光与原子相互作用
§9-2 光与原子相互作用
人们对于光的种种性质的了解，都是通过观察光与物质相互作用而获得的，光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，这种相互作用，有三种主要过程：吸收、自发辐射和受激辐射。
一、吸收
如果有一个原子，开始时处于基态1E ，若没有任何外来光子接近它，则它将保持不变
E 2E 1E 2E 1E 1
E 2
(a)(b)(c)
（图9－4）
[图9-4（a ）]，如果有一个能量为21hv 的光子接近这个原子，则它就有可能吸收这个光子，从而提高它的能量状态[图9-4（b ）]，本来处于基态1E 的原子，在吸收21hv 以后，就激发到激发态2E [图9-4（c ）]，整个图9-4表示原子对光的吸收过程，在吸收过程中，不是任何能量的光子都能被一个原子所吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔2E —1E 时，这样的光子才能被吸收。
设处于基态1E 的原子密度为1n ，光的辐射能量密度为()u v ，则单位体积单位时间内吸收光子而跃迁到激发态2E 去的原子数12n 应该与1n 和()u v 成正比，因而有12n ∝1()n u v 即
12121()n B n u v = （9-6）
其中12B 为比例系数，称为受激吸收爱因斯坦系数，121()B n u v 称为吸收速率，用12ω表示，于是（9-6）式可写成
12112B n ω=
二、自发辐射
从经典力学的观点来讲，一个物体如果势能很高，它将是不稳定的，与此相类似，处于激发态的原子也是不稳定的，它们在激发态停留的时间一般都非常短，大约在8
10s -的数量级，所以我们常常说，激发态的寿命约为810s -，在不受外界的影响时，它们会自发地返回到基态去，从而放出光子，这种自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程，显然，如果处于激发态2E 的原子密度为2n ，则自发辐射光子数为
21221n n A = （9-7）
其中21A 为自发辐射爱因斯坦系数，
E 2E 1E 2E 1E 1E 2
（图9－5）
图9-5表示了自发辐射的全部过程。
自发辐射的特点是这种过程与外界作用无关，各个原子的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各个原子发出来的光子在发射方向和初位相上都是不相同的，除激光器光源以外，普通光源的发光都属于自发辐射，例如霓虹灯，当灯管内的低气压氖原子，由于加上了高电压而放电时，部分氖原子被激发到各个激发态的能级，当它们从激发态跃迁回到基态时，便发出我种频率的红色光，从这里可以看到，普通光源发出来的光，其频率成分极为复杂，发射方向分散在4π球面度的立体角内，初位相也各不相同，因而不是相干光。
三、受激辐射
爱因斯坦于1905年推广了普朗克的能量子概念，提出了光量了的假设，因而成功地解释了光电效应，1917年，爱因斯坦又从纯粹的热力学出发，用具有分立能级的原子模型来推导普朗克辐射公式，在这一工作中，爱因斯坦预言了受激辐射的存在，四十年以后，由于第一台激发器开始运转，爱因斯坦的这一预言得到了有力的证实。
处于激发态的原子，如果在外来光子（即外来电磁场）的影响下，引起从高能态向低能态的跃迁，并把两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，那么这种过程就叫做激发射，
E2E1hv 12hv
12E2
E1
hv 12
(图9－6)
图9-6表示了这一过程。
单位体积单位时间内受激发射原子数可以写为
（9-8） 其中21B 为比例系数，称为受激辐射爱因斯坦系数，21()B u v 称为受激辐射速率，用21w 表示，它表征原子体系在外来光辐射作用下产生2E 到1E 受激跃迁的本领，于是（9-8）式便可写为
'21221n n w =
这里，应特别注意自发辐射和受激辐射的区别，同时要注意，只有当外来光子的能量21hv 正好满足21hv =2E —1E 关系式时，才能引起受激辐射，而且受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的位相。
四、吸收、自发辐射和受激辐射三系数之间的关系
我们已讨论了吸收、自发辐射和受激辐射三个过程，并分别引出了表征这三种过程中跃迁本领强弱的三个系数，即122121,,B A B 。尽管这三个系数有着不同的含义，但既然都是表征同一种原子的特性，因而它们之间必然存在着内在联系，现在，就来讲座这种联系。
当光和原子相互作用时，必然同时存在着吸收、自发辐射和受激辐射三种过程，达到平衡时，单位体积单位时间内通过吸收过程从基态跃迁到激发态去的原子数，等于从激发态通过自发辐射和受激辐射跃迁回基态的原子数，所以在平衡条件下，下列等式应该成立。
'122121n n n =+
引用（9-6）、（9-7）和（9-8）式，可得
112221221()()n B u v n A n B u v =+
或 21
112212()A u v n B B n =- （9-9）
在处于热平衡状态下，粒子数密度按能量的分布遵从玻耳兹曼定律，即12,n n 满足下列关系式 1212exp exp n E E hv n kT kT -????=-=-????????
（9-10） 式中23
11.3810k J K --=??，称为玻耳兹曼常数，T 为绝对温度，因21E E >所以 1212exp 1n E E n kT -??=-
? 即21,n n <所以在正常情况下，处于最低态的原子数总是最多的，能级越高，处于该能级的粒子数就越少。
如氖原子的某一激发态和基态能级的粒子数就越少。
1916.927.0710E eV J -?==?
