光的发射和吸收解析
光学解析光的透射和吸收现象
光学解析光的透射和吸收现象光学是关于光的传播、变化和相互作用的科学，其中包括光的透射和吸收现象的研究。
本文将从理论和实际应用的角度，介绍光的透射和吸收现象的基本原理和相关知识。
一、光的透射现象光的透射是指当光从一种介质传播到另一种介质时的现象。
根据光在介质中的传播表现，可以分为折射和反射两种形式。
1. 折射现象折射现象是指光线从一种介质进入另一种介质时，由于介质的密度不同，光线会发生偏折的现象。
这主要是由于光在不同介质中的传播速度不同所引起的。
根据斯涅尔定律，光线在两种介质交界面上的入射角和折射角之间存在一定的关系，即\[n_1 \times \sin(\theta_1) = n_2\times \sin(\theta_2)\]，其中，\(n_1\)和\(n_2\)分别为两种介质的折射率，\(\theta_1\)和\(\theta_2\)分别为入射角和折射角。
折射现象在光学透镜、光纤等领域有着广泛应用。
2. 反射现象反射现象是指光线从一种介质的表面接触到另一种介质时，部分光线会被表面反射回原来的介质中。
反射现象符合反射定律，即入射角等于反射角，如入射角为\(\theta\)，则反射角也为\(\theta\)。
反射现象在镜面反射、光的全反射等方面有着广泛的应用。
二、光的吸收现象光的吸收是指光线在物质中被吸收的现象。
光在物质中的吸收程度和物质的性质有关，如光的波长、物质的化学成分和浓度等因素。
吸收现象导致光线能量的转化和衰减，可用于吸收能量、光谱分析等领域。
光的吸收现象是光与物质相互作用的结果，因此可通过控制物质的特性和光的参数来实现对光的吸收的调控。
例如，利用半导体材料制造的太阳能电池就能将光能转化为电能，而吸收不同波长的光线则可以实现光谱分析。
三、光的透射和吸收应用领域光的透射和吸收现象在现实生活中有着广泛的应用。
以下是其中几个典型的应用领域：1. 光学通信光纤通信是一种基于光的透射特性进行信息传输的技术。
大学物理中的电磁辐射光的吸收和发射现象
大学物理中的电磁辐射光的吸收和发射现象电磁辐射是物理学中一个重要的概念，它在大学物理中被广泛地研究和应用。
其中，光的吸收和发射现象是电磁辐射中的重要一环。
本文将着重探讨大学物理中的电磁辐射光的吸收和发射现象。
一、光的吸收现象光的吸收是指光能量被物质吸收而转化为其他形式的能量的过程。
在大学物理中，光的吸收现象被广泛应用于材料科学、光电子学等领域。
物质对光的吸收程度与光的波长、频率以及物质自身性质密切相关。
1.1 吸收谱物质对不同波长的光吸收能力不同，这种差异可以通过吸收谱来描述。
吸收谱是指物质对不同波长的光吸收程度随波长变化的图谱。
通过测量吸收谱，可以了解物质对不同波长光的选择性吸收特性。
1.2 吸收系数吸收系数是衡量物质吸收光的强度的物理量。
它是一个与物质本身性质相关的数值，表示单位长度或单位厚度内光能量的减弱程度。
吸收系数越大，表示物质对光的吸收能力越强。
二、光的发射现象光的发射是物质将内部储存的能量转化为光能量并释放出来的过程。
在大学物理中，光的发射现象被用于研究激光、原子能级等方面。
2.1 辐射光谱辐射光谱描述了物质在发射光时不同波长或频率的光的强度分布。
辐射光谱可以是连续的，也可以是由不同波长的光强组成的离散谱线。
2.2 波尔兹曼分布定律波尔兹曼分布定律是描述光的发射现象的重要定律之一。
根据该定律，物体的辐射光谱与其温度成正比。
这表明，温度越高，物体发射的光谱越偏向高能量的波段。
三、常见应用电磁辐射光的吸收和发射现象在许多领域中都有广泛的应用。
3.1 光谱分析光谱分析利用物质对光的吸收和发射特性，可以对物质进行结构分析、成分检测等。
例如，紫外-可见吸收光谱用于有机物的结构确定，而原子吸收光谱则用于分析金属元素的含量。
3.2 激光技术激光技术是一种利用辐射光发射特性制造单色、相干和高强度光的技术。
激光在医疗、通信、材料加工等众多领域有重要应用，如激光治疗、光纤通信和激光切割等。
3.3 火焰分析火焰分析利用燃烧物质发射的特定频谱，来分析样品中的化学元素。
光电子物理基础第一章-物质中光的吸收和发射
• 有限范围内成立；需修正
2)禁戒的直接跃迁 • 在某些材料中，k=0的直接跃迁是禁止 的,k≠0的直接跃迁是允许的， Wif正比于k2， 正比于(hν-Eg)，则αd＝α(hν-Eg)3/2，其中
α = 2 / 3 ⋅ B(2mr / m) f if' / hνf if
直接跃迁的吸收系数随频率的 变化
1.3.2 激子吸收
