【精品】光的量子性和激光（可编辑.ppt

光的量子性和激光3）热辐射）热辐射（1）热辐射：）热辐射：不断加热，维持物体温度，不断加热，维持物体温度，保持持续发光。保持持续发光。（2）平衡热辐射（温度辐射）：）平衡热辐射（温度辐射）：吸收的热量恰好等于发射减少的能量，吸收的热量恰好等于发射减少的能量，可以用恒定的温度来描述。如太阳、可以用恒定的温度来描述。如太阳、白炽灯的辐射。白炽灯的辐射。4）非热发射）非热发射（1）电致发射：）电致发射：电能转化为光能的发光。电能转化为光能的发光。如日光灯、水银灯的发光过程。如日光灯、水银灯的发光过程。（2）光致发光：）光致发光：用光激发发光体的发光。如荧光粉用光激发发光体的发光。如荧光粉 发出的荧光，磷光物质发出的磷光。发出的荧光，磷光物质发出的磷光。（3）化学发光：）化学发光：由化学反应释放能量引起的发光。由化学反应释放能量引起的发光。如磷缓慢氧化发出的光。如磷缓慢氧化发出的光。（4）生物化学发光：）生物化学发光：生物体内的发光，如萤火虫体内生物体内的发光，如萤火虫体内 荧光素氧化反应的发光。荧光素氧化反应的发光。5）热辐射和非热发射的区别）热辐射和非热发射的区别（1）能量补给方式不同：）能量补给方式不同：热辐射依靠加热补给能量，非热发射热辐射依靠加热补给能量，非热发射 依靠电能、光能、化学能补给能量。依靠电能、光能、化学能补给能量。（2）能量转化的方式不同：）能量转化的方式不同：热辐射：热辐射：辐射能来自原子或分子的无规辐射能来自原子或分子的无规 热运动能量，不发生内部状态的改变。热运动能量，不发生内部状态的改变。非热发射：非热发射：辐射能来自原子或分子内部辐射能来自原子或分子内部 状态的改变、即能级间的跃迁辐射。状态的改变、即能级间的跃迁辐射。（1）只要物体的温度只要物体的温度 ，就有热辐射。就有热辐射。6）热辐射的特点）热辐射的特点（2）热辐射谱是连续谱。热辐射谱是连续谱。（3）在固、液和气体中均可发生。在固、液和气体中均可发生。（4）黑体辐射谱线的形状仅由温度决定。黑体辐射谱线的形状仅由温度决定。（5）是平衡状态下的辐射，也称温度辐射。是平衡状态下的辐射，也称温度辐射。其中：其中：是从面元是从面元 发出的发出的 辐射通量的谱密度。辐射通量的谱密度。：单位波段内的辐射本领，：单位波段内的辐射本领，单位：瓦单位：瓦/平方米赫兹（平方米赫兹（）。）。3）辐射本领及其谱密度：）辐射本领及其谱密度：辐射源单位表面积（向半球空间）发出的：辐射源单位表面积（向半球空间）发出的辐射通量，单位：瓦辐射通量，单位：瓦/平方米（平方米（）。）。4）辐射照度及其谱密度：）辐射照度及其谱密度：照射到物体单位表面积上的辐射通量，：照射到物体单位表面积上的辐射通量，单位：瓦单位：瓦/平方米（平方米（）。）。：单位波段内的辐射照度，：单位波段内的辐射照度，单位：瓦单位：瓦/平方米赫兹（平方米赫兹（）。）。其中：其中：是投射到面元是投射到面元 上的上的 辐射通量的谱密度。辐射通量的谱密度。5）与与 的关系式的关系式可以证明，在各向同性条件下：可以证明，在各向同性条件下：6）吸收本领：）吸收本领：吸收的与照射的辐射通量的谱密度之比。吸收的与照射的辐射通量的谱密度之比。是无量纲量。是无量纲量。3基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律1）基尔霍夫）基尔霍夫 热辐射定律热辐射定律平衡热辐射中任何物体的平衡热辐射中任何物体的与与 之比之比等于普适函数等于普适函数 ，与物体的性质无关。与物体的性质无关。2）对基尔霍夫热辐）对基尔霍夫热辐 射定律的解释射定律的解释（1）绝热腔中放置多个不同材料的物体绝热腔中放置多个不同材料的物体（2）容器内部抽成真空，物体间只能容器内部抽成真空，物体间只能 通过热辐射交换能量。通过热辐射交换能量。（3）容器壁为理想反射体，整个体系容器壁为理想反射体，整个体系 成为孤立系。成为孤立系。（4）系统热平衡后，系统热平衡后，处处均匀处处均匀,不随不随 时间变化。时间变化。（5）且：且：，平衡态下，腔内辐射场应是均匀、稳定平衡态下，腔内辐射场应是均匀、稳定且各向同性，且各向同性，因此系统中的各个物体得到的辐射照度因此系统中的各个物体得到的辐射照度的谱密度应当相等。的谱密度应当相等。即：即：标准能谱标准能谱 ：与物质无关的普适函数：与物质无关的普适函数因此有：因此有：3）基尔霍夫热辐射定律对热辐射现象的解释）基尔霍夫热辐射定律对热辐射现象的解释说明如下的热辐射现象：说明如下的热辐射现象：白底黑三角磁盘加热到白底黑三角磁盘加热到 时，时，白底处变暗了，黑三角处变亮了。