若该原子体系处于室温（300T K =）时，则根据玻耳兹曼分布定律，在热平衡状态下，处于该激发态能级的原子密度1n 之比为
19123265365327.0710exp exp 1.38103001/1
n E n kT e e ---??????=-=-??????????==<<
把（9-10）式代入（9-9）式，可得光的辐射能量密度
()21/1221
B e B A u kT hv -=ν （9-11）
对于黑体辐射来说，在热平衡状态时，腔内的辐射场应是不随时间变化的稳定分布，这时，腔内的辐射能量密度()u v 可以认为就是腔内中心附近单位体积从周围腔壁所获得的辐射能量，根据亮度定义，并考虑到朗伯光源的亮度和面发光度之间的关系式，就可以找出()u v 和发射本领,v T ε之间的关系为
,4()v T u v c
ε= 此处,v T ε即为热平衡辐射的普朗克公式（8-13），所以
33/81()1
hv kT hv u v c e π=?- （9-12） 比较（9-11）和（9-12）式，可以得到吸收、自发辐射和受激辐射三个系数之间的关系为
332121
21128c hv B A B
B B π===
第三单元 3.1原子间的相互作用
3.1 原子间的相互作用 【学习目标】 1. 了解元素的原子可能通过不同的途径、不同的方式构建成性能各异的物质。 2. 知道物质的组成，结构决定了性质。 3. 了解化学键的概念和化学键的种类。 【学习内容】 Ⅰ相关知识回顾 1. 原子结构。 原子是由原子核和核外电子两大部分组成。原子核带正电荷，核外电子带负电荷。 2. 日常生活知识。 不同首饰的硬度，不同工具、不同物质的硬度等。 3. 化学式。 氯化钠中氯和钠的个数比为1:1.氯气分子是由两个氯原子构成的，水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。 4. 同素异形体。 由同一种元素形成的结构不同的单质互称为同素异形体。例如：金刚石和石墨都是由碳元素形成的单质，但它们的结构不同，它们之间互称为同素异形体。臭氧和和氧气都是由氧元素组成的单质，但是氧气是双原子分子，臭氧是三原子分子，它们的结构不同，它们之间也互称为同素异形体。由于同素异形体的结构不同，它们之间的转化属于化学变化。同素异形体应具有不同的物理性质。 Ⅱ新知识点讲解 一、物质 思考：构成物质世界的元素只有100多种，但这些元素的原子构成的物质却高达3000多万种，为什么？ 由于原子间的结合方式多种多样，即使相同的一些原子，可以通过不同的结合方式，都成多种物质。 想一想：根据你的了解，仅由碳元素组成的物质有哪些？ 我们在初中化学中已经学过，金刚石和石墨是同素异形体，它们都是只有碳元素组成的，但它们的性质不完全相同，是两种不同的物质。这是由于碳元素的原子间结合的方式不同，组成了性质不同的物质。 只有碳元素组成的物质除金刚石和石墨外，还有许多物质，如C32、C50、C60、C70、C78、C84、C90、C94、C540等足球烯系列的单质。 试列举一些例子，说明原子间结合成物质的方式不一定相同？ 二氧化碳在常温下是气体，而组成与二氧化碳相近的二氧化硅却是坚硬的固体，说明二氧化碳和二氧化硅的结合方式是不同的。 还有哪些因素导致物质众多？ 相同的元素组成的化合物也可能很多。如碳和氢元素组成了如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等许多物质。 结论：各种元素的原子可能通过不同的途径，不同的方式构建成性能各异的物质。二、化学键 探究：原子间可能存在哪些作用？ 提示：当两个原子距离较远时，可能存在哪些作用？ 当两个原子距离较近时，可能存在哪些作用？
分子间的相互作用
课题：三、分子间的相互作用 课时：1课时 教学要求：1、让学生知道分子间同时存在着引力和斥力，实际表现出来的分子力，是 分子引力和斥力的合力； 2、让学生知道合力为0时，分子间距离r0数量级是10-10 m； 3、让学生知道当r < r0 时，分子力表现为斥力，并随r的减小而迅速 增大；当r > r0时，分子力表现为引力，并随r 的增大而减小； 4、让学生知道分子力是短程力，当r > 10r0时，分子力为0； 5、使学生能用分子力的知识解释有关简单的现象； 6、让学生了解什么是分子势能，以及分子势能与分子间距离的关系； 教学重点：分子力与分子间距离的关系； 教学难点：分子势能的概念； 教具：弹簧 教学过程： 一、引入新课： 我们知道，分子间存在着相互作用力：引力和斥力。 例如：折断木棍，拉断绳子，很费力； 铁棍很难使之伸长； 拉长的皮筋松手后能恢复原状； 两块铅块压紧后能连在一起； 课本P8 小实验：体验分子力的作用，拉玻璃板的力大于板的重力； 以上这些例子都说明了分子间有引力。 例如：固体、液体很难被压缩，这说明分子间有斥力。 可见：分子间存在引和斥力，拉伸物体时，表现为引力；压缩物体时，表现为斥力； 二、新课讲授： （一）分子力： 气体容易被压缩，水和酒精混合后总体积变小，这些事实说明气体分子之间、液体分子之间都有空隙。有人曾用相当于大气压两万倍的压强压缩钢筒中的油，发现油可以透过筒壁
渗出，这说明组成钢的微粒之间也有空隙。（前面我们认为固体分子和液体分子是一个挨一个地排列的，那只是为了估算分子的大小而做的近似处理）。 但是，分子间虽然有空隙，大量分子却能聚集在一起形成固体或液体，这是因为分子之间存在着引力。 我们知道，分子间存在着引力和斥力，并且引力和斥力是同时存在的，那么，实际表现出来的分子力，就是分子引力和斥力的合力。 而引力和斥力的大小都跟物体分子间的距离有关。 （二）分子间作用力与分子距离的关系： 当分子间的距离比较大时，分子间的相互作用表现为引力； 当分子间的距离比较小时，分子间的相互作用表现为斥力； 为了帮助想象分子力与分子距离的关系，可采用一种简化的模型： 分子———弹性小球 分子间———轻质弹簧 分子间距离近时，互相排斥；———弹簧被压缩 分子间距离远时，互相吸引；———弹簧被拉长 分子间距离不近不远时，既不吸引也不排斥；———弹簧处于原长 注：1、分子间既不吸引也不排斥的距离，大约是10-10 m 的数量级———平衡距离； 2、分子间的相互作用力是短程力，当距离超过10-9m 的数量级时，分子力十分微弱，可以忽略不计； 3、分子由原子组成的，原子的中心有带正电的原子核，核的外面有带负电的电子。分子间这样复杂的作用力就是由这些带电粒子的相互作用引起的。 （三）分子势能： 地面上的物体与地球相互吸引而具有重力势能，发生弹性形变的弹簧，由于各部分相互作用力而具有弹性势能。同样，由分子动理论可知，分子间也存在相互作用力，要改变分子间的相对位置，就必须克服分子力做功，因此分子也具有由它们的相对位置所决定的———分子势能。 1、分子势能与分子距离有关：