基本吸收中，认为被激发电子变成了导带中自 由粒子，价带中产生的空穴也是自由的。但是 受激电子与空穴会彼此吸引(库仑场)，有可能 形成束缚态，称为激子。电中性 能在晶体中自由运动的激子称自由激子，又称 瓦尼尔(Wannier)激子。不能自由运动的激子 称束缚激子，又称弗伦克尔(Frankel)激子。
1/ 2
1.3.3 杂质吸收
三个方面 1）从杂质中心的基态到激发 态的激发，可引起线状吸收 谱。 2）电子从施主能级到导带或 从价带到受主能级的吸收跃 迁 红外区
3)从价带到施主能级或从被 电子占据的受主能级到导 带的吸收跃迁。 几率小。 浅受主能级到导带的跃迁 吸收跃迁系数
α = AA N A (hν − E g + E A )1/ 2
中红外范围内，自由载流子吸收按λ2规 律变化。近红外区不再适用。 电子在导带中跃迁，不同能量状态间跃 迁，则必须改变波矢量，为了动量守恒， 电子动量的改变可由声子或电离杂质的 散射来获得补偿。 近红外区域，M.Becker等人指出①电子 受到声学声子散射， α ∝λ1.5②电子受到 光学声子散射， α ∝λ2.5 ③受杂质散射， α ∝λ3∼3.5
（1）允许的跃迁 （2）禁止的跃迁
3)布尔斯坦-莫斯移动 重掺杂半导体的本 征吸收限向高频方 向移动，布尔斯坦 －莫斯移动 4)带尾效应 • 直接跃迁吸收系数 的光谱曲线，吸收 系数随光子能量减 小呈指数衰减
第五章半导体中的光辐射和光吸收
第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。
带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。
的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。
比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。
在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。
于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。
由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。
表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。
通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。
2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？ 解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。
在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。
这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。
●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。
第四章 光的发射和吸收(二)
第四章 光的发射和吸收(二)试看单轴晶体的计算。
为表达的方便，用S (i,f )表示上述公式中的电偶极矩矩阵元的平方和，把沿某一方向偏振的电偶极跃迁的几率写成()()f ,i S c e .P p p εω32334sp.em k = (4.23)对于π和σ偏振的自发辐射跃迁，可以分别写出其跃迁几率()()f ,i S c e .P k π323π34sp.em εω =，()()f ,i S c e .P k σ32334sp.em εωσ = 按照全概率公式，总的自发辐射跃迁几率为()()()()()()().P .P .P p .P p .P sp.em32sp.em 31sp.em σsp.em πsp.em σπσπ+=+= (4.24)必须指出，应用这些公式到晶体介质的计算中，还要考虑进介质折射率的改正因子。
以后将看到，利用(4.24)式计算各向异性介质中激活离子能级寿命，就不至于发生过高估计跃迁几率的错误。
现在来讨论磁偶极跃迁和电四极跃迁、从单电子的情况出发并假定与电偶极跃迁相关的<ϕf e ⎪r ⎪ϕi e >=0，根据展开式(4.18)先分析自发发射过程（见(4.16)式）的矩阵元),可得()()ee e e if i i f i e ϕϕϕϕp e r k p e r k ⋅⋅-=⋅⋅-(4.25)为方便表示，式中e 为e α(k )。
