2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：光的基本性質(zhì)

光的基本性質(zhì)

光的基本性質(zhì)1、光既是粒子又是波，具有波粒二象性（1）光子的能量：（2）光子的質(zhì)量：（3）光子的動(dòng)量：（4）光子有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)；（5）光子有自旋，且自旋量子數(shù)為整數(shù)，大量光子的集合服從玻色——愛因斯坦分布。2、光是粒子性和波動(dòng)性的統(tǒng)一：利用量子電動(dòng)力學(xué)的理論，可以將電磁場(chǎng)量子化（1）電磁場(chǎng)的本征模式：具有基元能量和基元

動(dòng)量的物質(zhì)單元即屬于同一本征模式的光子；（2）具有相同動(dòng)量和相同能量的光子彼此不可區(qū)分，

應(yīng)屬于同一模式（或狀態(tài)）；（3）處于同一模式或同一狀態(tài)內(nèi)的光子數(shù)目是沒有

限制的；（4）任意電磁場(chǎng)可以看作一系列單色平面波或本

征模式的線性疊加。3、光波模式——從波動(dòng)性來討論（1）麥克斯韋氏方程的解特解：?jiǎn)紊矫娌?。通解：一系列單色平面波的疊加。（2）自由空間中的電磁波:任意波矢的平面波均可

以存在。（3）受邊界條件限制空間的電磁波：一系列獨(dú)立

的具有特定波矢的平面單色駐波。即只

允許駐波模式存在?。?）光波模式：能存在于腔內(nèi)的以波矢為標(biāo)志的電磁波模式。不同模式以區(qū)分，同一又由于對(duì)應(yīng)兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)，則同一波矢對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同偏振方向的光波模式。（5）求體積為V的空腔中的光波模式數(shù)光波模式：在一個(gè)有邊界條件限制的空間V內(nèi)，具有特性波矢的平面駐波。一維駐波的形成：一維行波遇到障礙物后返回與原行波疊加形成的。駐波的形成10波腹波節(jié)對(duì)于駐波腔：形成一維駐波必須滿足條件：同理，可得二維空間駐波在

，方向上必須滿足條件：又因?yàn)椋簞t的三個(gè)分量應(yīng)滿足：（a）設(shè)：在

,,，

三方向應(yīng)用駐波條件得：（b）光波模式的波矢空間表示波矢空間：以kx、ky、kz為直角坐標(biāo)系構(gòu)成的空間。每一個(gè)光波模式對(duì)應(yīng)該空間的一個(gè)點(diǎn)。每個(gè)光模在波矢空間所占體積為：相鄰模間隔：每一組正整數(shù)，，對(duì)應(yīng)于駐波腔內(nèi)一種光波模式。波矢空間中每個(gè)光波模式所占體積：第一象限中區(qū)間體積：此體積內(nèi)光波模式數(shù)：

V體積空腔內(nèi)，頻率內(nèi)光波模式數(shù)（其中考慮了同一有兩種不同的偏振，所以總模式數(shù)乘以2）：（2）光子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述受測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的限制，其坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定！（a）一維運(yùn)動(dòng)時(shí)：在的二維相空間面積元內(nèi)的粒子狀態(tài)在物理上不可區(qū)分，故屬于同一種光子狀態(tài)。4、光子態(tài)——從粒子性來討論在頻率很高的光頻波段,由于λ<<L,空腔中模密度很大，因而Laser的制成面臨更大的挑戰(zhàn)。（1）經(jīng)典力學(xué)中粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述用六維相空間的一個(gè)點(diǎn)，即廣義笛卡爾坐標(biāo)（

,

,

,

,

,

）精確描述?。╞）二維運(yùn)動(dòng)時(shí)：在的四維相空間面積元內(nèi)的粒子狀態(tài)在物理上不可區(qū)分，故屬于同一種光子狀態(tài)。（c）三維運(yùn)動(dòng)時(shí)：在的六維相空間體積元內(nèi)的粒子狀態(tài)在物理上不可區(qū)分，故屬于同一種光子狀態(tài)。