高一化学一学期教案《原子间的相互作用》教案(沪科版)
3．1 原子间的相互作用 一、教学目标 1．知识与技能 （1）理解一些常见晶体材料； （2）理解化学键的概念和化学键的种类。 2．过程与方法 （1）通过学习物质硬度差异的应用，关注生活、生产所用材料、及其与原子间相互作用和化学键的关系。 （2）通过对有关材料的调查、讨论、实验，感受实践创新活动的方法。 3．情感态度与价值观 （1）了解材料科学给人类带来的意义。 （2）通过讨论原子间吸引与排斥的相互作用，体验辨证唯物主义的矛盾对立同意的观点。（3）通过对材料的优劣分析，感触事物的双韧性及环境保护思想。 二．教学重点和难点 1．教学重点 化学键的概念和种类。 2．教学难点 原子间的相互作用，化学键的涵义。 三．教学用品 几种硬度不同的物质，利用Flash软件模拟原子间相互作用过程。 四．教学流程 1．设计思想 提出问题：“一百多种元素的原子是怎样构成几千万种物质的呢？”；然后展示：许多元素组成类似的物质，而性质却有很大差异，因此原子构成物质的方式不同，使物质呈现不同的性质；告诉学生从本节课起将对原子构建物质的奥秘作初步的探究，接着引出课题，逐一探究。 2．流程图
3．流程图说明 [创设情景，引出课题] 展示几种硬度不同的样品。设问：“一百多种元素的原子是怎样构成几千万种物质的呢？” [探究活动1]证明这几种样品硬度的大小。 [学生讨论1]为什么各种物质会具有不同的硬度？而同是碳元素组成的金刚石和石墨，其硬度差异又会这样大？（展示金刚石和石墨结构模型，从物质的组成和结构来说明物质硬度大小的原因）。 [归纳1]物质的硬度等某些性质不仅与组成物质的元素有关，还与原子间的相互作用的方式
3.1原子间的相互作用
3.1 原子间的相互作用 3.1 原子间的相互作用 课前自主预习 基础梳理 1．性能各异的物质 例如：金刚石与石墨都是由碳元素组成的，但金刚石 ，石墨却很 在常态下二氧化碳是气体，而组成与二氧化碳相近的 氧化硅，像水晶、砂子等却是坚硬的固体。由此可见，物质 有关，也与原子间 的相互作用的方式和 2．化学键 1）原子间的吸引、排斥作用： 两个原子（或离子，下同）接近到一定距离时， 原子原子核的正电荷与另一个原子核外的负电荷产生 作用，同时原子核与原子核、电子与电子同种电 性产生 我们知道，构成物质世界的元素只有 多种，这 些元素构成了 多万种物质。各种元素的原子可能 通过不同的 、不同的 构成性能各异的物质。 的硬度不仅与 有关。
作用。稳定的化学键是 用达到相对平衡时 2）化学键定义 3）化学键分类 自我测评1．原子结合成分子时，原子间（ A .只存在吸引力 B .没有排斥力 C ．吸引力大于排斥力 D .吸引力与排斥力达到平衡 2．化学键是一种相互作用，它存在于（ A .分子或原子团中相邻的原子之间 B ．构成物质的所有微粒之间 C .物质中的原子之间 D ．分子之间
课堂互动探究 核心突破 探究学习 1．以下关于化学键的叙述正确的是( A .化学键是分子内原子间的作用 B .化学键既可以存在于原子之间，也可以存在于分子之间 C .原子通过化学键形成分子，也可以通过化学键直接构成固体 D .化学键是物质中相邻原子之间的强烈的相互作用 2．不存在化学键的物质是( A .氮气 B ．水 C ．氩气 D ．食盐固体 3．下列物质发生的变化中，其化学键没有发生变化的是 A .次氯酸见光分解 B ．石墨在一定条件下转变成金刚石 C ．水加热变成水蒸气 D ．氯化氢气体溶于水
分子动力学与原子多体势解析
一．分子动力学简介 随着纳米科技的到来，许多新的学科产生了，例如纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学、纳米机械学等。人们的注意力逐渐从宏观物体转向小尺度及相应的器件，其中微机械系统(mieromachine)或称微型机电系统(mieroe一eetro一meeh耐ealsystem，MEMs)尤其取得了成功，并正被拓展应用于各种工业过程。由图1可知，分子动力学正是处于nm尺度下的研究方法。 图1.不同模拟方法所对应的空间和时间尺度 1957年Alder和Wainwright[1]开创了分子动力学(Moleeularnynamies，MD)方法，之后经过多位科学家的努力，拓展了分子动力学方法的理论、技术及应用领域，尤其是在20世纪80年代由Andersen等[2]先后完成的恒温、定压分子动力学方法，标志着分子动力学方法的科研应用进入了一个新阶段。 分子动力学方法是研究纳米尺度物理现象的重要手段。随着越来越多的材料原子间作用势函数被精确描述并经过实验验证、计算机硬件水平的快速更新以及高效率新算法的提出，分子动力学模拟被广泛应用于纳米尺度力学行为和纳米材料力学性能的研究。 在纳米尺度下，材料由离散的原子排列而成，由于比表面积大、表面效应明显，材料的力学性能和力学行为将与宏观材料迥异。基于连续性假设的宏观连续介质理论在研究材料的损伤演化、失效过程时，往往在时间和空间上将原子尺度的缺陷进行平均化处理，但这种处理仅适用于大量缺陷分布在材料中计算区域的情形，而对许多细微观材料和力学实验观测到的现象都无法解释，如疲劳与蠕变过程中的位错模式、塑性变形的不均匀性、脆性断裂的统计本质、尺寸效应等。因此，连续介质理论显然难以准确求解纳米尺度的力学问题。同时，如果直接从第一原理出发进行计算，除了类氢原子以外其他材料的薛定愕方程求解难度都太大，而且局域密度泛函近似理论并不是总能满足实际问题的需要。另一方面，材料本身在空间、时间和能量等方面存在藕合和脱祸现象[3,4]，直接从头开始的量子力学计算难以很好地应用到几百个原子以下的计算规模中，无法达到一般纳米材料和器件的模拟要求。此外，由于实验条件控制的困难和合成、制备方式不同，各种纳米材料力学性能的有关实验结果分散性较大甚至相反，以至于目前难以通过纳米力学实验得到普遍适用的定量力学规律。 鉴于理论和实验上的困难，通过分子动力学方法模拟纳米尺度的力学性能和行为来探索纳米尺度的一般规律，是进行纳米力学研究的有效方法。分子动力学最早用于热动力学和物理化学，计算不同物理系统如固体、气体、液体的整体或平均热化学性能。1957年Alder 首次提出并采用分子动力学方法分析刚性球系统的固液相变问题取得成功，此后，分子动力