白底处变暗了，黑三角处变亮了。加加热热前前加加热热后后 黑三角处辐射本领更大，显得更亮。黑三角处辐射本领更大，显得更亮。白底处特点：白底处特点：小（小（也就小），也就小），但反射率高。但反射率高。黑三角处特点：黑三角处特点：大（大（也大），也大），反射率低。反射率低。常温下：常温下：很低，看到的主要是反射光，很低，看到的主要是反射光，白底处反射率高，白底显得较亮。白底处反射率高，白底显得较亮。高温下：高温下：明显增大，辐射占主导地位，明显增大，辐射占主导地位，（2）但但 ，4绝对黑体和黑体辐射绝对黑体和黑体辐射1）绝对黑体的含义：）绝对黑体的含义：的物体，简称黑体。的物体，简称黑体。2）绝对黑体的基尔霍夫定律和性质：）绝对黑体的基尔霍夫定律和性质：注意：注意：（1）绝对黑体不反射能量绝对黑体不反射能量辐射本领最大，能够辐射能量辐射本领最大，能够辐射能量。3）绝对黑体的制造）绝对黑体的制造绝对黑体是理性化的物体，自然界的绝对黑体是理性化的物体，自然界的任何物体都不是真正的绝对黑体。任何物体都不是真正的绝对黑体。把侧面带孔的空腔内部涂黑，器壁上把侧面带孔的空腔内部涂黑，器壁上安装很多黑色带孔的横壁，就制成了安装很多黑色带孔的横壁，就制成了非常理想的非常理想的“绝对黑体绝对黑体”。注意：注意：小孔才是小孔才是“绝对黑体绝对黑体”4）黑体辐射谱的测量及其实验规律）黑体辐射谱的测量及其实验规律（1）实验装置和光路）实验装置和光路（2）黑体辐射的实验曲线）黑体辐射的实验曲线（3）实验曲线的特点）实验曲线的特点（a）呈中间凸起的曲线形，呈中间凸起的曲线形，及（及（）处趋于零。）处趋于零。（b）温度升高时曲线整体上升温度升高时曲线整体上升（c）随温度升高曲线极大值对应的波长随温度升高曲线极大值对应的波长 向短波方向移动向短波方向移动5斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律1）斯特藩玻耳兹曼定律：）斯特藩玻耳兹曼定律：斯特藩玻耳兹曼常数斯特藩玻耳兹曼常数 2）维恩位移定律）维恩位移定律；T增高，曲线峰值左移。增高，曲线峰值左移。维恩常数：维恩常数：3）由维恩位移定律得到的一些结论）由维恩位移定律得到的一些结论（1）温度不太高时，热辐射的温度不太高时，热辐射的 绝大部分是红外线绝大部分是红外线（2）时，时，（3）（太阳表面的温度）时，（太阳表面的温度）时，这是青色光的波长。，这是青色光的波长。此时全部可见光都较强，此时全部可见光都较强，人眼的感觉是白色光，人眼的感觉是白色光，因此，这个温度的光谱称为白光光谱，因此，这个温度的光谱称为白光光谱，所以太阳光是白光。所以太阳光是白光。6黑体辐射的经典理论及其与实验的矛盾黑体辐射的经典理论及其与实验的矛盾1）维恩公式）维恩公式维恩假设：维恩假设：黑体辐射由许多可视为谐振子的黑体辐射由许多可视为谐振子的 分子的辐射形成，频率为分子的辐射形成，频率为 的的 辐射只与速率辐射只与速率 为的辐射物质的为的辐射物质的 分子有关，频率正比于分子的动能：分子有关，频率正比于分子的动能：，由此推导出由此推导出 按频率的辐射分布公式：按频率的辐射分布公式：维恩公式在短波区与实验曲线符合得较好，维恩公式在短波区与实验曲线符合得较好，在长波区则偏离实验曲线较大。在长波区则偏离实验曲线较大。2）瑞利金斯公式）瑞利金斯公式从能量按自由度均分定律出发，从能量按自由度均分定律出发，得到黑体辐射本领为：得到黑体辐射本领为：瑞利认为谐振子的能量连续分布，瑞利认为谐振子的能量连续分布，依据玻耳兹曼分布率，在热平衡态下，依据玻耳兹曼分布率，在热平衡态下，振子具有能量振子具有能量 的概率正比于的概率正比于是玻耳兹曼常数。是玻耳兹曼常数。则：则：得到如下的辐射分布公式：得到如下的辐射分布公式：瑞利金斯公式在长波区与实验曲线瑞利金斯公式在长波区与实验曲线符合得很好符合得很好但但 时，时，历史上有人称为历史上有人称为“紫外灾难紫外灾难”。说明经典物理学无法解释黑体辐射，说明经典物理学无法解释黑体辐射，预示着物理学面临一场革命性的变革！预示着物理学面临一场革命性的变革！假设处于辐射场中的系统由大量包含各种假设处于辐射场中的系统由大量包含各种固有频率的谐振子组成，频率为固有频率的谐振子组成，频率为 的谐振子的谐振子能量能量 的取值只能是基本单元的取值只能是基本单元的整数倍。的整数倍。