光与物质的相互作用.pptx
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1、1900年,普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念,导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式,必须假设物质辐射的能量是不连续的,只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点,并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。普朗克是德国物理学家,量子物理学的开创者和奠基人,被尊称为“量子之父”1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。他的伟大成就,就是创立了量子理论,这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束
2、了经典物理学一统天下的局面。1900年,普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念,导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式,必须假设物质辐射的能量是不连续的,只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。第1页/共63页10.1 光的波粒二象性光的波粒二象性一、普朗克量子假设 =h 构成物体的分子、原子可视为在各自平衡位置附近振动的带电线性谐振子,这些振子既可以发射辐射能,也可以吸收辐射能。谐振子发射和吸收辐射能量是某些分立状态,是最小能量单位 h 的整数倍,即 发射或吸收电磁辐射只能以量子方式进行,每个能量子能量为其中h 是普朗克常量,为谐振子的振
3、动频率。第2页/共63页讨论:一个频率为 的谐振子的最小能量是h ,它与周围的辐射场交换能量时,也只能整个地吸收或放出一个能量子。“量子”的概念量子(化):微观世界的一个特殊概念,按某种规律取分立值的物理量。如:电荷量子(化)能量量子(化)第3页/共63页 普朗克公式:普朗克的量子假设:能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的!普朗克公式:能量经典光量子 突破了经典物理学的能量连续的观念,在物理学史上第一次提出了微观粒子能量量子化的概念,这对量子物理学的诞生起了极大的推动作用。第4页/共63页例:设有一音叉,其尖端的质量为0.050kg,其频率被调到480Hz,振幅1.0mm。试求音叉尖端振
4、动的量子数。解:由谐振子的能量公式知,谐振子的能量为 代入已知条件:根据普朗克量子假设:,音叉尖端的振动量子数为讨论:宏观物体振动的量子数是非常大的,与很小的能量子相比,宏观物体的能量可以认为是连续分布的。第5页/共63页二、爱因斯坦光量子学说光电效应 当光照到某些金属的表面时,金属内部的自由电子会逸出金属表面,这种光致电子发射现象称为光电效应。(1887年德国物理学家赫兹首先发现光电发射现象,1888年又被俄国物理学家斯托列托夫用实验证明。)实验装置:光通过石英窗口照射阴极K,光电子从阴极表面逸出。光电子在电场加速下向阳极A运动,形成光电流。第6页/共63页I1I2I3UaUiI1I2I3U
5、a 0遏止电压与频率关系曲线遏止电压与频率关系曲线试验规律:遏止电势差:与入射光频率具有线性关系。截止频率:对某一种金属只有当入射光频率大于某一频率 时,电子才能从金属表面逸出(红限)。和 成线性关系遏止电压与频率关系曲线遏止电压与频率关系曲线光电效应瞬时性:迟滞时间不超过迟滞时间不超过 10-9 秒秒第7页/共63页经典理论与实验规律的矛盾:无论何种频率的光,只要其强度足够大,电子就能获得足够的能量,从金属表面逸出;电子的动能取决于光的动能,而与频率无关;在光强很小时,即使光的频率大于截止频率,也不应有电子发射。爱因斯坦光量子学说(1905年):光束可以看成由微粒(光子)构成的粒子流(光量子
6、),在真空中以 运动,频率为 的光子能量为 。第8页/共63页爱因斯坦光电效应方程:式中为逸出功,为电子从表面上逸出时初动能。讨论:光频率光频率 A/h 时,时,电子吸收一个光子即可克服逸出功电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出逸出 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。单位时间到达单位垂直面积的光子数为单位时间到达单位垂直面积的光子数为N,则光强,则光强 I=Nh 。I 越强越强,到阴极的光子越多到阴极的光子越多,则则逸逸出的光电子越多。出的光电子越多。电子吸收一个光子即可逸出,不需要长时间的能量积累电子吸收一个光子即可逸出,不需要长时间的能量积累。第
7、9页/共63页三、光的波粒二象性 光具有波动性和粒子性两个侧面,是微观粒子的基本属性,在某些情况下突出显示某一个侧面。作为粒子:有 和能量由相对论知对于光 ,则有或 作为波:两者关系为:第10页/共63页光子的波动性和粒子性是光子本性在不同条件下表现出来的两个侧面:波动性突出呈现在其传播过程中,粒子性突出呈现在其与物质的相互作用中。光的波动性和粒子性随频率范围的不同而有不同的表现:在低频或长波区,光的波动性比较显著;而在高频或短波区,粒子性却比较突出。要对波粒二象性进行完善描述,必须采用量子力学方法(波函数)。普朗克常量把光的波动性和粒子性 联系起来了。第11页/共63页例:计算波长为600n
8、m的红光与波长为0.1nm的X光的光子能量。解:红光光子能量为:X光光子能量为 第12页/共63页10.2 光的发射光的发射 激光原理激光原理一、发光的物理机制 发射光谱 光源 发射光波的物体。如太阳、蜡烛等。光源发出的光是其中大量的分子或原子的运动状态发生变化时所辐射出的电磁波。发光的物理机理 电子沿着一个个分立的轨道绕核旋转,当电子在确定的轨道上运动时,原子具有确定的能量。电子从一个轨道跃迁到另一个轨道,原子或分子就从一个能态跃变到另一能态,同时伴随着能量的变化。电子在不同轨道之间跃变,原子向外释放或吸收能量。第13页/共63页E赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系n=