分子间相互作用
第3章分子间相互作用势和流体结构 第1章介绍的流体及其混合物的相平衡热力学基础，是根据一些基本的定律和假设通过演绎推理得到的宏观系统状态间的普遍联系。但它在实际进行相平衡计算(见第2章)时，需要输入能够表征所研究系统特征的纯流体及其混合物的性质(包括热物理性质和相行为等)。这些性质可以是实验数据，也可以是分子热力学模型(如，理想气体热容随温度变化的表达式、状态方程和液体混合物的液相活度因子模型等)。 这些性质通常来源于实验测定。然而，宏观的实验并不能洞察为什么物质具有所观测到的性质，要达到这一目的需要从微观角度出发。流体的热物理性质和相行为是大量分子的集体行为的结果，它们决定于分子的结构及分子间相互作用。统计力学是联系微观的分子结构和分子间相互作用与宏观热力学性质的桥梁。根据统计力学理论，只要知道流体分子间的相互作用能随分子间距离的变化关系即势能函数 ij(r ij)，就可以计算系统的正则配分函数，进而得到系统的亥氏函数，并进一步通过热力学普遍关系式，由亥氏函数求导得到热力学能、焓、熵、Gibbs能、化学势等其它热力学性质。本章对分子间相互作用、势能函数模型以及液体结构模型作一简单介绍，关于分子间相互作用的更详细的知识可以参阅有关著作[3-1~3-8]。 3.1 分子间相互作用 分子间作用可分为排斥作用和吸引作用两种，一般情况下两个分子间既存在排斥作用也存在吸引作用，总的作用是两者之和。从作用范围来分，又可分为长程作用和短程作用。静电作用、诱导作用和色散作用是长程作用，其相互作用势能与分子间距离的某个次方成反比。当分子间距离比较小时，其电子云将发生重叠，而发生排斥作用，这种排斥作用常常随距离成指数形式衰减，所以称为短程相互作用。理论上我们可以根据量子力学的第一性原理或从头算法计算分子间作用能。 3.1.1 静电作用 流体混合物是由分子和/或离子组成的，其中离子带有正电荷或负电荷。惰性气体等球形分子，其电荷分布是球对称的，正电荷中心与负电荷中心完全重合，通常称为非极性分子。当分子的正电荷中心和负电荷中心不重合时，则形成偶极矩，称为极性分子。有的分子具有多个正的或负的电荷中心，可以形成四偶极矩、八偶极矩、十六偶极矩等。这些离子、偶极分子和多极分子之间的相互作用主要是静电作用。 (1) 点电荷间的静电作用 设有两个相距为r的点电荷q i和q j，按库仑(Coulomb)定律，它们的相互作用力为：
光与原子相互作用
§9-2 光与原子相互作用 人们对于光的种种性质的了解，都是通过观察光与物质相互作用而获得的，光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，这种相互作用，有三种主要过程：吸收、自发辐射和受激辐射。 一、吸收 如果有一个原子，开始时处于基态1E ，若没有任何外来光子接近它，则它将保持不变 E 2E 1E 2E 1E 1 E 2 (a)(b)(c) （图9－4） [图9-4（a ）]，如果有一个能量为21hv 的光子接近这个原子，则它就有可能吸收这个光子，从而提高它的能量状态[图9-4（b ）]，本来处于基态1E 的原子，在吸收21hv 以后，就激发到激发态2E [图9-4（c ）]，整个图9-4表示原子对光的吸收过程，在吸收过程中，不是任何能量的光子都能被一个原子所吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔2E —1E 时，这样的光子才能被吸收。 设处于基态1E 的原子密度为1n ，光的辐射能量密度为()u v ，则单位体积单位时间内吸收光子而跃迁到激发态2E 去的原子数12n 应该与1n 和()u v 成正比，因而有12n ∝1()n u v 即 12121()n B n u v = （9-6） 其中12B 为比例系数，称为受激吸收爱因斯坦系数，121()B n u v 称为吸收速率，用12ω表示，于是（9-6）式可写成 12112B n ω= 二、自发辐射 从经典力学的观点来讲，一个物体如果势能很高，它将是不稳定的，与此相类似，处于激发态的原子也是不稳定的，它们在激发态停留的时间一般都非常短，大约在8 10s -的数量级，所以我们常常说，激发态的寿命约为810s -，在不受外界的影响时，它们会自发地返回到基态去，从而放出光子，这种自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程，显然，如果处于激发态2E 的原子密度为2n ，则自发辐射光子数为
光与物质相互作用的全量子理论
2.3光与物质相互作用的全量子理论 在本节，我们将以量子化辐射场与两能级原子的相互作用为例来阐述光与物质相互作用的全量子理论。 2.3.1原子系统与光波场的总哈密顿 在半经典理论中，单电子原子与辐射场的相互作用哈密顿为： e H H H F A ?-+= (2.47) 其中A H 和F H 分别代表无相互作用时的原子和辐射场的能量，代表电子的位置矢量，代表辐射场的振幅。当辐射场也被量子化后，我们有： ii i i i i A E i E H σ∑∑== (2.48a) ∑+=+ k k k k F a a H )2/1(ν (2.48b) ∑∑ ==j i ij ij j i j j i e e ,,σμ (2.48c) ∑++=k k k k k a a E )(ε (2.48d) 其中+k a 和k a 分别代表光子的产生和湮灭算符，j i ij =σ代表原子跃迁算符， j e ij =μ代表电偶极矩阵元，2/10)2/(V E k k εν =。于是，我们得到全量子理论中的哈密顿： ∑∑∑∑+++++=j i k k k ij ij k i ii i k k k k a a g E a a H ,)(σσν (2.49) 其中 /)(k k ij ij k E g εμ?-=。在此，我们已从第一项中略去了零点能。 对于一个两能级原子，考虑到ba ab μμ=，我们可令ba k ab k k g g g ==，于是方程（2.49）可进一步简化为： ∑∑+ ++++++=k k k ba ab k bb b aa a k k k k a a g E E a a H ))(()(σσσσν (2.50)