7能量子假说与普朗克公式能量子假说与普朗克公式1）能量子假说）能量子假说1900年年普朗克大胆提出了普朗克能量子假设：普朗克大胆提出了普朗克能量子假设：称为普朗克常数称为普朗克常数谐振子只能以离散形式，谐振子只能以离散形式，一份一份的发射或吸收能量。一份一份的发射或吸收能量。2）普朗克公式）普朗克公式根据普朗克能量子假设可以得到：根据普朗克能量子假设可以得到：令：令：利用：利用：可求得：可求得：即：即：带入前面的黑体辐射公式：带入前面的黑体辐射公式：就得到：就得到：称为称为黑体辐射的普朗克公式。黑体辐射的普朗克公式。3）讨论）讨论（3）经过长波近似（经过长波近似（）（1）普朗克公式与黑体辐射实验曲线普朗克公式与黑体辐射实验曲线完全吻合完全吻合，（2）经过短波近似（经过短波近似（）普朗克公式化为普朗克公式化为维恩公式维恩公式 普朗克公式化为普朗克公式化为瑞利金斯公式瑞利金斯公式（4）求黑体辐射曲线下总面积可以得到求黑体辐射曲线下总面积可以得到 斯特藩玻耳兹曼定律斯特藩玻耳兹曼定律（5）求黑体辐射曲线峰值波长可以得到求黑体辐射曲线峰值波长可以得到 维恩位移定律维恩位移定律（6）从经典的眼光看来这个假说是如此从经典的眼光看来这个假说是如此 不可思议，就连普朗克本人也感到不可思议，就连普朗克本人也感到 难以相信难以相信（7）但实验事实迫使我们承认，但实验事实迫使我们承认，不但谐振子的能量是量子化的，不但谐振子的能量是量子化的，辐射场也是量子化的！辐射场也是量子化的！（8）普朗克因此获得了普朗克因此获得了1918年诺贝尔年诺贝尔 物理学奖物理学奖第九章第九章 光的量子性和激光光的量子性和激光2 光的粒子性和波粒二象性光的粒子性和波粒二象性普朗克假设的能量基本单元普朗克假设的能量基本单元 不仅是数学模型，不仅是数学模型，具有实在的物质载体具有实在的物质载体光子光子，由此产生了现代的光的粒子说，由此产生了现代的光的粒子说，可以用光的粒子说成功解释光电可以用光的粒子说成功解释光电效应和康普顿效应。效应和康普顿效应。1光电效应光电效应1）光电效应定义：）光电效应定义：金属及其化合物在光金属及其化合物在光 照下发射电子的现象照下发射电子的现象2）实验装置）实验装置高度真空的石英管高度真空的石英管（透紫外光），（透紫外光），金属阴极金属阴极 和阳极和阳极 ，电池和转向开关。电池和转向开关。3）实验规律）实验规律（1）饱和电流与入射光强度成正比。）饱和电流与入射光强度成正比。，N：单位时间由阴极发出的光电子数目。：单位时间由阴极发出的光电子数目。（2）遏止电压与入射光强无关。）遏止电压与入射光强无关。（3）遏止电压随入射光频率增高而线性增大。）遏止电压随入射光频率增高而线性增大。只要只要 ，无论光强多弱，一开始照射就产生光电子，无论光强多弱，一开始照射就产生光电子，频率频率 是光电阴极金属的属性。是光电阴极金属的属性。（4）存在频率红限）存在频率红限（5）弛豫时间极短）弛豫时间极短弛豫时间极短弛豫时间极短 ，几乎无法探测。，几乎无法探测。4）经典电磁理论与光电效应实验规律的矛盾）经典电磁理论与光电效应实验规律的矛盾依照经典电磁理论有：依照经典电磁理论有：由：由：得：得：上述理论与实验规律的上述理论与实验规律的矛盾矛盾：（1）只要有光照总能打出电子的结论只要有光照总能打出电子的结论 无法解释存在频率红限无法解释存在频率红限（2）遏止电压遏止电压与光强成正比的结论与光强成正比的结论 同与光强无关的实验规律矛盾。同与光强无关的实验规律矛盾。（3）电子吸收能量是连续积累的过程的结论电子吸收能量是连续积累的过程的结论 与弛豫时间极短、无法探测的事实矛盾。与弛豫时间极短、无法探测的事实矛盾。5）爱因斯坦的光量子假说和）爱因斯坦的光量子假说和 对光电效应的解释对光电效应的解释（1）爱因斯坦的光量子假说：）爱因斯坦的光量子假说：频率为频率为 的光束由光量子（光子）粒子组成，的光束由光量子（光子）粒子组成，每个光子的能量为每个光子的能量为（2）爱因斯坦光电效应公式）爱因斯坦光电效应公式（3）光量子假说对光电效应的解释）光量子假说对光电效应的解释（a）饱和电流与光强成正比：饱和电流与光强成正比：（b）遏止电压与频率成正比、与光强无关：遏止电压与频率成正比、与光强无关：（c）存在频率红限：存在频率红限：（d）弛豫时间极短：弛豫时间极短：光子与电子的作用是光子与电子的作用是瞬时完成的，瞬时完成的，电子一次吸收一个光子电子一次吸收一个光子6）密立根实验验证了关系）密立根实验验证了关系测定了铯、铍、钛、镍等金属测定了铯、铍、钛、镍等金属的的 曲线，曲线，测出的测出的 和脱出功和脱出功 值与用其它值与用其它方法的测量相同。