为了同跃迁机理相联系，习惯上将(k ⋅r )(e ⋅p )分成两部分，即()()()()()()()()∑∑∑∑∑∑++⨯⋅-=++⋅⨯=++-===⋅⋅j,i ij jij i j,i ij jiji j ,i ij jij i j,i i j j i j i j,i jij i j,i jj i i p r pr e k p r pr e k p r pr e k p r p r e k pr e k p e r k 212121212121l k e l e k p e r k (4.26)式(4.26)中i ，j 表征上述各个矢量的三个分量，l =r ⨯p 是轨道角动量算符。
发射,激发,吸收光谱
常用光谱种类和原理简介如下：1)吸收光谱当一束连续光通过透明介质时，如果光波能量和介质中从基态到激发态的能量间隔相等，介质中的状态将由基态被激发到激发态，透过透明介质的光将因这样的吸收而光强减弱。
由于激发态不同，它们的吸收能量不一样，这样在记录透过透明介质后的光强时就形成了光强随着波长变化的谱线，即吸收光谱。
吸收光谱可以给出材料基质和激活离子的激发态能级的位置和它们的分布情况。
2)荧光光谱一束特定波长的单色光将激活离子从基态激发到某一个激发态能级，从这个激发态向低于它的各个能级跃迁发光，可以得到它到下面各个能级以及下面各能级到更低能级的发光谱图，即荧光光谱。
材料所发荧光经单色仪分光后，由探测器收集并记录下各个波长的发光强度，它能够反映这个能级到下面各个能级的跃迁概率、荧光强度以及荧光分支比等信息，提供该材料的最佳发射波长。
同时，可以求得下面各个能级的位置，包括稀土离子的能级在晶场中的劈裂情况等。
3)激发光谱监控一个特殊的荧光发射波长，改变激发波长，得到一个在不同波长激发下的荧光强度变化图，即激发光谱。
激发光谱可以提供荧光能级以上各个能级的位置，反映出各个能级向荧光能级的能量传递能力，找出该荧光获得最高效率的最佳发射波长。
4)选择激发光谱(稀土离子)在复杂晶体中，通常有几个稀土离子可以取代的阳离子格位，稀土离子的发光变得复杂并且难以分析。
激光器出现以后，利用激光功率高、单色性好的特点，发展起来一种新的光谱测量方法，称为选择激发光谱。
一般同一种稀土离子掺杂到同一晶体的不同格位时，不同格位稀土离子的能级会产生微小差别，可以利用可调谐激光器，调到一个合适的激发波长使某个格位的离子被激发，另一些离子暂不激发，得到一个格位的光谱后再按照同样的操作更换到其他格位。
这样的复杂光谱将被各个格位的光谱解析。
光的吸收与发射
光的吸收与发射光的吸收和发射是光学中一个重要的概念。
在自然界和科学实验中，我们可以观察到物体对光的吸收和发射现象。
这种现象的背后涉及到物体吸收光的能力和重新辐射出光的能力。
在本文中，我们将探讨光的吸收与发射的原理、应用和相关实验。
一、光的吸收原理光的吸收是指物体接收到光的能量并将其转化为其他形式的能量。
当光照射到一个物体表面时，光的能量会被物体的原子或分子吸收。
这一过程中，原子或分子的电子会吸收光子的能量，从低能级跃迁到高能级。
吸收光的能力与物体的性质有关，如颜色、光滑度和材料的特性等。
二、光的发射原理光的发射是指物体将吸收的能量重新辐射为光的过程。
当原子或分子从高能级回到低能级时，会释放出光的能量。
这个过程形成了物体发出光的现象。
发射的光的特性取决于能级跃迁的方式。
有些物体发射的光是热辐射，如烈火、太阳等；有些物体发射的光是荧光和磷光，如荧光灯、荧光笔等。
三、应用与实验光的吸收和发射现象在日常生活和科学研究中有着广泛的应用。
以下是其中的几个例子：1. 光谱分析光谱分析是一种通过观察物体吸收和发射的特定波长的光来研究物质的性质和组成的方法。
通过分析物体吸收和发射的光的频谱，我们可以得到关于物质的信息，如化学成分、温度和能量状态等。
2. 光吸收与能源利用在太阳能光电子器件中，光的吸收是转化太阳能为电能的关键步骤。
太阳能电池板中的光敏材料能吸收太阳光的能量，并将其转化为电能。
通过优化光吸收和能量转化的效率，可以提高太阳能电池的发电效率。
3. 荧光检测与诊断荧光现象广泛应用于生命科学和医学领域。
通过添加荧光染料或标记物，可以对生物样本进行荧光检测。
例如，在免疫组织化学中，通过荧光标记抗体可以定位和检测特定蛋白质的存在与分布。
四、光的吸收与发射实验为了更好地理解光的吸收与发射现象，我们可以进行一些简单的实验。
以下是几个常见的实验：1. 色谱实验色谱实验是通过将物质溶解在溶剂中，让溶剂上升到色谱纸上时，观察溶液分离出的不同颜色的带的实验。
吸收和发射光谱
吸收和发射光谱
吸收光谱和发射光谱是光谱学中的两种基本类型，它们都与物质对光的相互作用有关，通过分析这些光谱可以了解物质的性质和结构。
1.吸收光谱（Absorption Spectrum）吸收光谱是指当连续的