固体物理第二章答案
第2 1. 有一晶体,平衡时体积为 0V ， 原子间相互作用势为0.如果相距为 r 的两原子互作用势为 ()n m r r a r u β + -= 证明 (1) 体积弹性模量为 K=.90 V mn U (2) 求出体心立方结构惰性分子的体积弹性模量. [解答]设晶体共含有 N 个原子,则总能量为 U(r)= ()∑∑i j ij r u ' 21. 由于晶体表面层的原子数目与晶体内原子数目相比小得多,因此可忽略它们之间的基异,于是上式简化为 U= ().2 ' ∑j ij r u N 设最近邻原子间的距离为R 则有j ij a r =R 再令 A ,1' ∑= j m j m a A ,1'∑=j n j n a 得到 U=.200???? ??+-n n m m R A R A N βα 平衡时R=R 0,则由已知条件U(R 0) = 0U 得 0002U R A R A N n n m m =??? ? ??+-βα 由平衡条件 0) (0 =R dR R dU 得 021010=??? ? ??-++n n m m R A n R A m N βα. 由(1),(2)两式可解得 . ) (2, ) (200 00 n n m m nR n m N U A nR n m N U A -=-= βα 利用体积弹性模量公式[参见《固体物理教程》(2.14)式] K= 0220 20 9R R U V R ???? ? ???得K= ?? ????+++-n n m m R A n n R A m m N V 000)1()1(291βα = ??????-++-+-)(2)1()(2)1(2910 00 0000n m N mR U R n n n m N nR U R m m N V n n m m = .900V mn U - 由于,0012 第三章 原子间的相互作用(学生版)
第三章原子间的相互作用 一、知识梳理 【思考】金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质，为什么它们的硬度差异很大？ 【回顾】同素异形体的概念：________________________ （二）化学键 1．原子间的相互作用 当两个原子间距离较远时，由于一个原子的原子核和另一个原子的核外电子所带电荷的电性是相反的，因 此主要表现为相互吸引；当两个原子间距离较近时，由于两个原子的原子核所带的都是正电荷，核外电子所带 的都是负电荷，因此主要表现为相互排斥；当两个原子保持一定距离时，相互吸引和相互排斥的作用处于平衡， 这样就形成稳定的化学键。 【回顾】原子的结构与原子中粒子所带电荷。 2．化学键的定义 分子或晶体中直接相邻的微粒之间强烈的相互作用力称为化学键。 【思考】化学键是原子间的相互作用，这种作用是( ) (A)吸引力(B)排斥力 (C)吸引力和排斥力达到平衡(D)吸引力大于排斥力 二、典型例题 【例1】下列说法中不正确的是( ) (A)目前人类发现的天然物质中，硬度最大的是金刚石 (B)人类有可能合成比金刚石还要硬的物质 (C)物质的硬度差异，在生产、生活、科研中有着广泛的应用 (D)金刚砂（SiC）和金刚石具有同样的硬度
【例2】已知乙酸分子的结构可表示为，下列说法正确的是( ) (A)氢原子与氢原子之间存在化学键(B)碳原子与碳原子之间存在化学键 (C)氧原子与氧原子之间存在化学键(D)乙酸分子之间存在化学键 【例3】已知水的分解温度高于1 800℃多，难以分解的原因是________________________。 【例4】已知二氧化碳和二氧化硅( SiO2)组成相近，二氧化硅俗称石英。水晶是一种纯度较高的二氧化硅晶体，试从物理性质上分析两者的差异，思考为什么组成相近的物质性质也有那么大的差异。 【例5】物质之间产生硬度差异可能的原因有哪些？ 【例6】以下关于化学键的叙述，正确的是( ) (A)存在于分子或晶体内的不同原子间的作用力 (B)存在于物质内的所有原子间的作用力 (C)存在于分子或晶体内的所有原子间的吸引力 (D)存在于分子或晶体内的相邻的原子间的作用力 三、思维误区点拨 本节知识在理解与运用中常见的错误是：不能正确理解化学键的定义。【例1】下列晶体中不存在化学键的是( ) (A)金刚石(B)干冰(C)食盐(D)固体氖 【例2】下列变化中，不需要破坏化学键的是( ) (A)硝酸钡溶于水(B)金属铁熔化(C)酒精气化(D)甲烷燃烧四、视野拓展 新型金属材料记忆金属 记忆金属实际上是一种合金，确切地说应为“记忆合金”。它是指某种材料在一定温度下受到外力作用时会发生变形，一旦外力消失后，它仍能保持变形后的形状，而当温度上升到某一数值对，这种材料又会自动恢复到变形前的形状，它似乎能“记忆”自己原有的形状。 记忆合金是美国海军军械局一个研究小组在一个偶然机会中发现的。那是20世纪60年代初的某一天，这个研究小组人员从仓库领来一批乱如麻丝的镍钛合金丝，花了许多时间把它们一根根弄直，并顺手把它们堆放在炉边，可是不一会儿却又恢复到原先弯曲的形状。这个偶然的现象引起了研究人员的高度兴趣，经过反复的实验研究，最后终于发现50%的镍和50%钛制成的合金，当温度升高到40℃以上时，能记住自己原来的形状，科学家们把这种现象叫做“形状记忆效应”。后来经过许多科学家的努力又发现了铜锌铝合金、铜镍铝合金、铁铂合金等也具有“形状记忆效应”。目前，记忆合金已被应用于许多方面，并取得了很好效果。 ①嗣各种管子接头用记忆合金加工成内径比欲连接管子的外径小4%的套管，然后在一定条件下将套管扩径约8%，装配好后，再升高温度，套管的内径恢复到原尺寸，紧紧收起，把管子封接得非常严密。像美国的F-14战斗机的油压系统中使用了10万个这样的接头，从未发生过漏油、脱落等事故。 ②航空航天1969年7月20日，人类第一次登上了月球，宇航员登月后，在月球上放置了一个直径达2. 54 m的半球形天线，实行了月、地之间的信息传输。宇航员乘坐的登月舱直径只有1m 多一点，这个天线是怎么带上去的呢？原来天线也是用记忆合金制成的，在登月舱里它的直径大约只有50 cm大小，送到月球上吸收太阳光的热量后又恢复到原来的形状。
激光与物质相互作用复习大纲