方法的测量相同。2康普顿效应康普顿效应1）康普顿效应定义：）康普顿效应定义：X射线被物质散射后，散射光中既有原射线被物质散射后，散射光中既有原入射波长的光，还出现更长波长的光。入射波长的光，还出现更长波长的光。经光阑经光阑 形成直线光束，形成直线光束，辐射辐射 射线（射线（，）2）实验装置：）实验装置：5万伏高压的万伏高压的X射射线管，钼靶阴极，线管，钼靶阴极，布喇格晶体衍射，散射光强用检测器测量。布喇格晶体衍射，散射光强用检测器测量。（1）除除 方向外方向外3）实验结果：）实验结果：（2），称为康普顿波长。，称为康普顿波长。随随 增大变大，与散射物质无关。增大变大，与散射物质无关。（3）对同一散射物质对同一散射物质(石磨石磨)，强度随强度随 增大减小，增大减小，强度随强度随 增大变大。增大变大。对同一散射角，对同一散射角，强度随原子序数强度随原子序数 增大增大，增大增大，强度随强度随N增大减小。增大减小。散射光都出现了散射光都出现了 的谱线。的谱线。4）康普顿散射公式）康普顿散射公式康普顿散射是光子与电子的弹性碰康普顿散射是光子与电子的弹性碰撞过程，总能量及总动量均守恒。撞过程，总能量及总动量均守恒。光子光子:依据相对论依据相对论:电子电子:，忽略，忽略（1）（）的原因是：）的原因是：5）康普顿散射的量子解释）康普顿散射的量子解释碰撞光子把部分能量交给自由电子，碰撞光子把部分能量交给自由电子，自身能量减少，频率变小。自身能量减少，频率变小。越大，碰撞越厉害，自身能量越大，碰撞越厉害，自身能量减少越多，减少越多，越大。越大。（2）与物质无关的原因是：与物质无关的原因是：碰撞过程是光子与电子的相互作用，碰撞过程是光子与电子的相互作用，任何物质的电子都相同。任何物质的电子都相同。在在 方向：方向：（3）同一散射物质，）同一散射物质，强度随强度随 增大减小、增大减小、强度随强度随 增大变大的原因是：增大变大的原因是：方向方向的光子均是未与电子碰撞的光子的光子均是未与电子碰撞的光子 波长的光子是与原子实碰撞后的光子，波长的光子是与原子实碰撞后的光子，因此，随因此，随 增大越来越少，增大越来越少，波长的光子是与自由电子碰撞后的光子，波长的光子是与自由电子碰撞后的光子，因此，随因此，随 增大越来越多。增大越来越多。（4）同一散射角，）同一散射角，强度随原子序数增大强度随原子序数增大 而增大、而增大、强度随强度随N增大减小的原因是增大减小的原因是:随随N增大，被原子核束缚形成增大，被原子核束缚形成原子实的电子越来越多，原子实的电子越来越多，光子与自由电子碰撞的机会越来越少，光子与自由电子碰撞的机会越来越少，与原子实碰撞的机会越来越多。与原子实碰撞的机会越来越多。因此，散射光中原波长的成分就因此，散射光中原波长的成分就越来越强、新波长的成分越来越弱。越来越强、新波长的成分越来越弱。3波粒二象性波粒二象性1）波粒二象性：）波粒二象性：既具有波动性又具有粒子性既具有波动性又具有粒子性2）实物粒子的波动性）实物粒子的波动性所有物质都具有波动所有物质都具有波动性，波长为：性，波长为：，称为德布罗意波。称为德布罗意波。电子在晶体上散射时的电子在晶体上散射时的电子束强度分布图与电子束强度分布图与 X光在晶体上的衍射强度光在晶体上的衍射强度分布图十分相似。分布图十分相似。3）电子的杨氏双缝实验显示的波动性）电子的杨氏双缝实验显示的波动性（1）装置和强度分布）装置和强度分布 (2）实实验验结结论论少量电子通过仪器落在屏幕上时，少量电子通过仪器落在屏幕上时，显示了电子的显示了电子的“粒子性粒子性”，分布毫无规律。，分布毫无规律。随电子流密度的增加，屏幕上形成了清晰的随电子流密度的增加，屏幕上形成了清晰的干涉条纹，显示了电子的干涉条纹，显示了电子的“波动性波动性”。（3）实验分析及结论）实验分析及结论（a）不是大量粒子统计分布（非相干叠加）的结果不是大量粒子统计分布（非相干叠加）的结果（b）也不是两缝间电子相互作用（碰撞）的结果也不是两缝间电子相互作用（碰撞）的结果单电子通过双缝后也可以得到清晰的干涉条纹单电子通过双缝后也可以得到清晰的干涉条纹（c）是是电子自身干涉电子自身干涉的结果的结果波动是电子本身的固有属性，波动是电子本身的固有属性，每个电子通过一个单缝的几率各占每个电子通过一个单缝的几率各占50%，干涉正是发生在这两部分的干涉正是发生在这两部分的“几率波几率波”之间，之间，实物粒子波是几率波。