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2.9 原子的激发与辐射 激光原理,一. 原子同其他粒子的碰撞,原子与电子，原子，分子，等其他粒子碰撞,三者发生的可能性大小：,碰撞过程中满足动量，能量守恒。,基本粒子平移动能较小时，只能有弹性碰撞。当碰撞粒子平移动能足够大，使原子能吸收能量被激发就可能发生第一类非弹性碰撞；若原在高能级粒子同另一粒子碰撞，两粒子动能不大，就可能发生第二类非弹性碰撞。,二. 原子在各能态的分布,a. 一个原子在任一时刻只能在某一状态，但观察时总是大量的原子。观察到的现象是大量原子同时分布在不同状态的情况的反映。,b. 大量原子相互碰撞彼此交换能量，有些会被激发到高能态，有些会跃迁到低能态，达到平衡时，各个状态的原子数N决定于状态的能量E和温度T，它们之间的关系如下：,若同一能量有gi个状态，即有简并，简并数为gi，则分布写成,小 ； T 高，,R: 玻耳兹曼常数 T: 绝对温度,三. 原子的自发辐射,1. 原子可以自发地从高能级跃迁到较低的能级，把多余的能量辐射出来称之为自发辐射。,关于这类跃迁我们只能找出跃迁几率,写成等式：,表示一个原子在单位时间内有状态2自发跃迁到状态1的几率；,是t=0 的原子数,2. 原子状态的平均寿命,3. 光谱线强度,四. 受激发射与吸收,1. 设原子处于电磁辐射场中，原子与辐射场就要发生相互作用。,设在状态2,状态1,则有些原子会吸收一个光子的能量从,（称作场致激发或光致激发）,以上两种情况均存在，理由是原子内部运动的位相随机分布。,2. 吸收与发射几率,吸收系数,a. 吸收 状态1跃迁到状态2的原子数应正比于状态1的原子数N1 ，还正比于具有频率 的辐射密度 。,b. 发射 同理，状态2受激辐射跃迁到状态1的原子数 B21为发射系数,五激光原理,1辐射场频率满足原子玻尔频率条件,当E2E1时，N1N2,即低能级原子数大于高能级原子数，所以一般在辐射作用下有dN12dN21,这相当于把能量储存在原子体系中，然后触发原子体系，使较多的原子从二能级中高能级跃迁到低能级。而再发出辐射，只能较少的原子 吸收能量向较高能级跃迁，总的效果有强的辐射输出。,当g1=g2时，有B12=B21，但由于,2. 如果把一个原子体系的原子数在能级上的分布反转，而且它自己所发的辐射足够强的话，就可以自己触发受激发射，成为一个强的辐射源， 就是一种激光器。,若有辐射频率满足（E3-E1）/h的辐射场照射到粒子上，使一部分E1能级上的粒子跃迁到能级E3上，如果E3跃迁到E1的几率A31很小 ,则可做到使E3上的原子数与E1上的原子数相等。 若能级E2靠近E3， 这时E3能级的粒子数N3将大于E2能级粒子数，实现能级E3与E2间的粒子数反转，形成自发辐射。,若E2靠近E1，则能级E2上的粒子数将大于E1上的粒子数，那么两能级间也能发生自激发辐射。,210 对应原理和玻尔理论的地位,玻尔+索末菲理论同经典物理的规律的差别很大，二者对应关系只有在极限条件下，彼此趋于一致。,1能量对应,量子规律 经典规律 能量：,改变：只能产生跃迁， 有能量辐射，半径减少 定态不辐射， 能量连续变化,二能级差,当n很大，,时,当,时,就是二邻近能级之差,能量变化可看作是连续的,结论：n很大时，能级可以视为连续，量子化特征消失， 与经典物理描述一致。,2频率对应,轨道运动频率，也是经典辐射的频率,玻尔理论跟实际观测一致的辐射频率是：,当n 很大时,是整数，所以有,此式的意义是辐射频率等于发射体周期运动的频率 及其高次谐频，这与经典理论一致。,量子理论与经典理论的关系概括来说：,一个微观体系的作用量总等于普朗克常数 的整数倍，h是作用量的最小单位。如果体系的总作用量不大，可以同h比较大小，那么量子特征就是显著地表现出来。如果体系的总作用量很大，比h大得多，以至h可以看作接近零的一个数值。那么有关的物理量表现出连续性，经典理论就适用了。,