1、从激光束的特性分析，为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用？ 答：（1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。 （2）单色性好: 为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。 （3）亮度极高：能量密度高。 （4）相关性好：获得高的相关光强，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。 总之，激光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。 2、透镜对高斯光束聚焦时，为获得良好聚焦可采用的方法？ 答：用短焦距透镜； 使高斯光束远离透镜焦点，从而满足l>>f、l>>F； 取l=0，并使f>>F。 3、什么是焦深，焦深的计算及影响因素？ 答：光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成正比，与w12成反比，因此要获得较大的聚焦深度，就要选长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。 4、对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些？ 答：波长、温度、材料表面状态 波长越短，金属对激光的吸收率就越高 温度越高，金属对激光的吸收率就越高 材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。 5、简述激光模式对激光加工的影响，并举出2个它们的应用领域？ 答：基模光束的优点是发散角小，能量集中，缺点是功率不大，且能量分布不均。 应用：激光切割、打孔、焊接等。 高阶模的优点是输出功率大，能量分布较为均匀，缺点是发散厉害。应用：激光淬火（相变硬化）、金属表面处理等。 6、试叙述激光相变硬化的主要机制。 答：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度，此时工件部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向部传递，使表层以极高的冷却速度冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。 7、激光淬火区横截面为什么是月牙形？在此月牙形区相变硬化有什么特点？ 特点：A,B部位硬化，C部位硬化不够 原因：A,B部位接近材料部，热传导速率大，可以高于临界冷却速度的速度冷却，因此
原子间相互作用和离子键1
一、化学键 1.原子间的相互作用： 当两个原子间距离较远时，由于一个原子的原子核和另一个原子的核外电子所带电荷的电性是相反的，因此主要表现为相互吸引；当两个原子间距离较近时，由于两个原子的原子核所带的都是正电荷，核外电子所带的都是负电荷，因此主要表现为相互排斥；当两个原子保持一定距离时，相互吸引和相互排斥的作用处于平衡，这样就形成了稳定的化学键。 2 3．化学键：物质中直接相邻的之间存在的。 常见的化学键有、和金属键。 4 . 注意点：①“直接相邻”的原子（包括离子）间存在化学键，非直接相邻的微粒间无化学键作用。 ②由于相邻的微粒之间的相互作用有强有弱，而化学键是一种“强烈”的相互作用，原子间较弱的相互作用不是化学键。 ③成键微粒间的“相互作用”不能只理解为相互吸引，它还包括相互排斥，它是相互吸引和相互排斥的平衡。 [氯化钠的形成] 1.定义：所形成的化学键叫做离子键。 （1）成键微粒：；（无阴阳离子则无离子键，有离子键定有阴阳离子） （2）相互作用：；【指离子间的静电吸引（离子间的吸引）和静电排斥（○1电子与电子的排斥/负电。○2原子核与原子核的排斥/正电）达到平衡。】 （3）成键过程：○1原子相互得失电子形成稳定的电子层结构 ○2离子间吸引与排斥达到平衡 ○3体系的总能量比成键前降低。
? ? ?离子半径越小离子所带的电荷数越多（4）离子键的成键元素： （5）离子键的影响因素： 则离子键越 . 2电子式的书写： 电子式的定义：在元素符号周围用 或 来表示原子 电子的式 子，电子式可以简明地表示出原子、离子、化合物的组成。 1、原子的电子式：如： 2、离子的电子式： （1）简单阳离子的电子式：直接用 表示，如Ca 2+ 的电子式就是Ca 2+ （2）阴离子的电子式： 写成[ ]n-的形式，如 （3）复杂离子的电子式：暂时略 （1）原子的电子式：如Na ；H ；C ；S ；Cl 。 （2）阴、阳离子的电子式： 分别写出Na +、Mg 2+、NH 4+、Cl —、S 2—、OH —的电子式： 练习1 （1）定义：以离子键结合的化合物叫离子化合物。 （2）构成的微粒：阳离子、阴离子 （3）离子化合物中存在的作用力：一定存在离子键，可能有共价键。 （4）离子化合物的特征：①在常温下，离子化合物总是以固态形式存在，而且离子化合物在固态时只有“化学式”。 ②一般来说，离子化合物在水溶液中和熔化状态下均能产生自由移动的离子，所以均能导电，而离子化合物若以固态形式存在时，尽管有阴阳离子，但它们只被局限在一定空间振动，不存在自由移动的离子。所以，离子化合物在固态时不导电。 4、用电子式表示离子化合物的形成过程
宇宙间有四种相互作用
宇宙间有四种相互作用 宇宙间有四种相互作用：（1）强相互作用；（2）弱相互作用；（3）电磁相互作用；（4）引力相互作用 大自然中，物质之间的相互作用力一般有四种，按强度由强到弱来排列它们分别是：强相互作用力、电磁相互作用力、弱相互作用力、万有引力。 第一节强相互作用力的实质 强相互作用力乃是让强子们结合在一块的作用力，人们认为其作用机制乃是核子间相互交换介子而产生的。 而其实，强子们之间的相互作用实际上乃是夸克团体与夸克团体之间的相互作用，而夸克团体之间的相互作用则必然乃夸克与夸克之间相互作用的剩余。而夸克之间的相互作用我们已知它是未饱和游空子重合体之间相互作用的延伸，这才是真正的强相互作用之作用机制。 大约地说，当夸克们结合成为强子时，其结构已经较为严密完整，可是，如果强子之间发生了强烈的撞击作用，那么各强子原来的结构则定会遭到破坏，因此，各强子中的大小夸克们则自然会重新产生相互的作用而结合在一块；这，正就是强相互作用的现象。 而说到底，强相互作用的实质乃是由于未饱和游空子重合体之中心体因其综合循环体的未饱和而通过静空子中间体渗透出中心极性而与别的未饱和游空子重合体之外层循环体产生相互吸引，并且自身的循环体同理也受到对方中心体吸引，因而它们之间则产生了强烈的相互作用从而形成了各种层次的联合构成体，而强相互作用则乃是其中一个层次上的联合相互作用而已。 