实物粒子波是几率波。4）光子与实物粒子的不同之处）光子与实物粒子的不同之处（1）实物粒子具有静止质量，实物粒子具有静止质量，光子没有静止质量。光子没有静止质量。（2）实物粒子的速度取小于光速的任意值，实物粒子的速度取小于光速的任意值，光子的速度只能为光子的速度只能为 。（3）实物粒子的运动可以用确定的轨道实物粒子的运动可以用确定的轨道 来描述，光子没有确定的轨道。来描述，光子没有确定的轨道。5）光的波粒二象性：）光的波粒二象性：这就是我们所说的光的波粒二象性。这就是我们所说的光的波粒二象性。干涉、衍射和偏振显示了光的波动性，干涉、衍射和偏振显示了光的波动性，光电效应和康普顿效应显示了光的粒子性。光电效应和康普顿效应显示了光的粒子性。光波也是几率波，光波的干涉是光波也是几率波，光波的干涉是几率波之间的干涉。几率波之间的干涉。光的波动性是指具有可叠加性，光的波动性是指具有可叠加性，光的粒子性是指具有可分割性，光的粒子性是指具有可分割性，6）光波粒子性的可观察性与光波频率的关系）光波粒子性的可观察性与光波频率的关系X射线在康普顿散射中显示的粒子性射线在康普顿散射中显示的粒子性相当明显。相当明显。波长较长时，个别光子不易显示出波长较长时，个别光子不易显示出可观的效应，此时，光波显示的是可观的效应，此时，光波显示的是大量光子的统计行为，即光的波动性。大量光子的统计行为，即光的波动性。波长越短波，个别光子的粒子性就波长越短波，个别光子的粒子性就越明显。越明显。3玻尔原子模型与爱因斯坦辐射理论玻尔原子模型与爱因斯坦辐射理论1原子结构经典理论的困难原子结构经典理论的困难原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成，原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成，按照牛顿三定律，必然得到如下结论：按照牛顿三定律，必然得到如下结论：它们之间存在着服从平方反比律的静电吸引力。它们之间存在着服从平方反比律的静电吸引力。（1）电子绕核沿圆或椭圆轨道不断旋转电子绕核沿圆或椭圆轨道不断旋转1）原子结构的经典理论）原子结构的经典理论2）由经典理论必然得到结论）由经典理论必然得到结论（1）电子旋转是加速运动，必然不断电子旋转是加速运动，必然不断 发射电磁波。发射电磁波。（2）动能不断消耗，受辐射阻力减速，动能不断消耗，受辐射阻力减速，轨道不断缩小，最后被吸引到核上。轨道不断缩小，最后被吸引到核上。（3），轨道越小，周期，轨道越小，周期 越短。越短。（2）动能越大，轨道半径或半长轴动能越大，轨道半径或半长轴 越大，越大，没有动能，会被静电力吸引到原子核上。没有动能，会被静电力吸引到原子核上。3）经典理论结论与实验事实的冲突）经典理论结论与实验事实的冲突实验事实：实验事实：（1）电子可以在核的周围处于稳定的无辐射状态，）电子可以在核的周围处于稳定的无辐射状态，与被吸引到核上和不断发射电磁波矛盾。与被吸引到核上和不断发射电磁波矛盾。（2）原子光谱是线状分立谱，与应是连续谱矛盾。）原子光谱是线状分立谱，与应是连续谱矛盾。（3），随电子轨道不断缩小，随电子轨道不断缩小，周期不断减小，周期不断减小，发射电磁波的频率会不断增大，发射电磁波的频率会不断增大，电磁波谱应是连续的。电磁波谱应是连续的。2氢原子光谱中的谱线系氢原子光谱中的谱线系1）可见光波段的巴耳末谱线系列）可见光波段的巴耳末谱线系列（1）经验公式：）经验公式：，其中：其中：（氢的里德伯常数）（氢的里德伯常数）（2）谱图）谱图（3）计算值和实验观测值的比较）计算值和实验观测值的比较 符合得很好符合得很好其中：其中：正整数，：正整数，。2）另外一些谱线序列）另外一些谱线序列（1）普遍的谱线公式：）普遍的谱线公式：（2）谱线公式）谱线公式 的改写形式的改写形式光谱项：光谱项：谱线波长的倒数等于一对光谱项之差。谱线波长的倒数等于一对光谱项之差。按照经典理论，谱线系的这种规律性按照经典理论，谱线系的这种规律性根本无法理解。根本无法理解。3玻尔假说玻尔假说1）玻尔假说的内容）玻尔假说的内容（1）原子存在某些定态，定态能量只能取原子存在某些定态，定态能量只能取 分立值，分立值，。（2）原子从一个定态跃迁到另一定态时，原子从一个定态跃迁到另一定态时，才发出或吸收电磁辐射。才发出或吸收电磁辐射。发出或吸收的是满足玻尔频率条件的单色发出或吸收的是满足玻尔频率条件的单色电磁辐射：电磁辐射：或或:，这些定态能量的值叫做能级。