实常数(斯特藩——玻尔兹曼常数)。
2.1.2维恩定理
维恩由热力学出发,整理实验数据,得出经验公式——维恩公式:
(2)
这个图在短波部分与实验结果还符合,但在长波部分则显著不一致。
2.1.3瑞利——金斯定律
瑞利和金斯根据经典电动力学和统计物理学也得出瑞利——金斯定律公式:
(图一) (3)
他们的出的公式在长波部分与实验结果较符合,而在短波部分却出现发散而失败,历史上称之为“紫外灾难难”。
图一
2.1.4普朗克辐射公式
黑体辐射在普朗克引进量子概念后才得到解决。普朗克假定:黑体以为能量单位不断连续地辐射和吸收频率为的辐射。能量单位称为能量子,是普朗克常量,数值为:基于这个假设,得到了与实验结果符合的很好的黑体辐射公式:
(图二) (4)
图二 普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱
式中c是光速,是玻尔兹曼常量,T是黑体的热力学温度,但普朗克只是指出电磁辐射只在被发射和吸收时以能量为hv的微粒形式出现。 2.2 光电效应
光电效应是指,当光照射到金属时,有电子从金属中逸出,这种电子称为光电子。
2.2.1光电效应无法用经典电磁理论解释的主要实验结果
光电效应无法用经典电磁理论解释的主要实验结果有下述三点:
(1)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,
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