第二节电磁相互作用力的实质 电磁相互作用力乃是带电荷粒子或具有磁矩粒子通过电磁场传递着相互之间的作用。 电场和磁场的实质我们在前面已经了解：电场乃是游空子循环体的循环变化在周围静空子的中间体中引起极性感应激荡并传递开去。而磁场则是电场因电源的运动而呈现出不同的状态而已。并且我们还知道，电场和磁场实际上也是一种电磁波，不过乃是频率及高的电磁波。 而电磁波能够对许多东西产生作用并使之发生结构状态的改变（如光照能使物体升温、无线电波能在导线中推动电子而形成电流等等），这是因为任何有质的东西皆由游空子所构成，而任何游空子皆处在静空子之中并与静空子共用中间体；于是，电磁波━━即静空子中间体的极性感应激荡自然会影响游空子从而或多或少地影响了游空子构成体的整体状态。所以，电磁作用的范围其实是很广的。 那么带电荷体与带电荷体之间的相互作用具体是怎样进行的呢？ 电荷无非分为正负两种，我们先说异种电荷，即正负电荷之间的相互作用吧。 正负电荷乃是通过各自所产生的电场来进行相互作用的。那么首先请问：既然异种电荷是相互吸引的，可为什么却不常看到正负电荷直接接触进行相互作用并结合在一起呢？ 正因为，据我们所知电荷的实质乃是物质基元游空子的循环体或游空子重合体外层的循环体在循环时对外表现出来的极性激荡。这激荡造成周围静空子中间体的极性感应激荡即是所谓的电场。而正负电荷的区别则不过是循环体循环方向的左右旋不同而已。那正负电荷的电场，则乃区别于极性激荡的相位刚好相反。总之，正负电荷皆起源于同一极性体（即游空子循环体），
光场和原子间的相互作用对V型
光场和原子间的相互作用对V型 三能级原子激光压缩性质的影响 学生姓名：李晓江指导教师：赵丽云 摘要研究了V型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体与双模压缩相干态光场相互作用系统的 哈密顿量和原子激光的两个正交分量的压缩性质。研究表明：V型三能级原子玻色-爱因斯 坦凝聚体中光场-原子相互作用强度对原子激光的两正交分量的涨落有明显的影响。 关键词：玻色-爱因斯坦凝聚体；V型三能级原子；压缩相干态；压缩原子激光 0 引言 1924年，玻色和爱因斯坦在理论上预言了玻色-爱因斯坦凝聚[1]（Bose-Einstein condensation,简称为BEC）现象，即在一定的温度下，玻色粒子在最低能量的量子态上迅速聚集，达到相当可观的数量。玻色-爱因斯坦凝聚作为一种新的物质形态，自1995年在碱金属原子稀薄气体中实现以来，引起了研究的热潮。随后人们对原子BEC与光场的相互作用进行了大量的研究，包括压缩原子激光的量子动力学过程等[1,4]，提出利用压缩光场与原子相互作用可以产生压缩原子激光[1,4]。其后，景辉等[1]又提出了一种利用强入射光控制原子激光相干性的方法，并证明了输出的原子激光束将会随时间演化而呈现一些非经典性质，如亚泊松分布和正交压缩性质等。且对处于非经典光场中原子与光场的作用也进行了研究，如双模压缩光场与二能级原子相互作用[6]。文献[1]中讨论了原子间相互作用对单模压缩光场正交位相振幅压缩的影响。 本文在以上工作基础上，对光场-原子BEC系统的总哈密顿量进行了分析，并讨论了原子玻色-爱因斯坦凝聚体对V型三能级原子激光压缩性质的影响。结果表明：BEC中光场-原子相互作用强度ε对原子激光的两正交分量的涨落有明显的影响。当ε较小时，压缩深度较浅；当ε较大时，压缩深度变深。 1 系统哈密顿量的改进和运动方程的求解 考虑如图1所示V型三能级原子的BEC与双模压缩相干态光场相互作用的系统，在旋波近似下，系统的哈密顿量为
高中物理 原子间的相互作用教案
3．1 原子间的相互作用 一．教学目标 1．知识与技能 （1）理解一些常见晶体材料； （2）理解化学键的概念和化学键的种类。 2．过程与方法 （1）通过学习物质硬度差异的应用，关注生活、生产所用材料、及其与原子间相互作用和化学键的关系。 （2）通过对有关材料的调查、讨论、实验，感受实践创新活动的方法。 3．情感态度与价值观 （1）了解材料科学给人类带来的意义。 （2）通过讨论原子间吸引与排斥的相互作用，体验辨证唯物主义的矛盾对立同意的观点。（3）通过对材料的优劣分析，感触事物的双韧性及环境保护思想。 二．教学重点和难点 1．教学重点 化学键的概念和种类。 2．教学难点 原子间的相互作用，化学键的涵义。 三．教学用品 几种硬度不同的物质，利用Flash软件模拟原子间相互作用过程。 四．教学流程 1．设计思想 提出问题：“一百多种元素的原子是怎样构成几千万种物质的呢？”；然后展示：许多元素组成类似的物质，而性质却有很大差异，因此原子构成物质的方式不同，使物质呈现不同的性质；告诉学生从本节课起将对原子构建物质的奥秘作初步的探究，接着引出课题，逐一探究。 2．流程图
3．流程图说明 [创设情景，引出课题] 展示几种硬度不同的样品。设问：“一百多种元素的原子是怎样构成几千万种物质的呢？” [探究活动1]证明这几种样品硬度的大小。 [学生讨论1]为什么各种物质会具有不同的硬度？而同是碳元素组成的金刚石和石墨，其硬度差异又会这样大？（展示金刚石和石墨结构模型，从物质的组成和结构来说明物质硬度大小的原因）。 [归纳1]物质的硬度等某些性质不仅与组成物质的元素有关，还与原子间的相互作用的方式和作用的强弱有关。 [学生讨论2]原子是如何结合成分子的呢？分子中的原子间又存在怎样的作用呢？ [动画]原子间的相互作用（两个氢原子结合成一个氢分子）。 [归纳2]化学键的概念和化学键的分类 [小结]物质的结构决定其性质，而性质又能体现其结构；化学键的涵义和分类 五．教学案例 1．主题引入 展示几种硬度不同的样品，并让学生探究其相对硬度。设问：“一百多种元素的原子是怎样构成几千万种物质的呢？为什么许多元素组成类似的物质，在性质上却有很大差异？”，要想解决这些问题，就必须了解原子是如何构成分子或原子如何构成物质的，我们从本节课起将对原子构建物质的奥秘作初步的探究。 2．课的展开 [问题1]为什么各种物质会具有不同的硬度？而同是碳元素组成的金刚石和石墨，其硬度差异又会这样大？（学生讨论）
12 第三章 原子间的相互作用(教师版)
一、知识梳理