这些定态能量的值叫做能级。原子能级中能量最低的叫做原子能级中能量最低的叫做基态基态，两个过程都满足波耳频率条件。两个过程都满足波耳频率条件。自下而上依次为第一激发态、第二激发态等。自下而上依次为第一激发态、第二激发态等。从高能级向低能级跃迁是光的发射过程。从高能级向低能级跃迁是光的发射过程。从低能级向高能级跃迁是光的吸收过程。从低能级向高能级跃迁是光的吸收过程。2）玻尔频率条件对光谱线系公式的解释）玻尔频率条件对光谱线系公式的解释将将 代入玻尔频率条件公式代入玻尔频率条件公式可得：可得：，或，或:。与与 式比较式比较得：得：讨论：讨论：（1）和和 分别与能级分别与能级 、成正比。成正比。（2）负号表示原子中的能级是负的。负号表示原子中的能级是负的。称为（主）量子数。称为（主）量子数。（3）4粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布1）玻耳兹曼正则分布律）玻耳兹曼正则分布律能级上原子数目的多能级上原子数目的多少服从统计分布规律，少服从统计分布规律，达到热平衡态后：达到热平衡态后：其中：其中：玻耳兹曼常数：玻耳兹曼常数2）各能级上粒子数的比较）各能级上粒子数的比较（1）热平衡态中两能级上原子数之比的公式热平衡态中两能级上原子数之比的公式（2）高能级上的原子数高能级上的原子数 总小于低能级上总小于低能级上 的原子数的原子数（3）两者之比由体系的温度决定两者之比由体系的温度决定（4）常温热平衡状态下，）常温热平衡状态下，基态与第一激发态粒子数的比较基态与第一激发态粒子数的比较若若:则：则：气体中几乎全部原子处在基态。气体中几乎全部原子处在基态。第九章第九章 光的量子性和激光光的量子性和激光3 3 玻耳原子模型与爱因斯坦辐射理论玻耳原子模型与爱因斯坦辐射理论5自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收1916年爱因斯坦首先提出年爱因斯坦首先提出光的吸收和发射的三种基本过程。光的吸收和发射的三种基本过程。1）受激吸收：）受激吸收：较低能级的粒子吸收一个光子，较低能级的粒子吸收一个光子，跃迁到较高能级跃迁到较高能级过程前过程前过程后过程后2）自发辐射：）自发辐射：较高能级的粒子，自发地发射较高能级的粒子，自发地发射 一个光子，跃迁到较低能级。一个光子，跃迁到较低能级。过程前过程前过程后过程后3）受激辐射：）受激辐射：较高能级的粒子在光子激励下跃迁到较高能级的粒子在光子激励下跃迁到 较低能级，并发射一个同频率光子较低能级，并发射一个同频率光子（1）上述三种过程均满足如下关系式上述三种过程均满足如下关系式或或 讨论：讨论：（2）自发辐射是随机过程，带有偶然性，自发辐射是随机过程，带有偶然性，发射的光子（或光波）的相位、偏振发射的光子（或光波）的相位、偏振 态、传播方向等特性均具有随机性质，态、传播方向等特性均具有随机性质，辐射的光波是非相干的。辐射的光波是非相干的。（3）受激辐射发射的光子的频率、传播受激辐射发射的光子的频率、传播 方向、相位、偏振态等特性保持与入方向、相位、偏振态等特性保持与入 射光子全同，辐射的光波是相干的。射光子全同，辐射的光波是相干的。：频率满足：频率满足 的外界的外界光场的光子数密度光场的光子数密度4）受激吸收的爱因斯坦关系）受激吸收的爱因斯坦关系：受激吸收的跃迁几率：受激吸收的跃迁几率：受激吸收的爱因斯坦系数：受激吸收的爱因斯坦系数5)自发辐射的爱因斯坦关系自发辐射的爱因斯坦关系 ：自发辐射的爱因斯坦系数自发辐射的爱因斯坦系数 和自发辐射的跃迁几率。和自发辐射的跃迁几率。6）受激辐射的爱因斯坦关系）受激辐射的爱因斯坦关系：受激辐射的爱因斯坦系数：受激辐射的爱因斯坦系数：受激辐射的跃迁几率：受激辐射的跃迁几率单位时间内由单位时间内由 跃迁到跃迁到 的粒子总数：的粒子总数：7）爱因斯坦系数之间的关系）爱因斯坦系数之间的关系单位时间内由单位时间内由 跃迁到跃迁到 的粒子总数：的粒子总数：达到细致平衡（每对能级之间粒子的达到细致平衡（每对能级之间粒子的交换都达到平衡）时交换都达到平衡）时即：即：达到热平衡状态时有：达到热平衡状态时有：且：且：将上两式代入公式：将上两式代入公式：对应系数分别相等对应系数分别相等得：得：讨论：讨论：（1）受激辐射和受激吸收的跃迁几率相等受激辐射和受激吸收的跃迁几率相等（2）越难激发上去的能级，自发跃迁越难激发上去的能级，自发跃迁 下来的几率越小。下来的几率越小。