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第十三章 光粒子性

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第十三章 光粒子性 第十三 粒子
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第十三章 光的粒子性 • 教学要求: • 1.熟练掌握描写光的粒子性的普朗克量 子假说和爱因斯坦的光子学说;黑体辐 射和光电效应。掌握激光的原理和基本 特点。 • 2.理解光的波粒二象性及康普顿效应。 • 3.了解激光的生物效应和医学应用;了 解生物光学成像和光学生物传感器。 第一节 黑体辐射 • 一.热辐射现象 • 单色辐出度,用 (T)表示 单色吸收率: aλ(T) 单位时间内,在温度为T的物体单位表面面 积上,吸收波长在λ和λ+dλ范围内的辐射 能与该波长范围内入射总辐射能的比值 吸收率等于1物体称为绝对黑体,简称黑体 二、基尔霍夫辐射定律 在相同的温度下,各种不同物体对同一波长 的单色辐出度与单色吸收率的比值都等于该 温度下黑体在这一波长的单色辐出度。 三、黑体辐射的实验定律 黑体模型 黑体辐射的能量分布 1.斯特藩-玻耳兹曼定律 σ=5.67×10-8W/(m2) 曲线下的面积与绝对温度T的四次方成 正比 2.维恩位移定律 随着温度T的升高,峰值波长 λm将向 短波方向移动 b=2.898×10-3m 例题13-1 已知在红外线(λ=1~14m)范围 内,人体(包括黑、白及其他有色人种)可 近似看作一个黑体。假设成人表面面积 的平均值为1.73m2,体表温度为 33℃=306K,求人体辐射的总功率。 解 根据斯特藩-玻耳兹曼定律,人体单位面 积的辐射功率为 W/m2 人体辐射的总功率为 P = W 四、普朗克量子假说 1900年普朗克提出了一个全新的黑体辐射 公式: 图13-4热辐射理论公式与实验结果比较 普朗克提出的量子假设: 1.谐振子能量的量子化假设 E=nhν (n=1,2, ······。) ,称为普朗克常数 2.谐振子与外界发生能量交换的量子化假设 第二节 光电效应 一.光电效应 某些金属在受到适当频率的光照射时,可 使金属中的自由电子获得能量而逸出金属 表面的现象 图13-5 光电效应实验装置 光电子 光电流 截止电位 光电效应带来的困扰经典物理学的问题: 1.存在一个确定的临阈频率 2.光电子初动能的大小与入射光强无关, 而只决定于入射光的频率 3.当入射光的频率临阈频率时,无论光的 强度多微弱,只要光一照射到金属上,就 几乎立刻观测到光电子。 二、爱因斯坦的光子假说 光量子 =光子 爱因斯坦光电效应方程 电子在挣脱金属束缚时所作的功叫逸出功 由爱因斯坦光电效应方程能圆满解释光电 效应的实验结果 1.要使电子能够逸出金属表面,光子的能 量h不能小于A,换言之,能够产生光电效 应的入射光的最低频率应满足下列关系 或 2.对同一种金属来说,光电子的初速度与 入射光的频率成正比,而与入射光的强度 无关 3.在金属中,一个电子能够一次全部吸收一 个入射光子的能量,只要光子的能量大于金 属的逸出功,则这个电子立即逸出金属表面 ,而不需要时间去积累能量 三、光子的质量与动量 光子的质量为 光子也具有动量 第三节 光的波粒二象性 一、康普顿效应 图13-6 康普顿散射实验装置 根据能量守恒定律,碰撞前后有 又依动量守恒定律,应用三角定律 利用相对论的质量-速度关系式: 整理:得 式中,称为康普顿波长 二、光的波粒二象性 第四节 生物光子学 一、光生物技术基础 1.激光的产生机制 正常分布 受激吸收 自发辐射 受激辐射,受激辐射的光是激光 .激光就必须设 法加强受激辐射,要实现这一目的,必须满足 下述两个条件: (1)实现粒子数反转 (2)具有光学谐振腔 2.激光的特性 (1)方向性好 (2)单色性好 (3)强度大 (4)相干性好 二、激光生物效应和医学应用 1.激光的生物效应 (1) 激光的热效应 (2) 激光的光化学效应 (3) 激光的机械效应 (4) 激光的电磁场效应 (5) 激光的生物刺激效应 2.激光的医学应用 (1)治疗 (2)诊断 三、生物光学成像 四、光学生物传感器
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