(C)物质的硬度差异，在生产、生活、科研中有着广泛的应用 (D)金刚砂（SiC）和金刚石具有同样的硬度 【解析】A正确，因为指明是天然的。B正确，相信随着科学技术的不断发展，一定会有新物质被制备出来。C正确，可以举出许多例子。D错，据目前报道，硬度大于金刚石的只有氮化碳。金刚砂的硬度仅次于金刚石。故选D。 【答案】D 【例2】已知乙酸分子的结构可表示为，下列说法正确的是( ) (A)氢原子与氢原子之间存在化学键(B)碳原子与碳原子之间存在化学键 (C)氧原子与氧原子之间存在化学键(D)乙酸分子之间存在化学键 【解析】由于乙酸是由分子构成的物质，在乙酸的分子内只有相邻的原子之间存在化学键，不相邻的原子同就不存在化学键。但在乙酸的分子与分子之问是由微弱的范德华力结合，范德华力比化学键的能量小得多。 【答案】B 【例3】已知水的分解温度高于1 800℃多，难以分解的原因是________________________。 【解析】由于水分子内氢、氧原子之间存在强烈的相互作用——共价键（如图中的实线部分），所以要破坏氢、氧原子间的共价键，就需要吸收很多的能量，才能使其分解成为H2和O2，因而分解温度很高，需要超过1800℃。但水分子与水分子之间，存在较弱的相互作用力——氢键（如图中的虚线部分），因此要使水蒸发成为水蒸气，只须破坏氢键及范德华力即可，所需能量较小，所以水的沸点是100℃。 【答案】见解析。 【例4】已知二氧化碳和二氧化硅( SiO2)组成相近，二氧化硅俗称石英。水晶是一种纯度较高的二氧化硅晶体，试从物理性质上分析两者的差异，思考为什么组成相近的物质性质也有那么大的差异。 【解析】二氧化碳是我们熟悉的物质，所以在对比时不难得出结论。但关键在如何作全面的对比分析，借助我们平时研究物质的物理性质时的规律，从色、态、味，溶解性、熔、沸点着手，就可以发现它们的反差很大， 所以用途也完全不同。 组成相近并不代表组成的物质结构相同，所以物质的性质是由多方面因素综合决定的。包括原子结构、组成和结合方式。感受了解物质的结构是理解物质性质的前提，学好化学就一定要学好有关物质结构的知识。 【答案】见解析【例5】物质之间产生硬度差异可能的原因有哪些？ 【解析】这是一个开放式的问题，当然有许多原因会导致物质的硬度有差异，那么从哪里着手呢？钢铁和木材硬度有差异，那是它们组成的元素各不相同；如果元素相同呢？我们知道金刚石和石墨都由碳原子构成，但硬度差异却很大，说明原子的相互作用方式和作用的强弱也影响着物质硬度的大小。综合起来，物质硬度等某些性质不仅与组成物质的元素有关，也与原子间的相互作用的方式和作用的强弱有关。 【答案】物质的硬度等某些性质不仅与组成物质的元素有关，也与原子闻的相互作用的方式和作用的强 弱有关。 【例6】以下关于化学键的叙述，正确的是( ) (A)存在于分子或晶体内的不同原子间的作用力 (B)存在于物质内的所有原子间的作用力 (C)存在于分子或晶体内的所有原子间的吸引力 (D)存在于分子或晶体内的相邻的原子间的作用力 【解析】化学键必存在于分子内或晶体内部，有些物质是由大量分子构成的，分子之间也可能有作用力， 但这不是化学键。化学键仅存在于分子或晶体内的相邻的原予之间，相邻的原子可以是同种原子，也可以是不 同种原子。不相邻原子闯也叮能有作用力，但这也不是化学键。所以只有D正确。分子或晶体内的相邻的原 子之间的作用+力是比较强烈的。作用是排斥和吸引达到了平衡，作用力不是吸引力。 【答案】D 三、思维误区点拨 本节知识在理解与运用中常见的错误是：不能正确理解化学键的定义。 【例1】下列晶体中不存在化学键的是( ) (A)金刚石(B)干冰(C)食盐(D)固体氖 【错解】A或B或C 【错解分析】金刚石中存在共价键；干冰即二氧化碳，二氧化碳分子中也存在共价键；食盐中
苏教版第三章光与物质的相互作用
第三章光和物质的相互作用 Interaction of Radiation and Atomic Systems 激光的基本理论 电介质的极化 光和物质相互作用的经典理论简介 谱线加宽和线型函数 典型激光器速率方程 均匀加宽工作物质的增益系数 非均匀加宽工作物质的增益系数 ?光频电磁场与物质的相互作用（特别是共振相互作用）是激光器的物理基础 ?对大多数激光器，指光与组成物质的原子（或离子、分子）内的电子之间的共振相互作用 ? 强度特性（烧孔效应， 兰姆凹陷，增益饱和 等）
激光的基本理论 ?经典理论：用经典电动力学的Maxwell方程组描述 电磁场，将原子中的运动视为服从经典力学的振 子，也称为经典原子发光模型 ?半经典理论：采用经典Maxwell方程组描述光频电 磁波，而物质原子用量子力学描述（兰姆理论） ?量子理论：对光频电磁波和物质原子都作量子化 处理，并将二者作为一个统一的物理体系加以描 述（量子电动力学） ?速率方程理论：量子理论的简化形式，从光子 （量子化的电磁场）与物质原子的相互作用出 发，忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性 ?激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，它在原则上可以描述激光器的全部特性。 ?用不同近似程度的理论去描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些规律，但也掩盖着某些更深层次的物理现象。 物质的能级结构 跃迁 物质都是由原子组成的，原子的经典模型可以看成是简谐振动的电偶极子。实际上原子模型要运用到量子概念。原子中的电子可以在一些特定的轨道上运动，处于定态，并具有一定的能量。这样一来．高中化学中学过了电子云实际就是电子态。处于不同电子态的原子具有不同的能量，称之为原子系统（电子）的能级。每种原于就有一系列的与不同定态对应的能级，各能级间的能量不连续。 波尔假说：（1922年诺贝尔物理学奖） 1.原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的 能量只能采取某些分立的值E1、E2、。。。E4，而不能采取其他值，这些定态能量的值叫能级。 2.只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出或吸收电磁辐射。 当原子从某一能级吸收了能量或释放了能量，变成另一能级时，我们就称它产生了跃迁。凡是吸收能量后从低能级到高能级的跃迁称为吸收跃迁，释放能量后从高能级到低能级的跃迁称辐射跃迁。 根据能量守恒定律，跃迁时所吸收或释放的能量必须等于发生跃迁的两个能级之间的能级差。