（3）爱因斯坦系数是原子本身的属性，爱因斯坦系数是原子本身的属性，与原子按能级的分布状况无关。与原子按能级的分布状况无关。因此，虽然两个公式是在细致衡因此，虽然两个公式是在细致衡 条件下得到的，但适用于普遍情条件下得到的，但适用于普遍情 况。况。（4）上述的爱因斯坦辐射理论为激光上述的爱因斯坦辐射理论为激光 的发明奠定了理论基础的发明奠定了理论基础6粒子数反转与光放大粒子数反转与光放大1）粒子数反转）粒子数反转若受激吸收与受激辐射同时发生若受激吸收与受激辐射同时发生（1）若若 ，表现为光的吸收或光损耗。表现为光的吸收或光损耗。由上式可知：由上式可知：（2）若若 ，表现为光的放大或光增益，称为表现为光的放大或光增益，称为 粒子数反转。粒子数反转。此时，新增加的光子状此时，新增加的光子状 态与入射光子状态全同，可以实现态与入射光子状态全同，可以实现 受激辐射放大或称光的相干大。受激辐射放大或称光的相干大。2）抽运过程）抽运过程（5）粒子数反转体系是非热平衡体系，粒子数反转体系是非热平衡体系，抽运过程是非平衡过程。抽运过程是非平衡过程。（1）定义：将粒子的低能级状态转化成定义：将粒子的低能级状态转化成 高能级状态的过程高能级状态的过程（2）所需激励能量：由外界能源提供所需激励能量：由外界能源提供 （如光辐射、放电、化学反应等）。（如光辐射、放电、化学反应等）。（3）抽运过程是实现粒子数反转的不可抽运过程是实现粒子数反转的不可 缺少的过程缺少的过程（4）实现粒子数反转是产生激光的首要条件实现粒子数反转是产生激光的首要条件7能级寿命能级寿命1）定义：）定义：粒子在某能级上停留的平均时间，粒子在某能级上停留的平均时间，称为在该能级上的平均寿命或寿命。称为在该能级上的平均寿命或寿命。2）自发辐射的衰减公式）自发辐射的衰减公式设：设：（3）是是 上粒子数减少到上粒子数减少到 （36）经历的时间。经历的时间。（2）具有时间倒数的量纲具有时间倒数的量纲（4）反映了粒子平均在反映了粒子平均在 上停留时间上停留时间 的长短，称为平均寿命或寿命。的长短，称为平均寿命或寿命。（1）愈大，愈大，减少愈快，留在减少愈快，留在 上的上的 粒子数愈少。粒子数愈少。讨论讨论（3）亚稳态：）亚稳态：长寿命的激发态，长寿命的激发态，甚至，甚至 。（2）实际寿命：）实际寿命：粒子间碰撞或其它外界粒子间碰撞或其它外界 干扰形成的寿命干扰形成的寿命,比自然寿命比自然寿命 （）小几个数量级。）小几个数量级。（1）（自然）寿命：）（自然）寿命：上只与自发辐射上只与自发辐射 过程对应的寿命，过程对应的寿命，3）双能级粒子体系的能级寿命）双能级粒子体系的能级寿命设设 、分别代表从分别代表从 自发辐射自发辐射到到 、能级的跃迁几率能级的跃迁几率4）多能级粒子体系的能级寿命）多能级粒子体系的能级寿命则多能级粒子体系中则多能级粒子体系中 能级上的能级上的寿命应为：寿命应为：4 激光的产生激光的产生“Laser”是是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写。的缩写。1激光器的结构激光器的结构1）一般激光器）一般激光器 的结构：的结构：激光工作物质、激励系统以及光学谐振腔2）激励能源）激励能源供给激光工作物质能量，抽运粒子到较高供给激光工作物质能量，抽运粒子到较高激发态上，为实现粒子数反转创造条件。激发态上，为实现粒子数反转创造条件。3）激光工作物质（激活介质或增益介质）激光工作物质（激活介质或增益介质）（1）定义：）定义：用来实现粒子数反转并产生用来实现粒子数反转并产生 光的受激辐射放大作用的粒子体系，光的受激辐射放大作用的粒子体系，是激光器的核心。是激光器的核心。（2）种类：）种类：固体（如晶体、玻璃）、气体固体（如晶体、玻璃）、气体 （原子气体、离子气体、分子气体）、（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等介质。半导体和液体等介质。4）两类激光器）两类激光器（1）激光振荡器：）激光振荡器：具有光学谐振腔，具有光学谐振腔，激光在腔内多次往返形成持续振荡。激光在腔内多次往返形成持续振荡。（2）激光放大器：）激光放大器：不具有光学谐振腔，不具有光学谐振腔，入射激光通过增益介质获得单次或入射激光通过增益介质获得单次或 有限次数行波式放大。有限次数行波式放大。（3）特性：）特性：具有合适的能级结构和好的具有合适的能级结构和好的 粒子数反转特性粒子数反转特性（1）定义：）定义：有基态有基态 和第一激发态和第一激发态 的能级系统的能级系统（2）时，时，绝大多数粒子处于基态。