9、1n=2n=3n=4n=5n=6n=1n=3n=2n=原子的不同能态用一个个分立的能级表示 第14页/共63页原子从一个定态跃迁到另一定态,原子从一个定态跃迁到另一定态,会发射或吸收一个光子,频率会发射或吸收一个光子,频率辐射频率公式辐射频率公式波列长波列长 L=c每一个辐射光子称作一个波列每个波列持续时间约10-8s原子或分子的发光过程是彼此独立的、随机的光源发出的连续光波实际上是大量原子或分子发光的总效果。相互独立的波列第15页/共63页.非相干(同一原子先后发出的光)非相干(不同原子发出的光)注:发射光谱原子发射光谱铁和其他元素的原子发射光谱图(上为铁谱,下为其他元素光谱)第16页/共6
10、3页原子的发射光谱是线状光谱 每种原子有其独特的发射光谱识别不同原子的标志 分子发射光谱若干光谱带组成的带状光谱 分子光谱分子能级结构非常复杂分子的能量能级间隔满足 分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射;振动能级间的跃迁发出中红外辐射;而电子能级间的跃迁发出可见光和紫外辐射。第17页/共63页二、发光过程的类型按照激发方式分类热辐射 太阳、白炽灯等电致发光 闪电、霓虹灯以及半导体、PN结的发光过程等光致发光 日光灯、荧光、磷光等化学发光 燃烧发光、生物发光等白天和夜晚分别拍摄的发光真菌第18页/共63页按照辐射方式分类E2E1自发辐射自发辐射所发出的光没有相干性 能级的平均寿命()原子在某一能
11、级停留的平均时间 处于高能级的原子中,在单位时间内从高能级E2自发跃迁到低能级E1的原子数比率A21,称为原子自发跃迁的概率,它与高能级E2的平均寿命之间存在如下关系 第19页/共63页受激辐射受激吸收E2E1受激辐射E2E1 这两个光子再引起其它原子产生受激辐射,就会得到更多的相同特征的光子,这个现象称为光放大光放大。普通光源激光光源区别第20页/共63页三、激光原理 受激辐射光放大简称为激光。粒子数反转 在温度为 T 的平衡态下,原子中的电子处于高、低两个能级上的数目之比为讨论正常分布:N1N2。光吸收比光辐射占优势。粒子数反转:N2N1。光通过物质得到光放大。第21页/共63页粒子数反转
12、必须具备的条件:能量的供应过程激励(光泵浦)工作物质内必须存在亚稳态能级 亚稳态不如基态稳定,但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态,可实现粒子数反转。亚稳态E2基态E1激发态E3三能级系统示意图E1与E2之间产生以受激辐射为主的跃迁激励无辐射跃迁第22页/共63页光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强,其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜M1部分反射镜M2激光工作物质作用选择激光的方向选择激光的频率激励能源激励能源第23页/共63页He-Ne激光器的工作原理激光器的基本构成及激光的形成具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔 光束在谐振腔内来
13、回震荡,在工作物质中的传播使光得以放大,并输出激光。反射镜反射镜阳极阴极布儒斯特窗毛细管工作物质:氦气辅助物质:氖气激励方式:直流气体放电第24页/共63页He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现 电子碰撞He21s23s碰撞亚稳态Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm 电子经电场加速后,与电子经电场加速后,与 He 碰撞。处于激发态的碰撞。处于激发态的 He 与与 Ne 碰撞,把能量传递给碰撞,把能量传递给 Ne,使它在亚稳态,使它在亚稳态(3s、2s)和激和激发态发态(3p、2p)之间形成反转分布。之间形成反转分布。第25页/共63页四、激光的特性与应用 特性方向性强
14、强度高单色性好相干性好应用可用于精密加工,医学,核聚变等。激光加工 6KW CO2 激光加工机在进行金属表面涂敷合金粉末的作业第26页/共63页核聚变实验的六路真空靶室核聚变实验的六路真空靶室实验中采用大功率实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器钕玻璃激光器第27页/共63页C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov 汤斯汤斯19541954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转,研制了年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转,研制了微波激射器和激光器;普罗霍洛夫和微波激射器和激光器;普罗霍洛夫和巴索夫巴索夫1958年几乎同时年几乎同时在量子电子学在量子
15、电子学的基础研究中,根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以的基础研究中,根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。上工作导致了激光器的发明。The Nobel Prize in Physics 1964第28页/共63页10.3 光的吸收 吸收光谱 光波和物质作用的两种效应折射和双折射现象(速度减慢)消光现象散射(scattering)现象吸收(absorption)现象(部分光波沿其它方向传播)(光能转换成其它形式的能量)(光能减弱)当光波在媒质中传播时,由于光波和物质的相互作用,一般呈现两种效应 第29页/共63页一、光吸收的类型 一般吸收(g
16、eneral absorption)在给定的波段范围内,若介质对光的吸收很少,而且光吸收量与波长无关。在可见光范围内,一般吸收意味着光通过介质后不改变颜色而只改变强度。选择吸收(selective absorption)在给定的波段范围内,媒质吸收某种波长的光能比较显著。在可见光范围内,选择吸收意味着光通过介质后既改变颜色也改变强度。如果不把光局限于可见光范围以内,可以说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因。第30页/共63页二、朗伯定律 比尔定律 I0III-dI 称为吸收系数,“”号表示随 x 增加 I 减小。将上式积分:朗伯定律第31页/共63页(
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- 物质 相互作用
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