绝大多数粒子处于基态。2激活介质中粒子数反转分布的实现激活介质中粒子数反转分布的实现1）二能级系统不能实现粒子数反转）二能级系统不能实现粒子数反转（3）抽运过程）抽运过程（b）当）当 接近接近 时，时，由于由于 ，同时，同时 存在存在 的自发辐射的自发辐射 过程，过程，会始终多于会始终多于 ，无法实现，无法实现 粒子数反转（粒子数反转（）。）。（a）刚开始时：）刚开始时：，由，由 和和 可知，可知，随着光子数随着光子数 的迅速增加，向上跃的迅速增加，向上跃 迁的粒子数远大于向下跃迁的粒子数，迁的粒子数远大于向下跃迁的粒子数，很快减少，很快减少，迅速增加。迅速增加。2）三能级系统能够实现粒子数反转，）三能级系统能够实现粒子数反转，但效率不高。但效率不高。（c）为亚稳态，寿命较长，新增加的为亚稳态，寿命较长，新增加的 粒子能够保持在粒子能够保持在 上。上。（b）态寿命极短，抽运到态寿命极短，抽运到 上的粒子很快上的粒子很快 通过碰撞无辐射跃迁到通过碰撞无辐射跃迁到 上。减少的上。减少的 能量变成热运动能量。能量变成热运动能量。（a）随着随着 迅速增加，迅速增加，上的粒子被快速上的粒子被快速 抽运到抽运到 上，上，迅速减少。迅速减少。（1）三能级中，三能级中，为基态，为基态，和和 为为 激发态，激发态，又是亚稳态。又是亚稳态。（2）抽运过程）抽运过程（f）当有当有 的外来光激发时，的外来光激发时，便会发生受激辐射（外激式）。便会发生受激辐射（外激式）。（e）不断增多，加之原有的粒子，不断增多，加之原有的粒子，是亚是亚 稳态，能够实现稳态，能够实现 。（d）不断减少，新不断减少，新 不断无辐射跃迁不断无辐射跃迁 到到 上，上，始终少于始终少于 ，不断被抽运。不断被抽运。（g）工作物质最初的几个自发辐射光子工作物质最初的几个自发辐射光子 也能引起受激辐射（自激式）。也能引起受激辐射（自激式）。抽运前粒子几乎全部处于基态抽运前粒子几乎全部处于基态 ，只有激励能源很强、抽运很快。只有激励能源很强、抽运很快。才能实现才能实现 。（3）梅曼（梅曼（T.H.Maiman）于）于1960年年 制成的第一台红宝石激光器，就制成的第一台红宝石激光器，就 是一个三能级系统激光器。是一个三能级系统激光器。（4）该系统效率不高的原因：）该系统效率不高的原因：3）四能级系统容易实现粒子数反转）四能级系统容易实现粒子数反转（4）向向 上无辐射跃迁愈快，上无辐射跃迁愈快，向向 上上 过渡愈快，工作效率愈高。过渡愈快，工作效率愈高。（3）上粒子数本来很少，只要上粒子数本来很少，只要 上粒子稍上粒子稍 有增加，就会达到有增加，就会达到 。（1）四能级系统中，四能级系统中，为基态，为基态，、和和 为激发态，为激发态，又是亚稳态。又是亚稳态。（2）在亚稳态在亚稳态 和激发态和激发态 之间实现之间实现 粒子数反转。粒子数反转。（5）HeNe激光器是四能级系统。激光器是四能级系统。比如：比如：HeNe激光器：激光器：，氩离子激光器：辐射的波长数更多，氩离子激光器：辐射的波长数更多，最强的是：最强的是：和和 。4）二、三或四能级图仅是简化模型）二、三或四能级图仅是简化模型 激光工作物质的实际能级系统比较激光工作物质的实际能级系统比较 复杂，可以发射多种波长的激光。复杂，可以发射多种波长的激光。5）实现粒子数布居反转的条件：）实现粒子数布居反转的条件：工作物质存在亚稳态，有激励源供给能量。工作物质存在亚稳态，有激励源供给能量。随随 按指数增长按指数增长其中其中 是增益系数。是增益系数。3工作物质的增益系数工作物质的增益系数1）增益公式）增益公式（1）实验曲线显示）实验曲线显示 增益增益 随输出光强增加下降随输出光强增加下降2）增益系数随输出光强增加下降）增益系数随输出光强增加下降增益曲线增益曲线(b)光强光强 越强，意味着越强，意味着 越多，越多，下降得越快。下降得越快。(a)越大，增益越大，增益 越强。越强。（2）解释）解释(c)导致导致 变小，增益变小，增益 也就也就 随之下降。随之下降。一般由一对相距为一般由一对相距为 的反射镜（平面的反射镜（平面或球面）组成。或球面）组成。平面谐振腔中：一个全反射镜的平面谐振腔中：一个全反射镜的 ，另一个的，另一个的 。4光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用1）光学谐振腔的结构）光学谐振腔的结构相当于法布