光源（如白炽灯发出的光）照射到物质上时，物质会选择性地吸收某些特定波长的光，使得在通过物质后的光谱中对应于这些特定波长的位置出现了暗线或暗带。
这些暗线代表了物质内部电子从一个能级跃迁至另一个能级所吸收的能量值，根据朗伯-比尔定律，吸收强度与物质浓度、光程长度以及吸收系数
成正比。
吸收光谱被广泛用于化学、物理、天文学等多个领
域，例如分析太阳光谱以确定太阳大气的组成成分。
2.发射光谱（Emission Spectrum）发射光谱则是在物质受到
激发后释放出能量的过程所产生的光谱。
当原子、离子或分子吸收能量后，其内部电子可能会跃迁到更高的能级，然后在返回较低能级的过程中释放能量，这种能量通常以光的形式表现出来，形成具有特定波长特征的亮线光谱。
这些亮线被称为发射线，每一条发射线对应于一种特定的能级跃迁。
荧光、磷光现象以及霓虹灯的颜色都是发射光谱的实例。
同样，天体物理
学中观测恒星等天体的光谱，可以通过分析其发射光谱来揭示天体的化学成分和物理状态。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
8.ξ光的发射和吸收的半经典处理
关于原子结构的认识，主要来自对光（辐射场）与原子相互作用的研究， 在光照射下，原子可能吸收光而从低能级跃迁到高能级，或从较高能级跃迁到较
低能级而放出光，这分别叫光的吸收和受激辐射，实验还观察到没有外界光照射原子从激态发光跃迁到低能级而发光的自发辐射现象。
对原子吸收或放出的光进行光谱分析，可获得原子能级及相关性质的知识，光谱分析中有两个重要观测量——谱线频率和谱线相对强度。
前者取决于初末态的能量差，后者则与跃迁速率成正比。
光的吸收与辐射，涉及到光子的产生和湮灭，严格处理要用量子电动力学，即要把电磁场量子化（光子就是电磁场量子）。
但对光的吸收和受激辐射，可用半经典方法处理。
即把光子产生和湮灭的问题，转化为在电磁场作用下原子在不同能级之间跃迁的问题，此时，原子被作为一个量子力学体系对待；但辐射场仍用一个连续变化的电磁场来描述，并未进行量子化，即把光辐射场作为一个与时间有关的外界微扰，用微扰论近似计算原子的跃迁几率。
这个办法对处理自发辐射（无外界微扰——原子的H ∧
是守恒量，如果初始时刻原子处于某定态——H ∧的本征态，则原子应保持在该定态，不会跃迁到较低能级，没有自发辐射）无能为力。
但有趣的是，爱因斯坦在量子力学和量子电动力学建立之前，基于热力学和统计物理中平衡概念的考虑，回避了光子的产生和湮灭，巧妙地说明了原子的自发辐射。
1.爱因斯坦的发射和吸收系数
如下图：
自发发射系数mk A ：原子的单位时间内由m ε能级自发跃迁到k ε能级的几率。
受激发射系数mk B 吸收系数mk B ：设作用于原子的光波在d ωωω→+频率范围的能量密度是()I d ωω，则在单位时间内原子m ε能级受激跃迁到k ε能级并发出能量为mk ω的光子几率为()mk B I ω；原子由k ε能级吸收能量mk ω的光子并跃迁到m ε能级的几率为()mk B I ω。
利用热平衡条件及普朗克里体辐射公式推得，三个系数之间的关系为：
332,mk mk km mk mk B B A B c ωπ
== 2、用微扰理论计算发射和吸收系数。
光射到原子上时，光波中的电场E →和磁场B →都会对原子中的电子产生作用，但相对于电场的作用，磁场对电子的作用弱的多，可以忽略，只考虑电场的作用，作用范围是原子大小范围——电子出现的空间。
对可见光，λ在()10100400070001010m a m --⨯≈（原子线度），于是在原子范围内，电场变化很小，可以看作均匀电场。
①设入射光为单色平面波，0cos x E E E t ω==则电子在此电场中的势能为： '0cos x H exE exE t ω==，它远小于电子在原子中的势能，可看作微扰。
将'H 写成
指数形式，有：()'
02i t i t eE x H e e ωω-=+与P156（5.7.9）式比较：现在012F eE x ∧=。
于是，单位时间内原子由k Φ态跃迁到m Φ态的几率为：
()()()22220222022
2k m mk m k mk m k mk mk W F e E x e E x πεεωπεεωπωω→=
δ--=δ--=δ-
由电动力学知，电磁波的能量密度是：
220011122E D H B E B εμ→→→→⎛⎫⎛⎫⋅+⋅=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝
⎭ 所以光波在一个周期内的平均值为：
()22200022
2
211223
4s
k m mk mk B I E E e I x πεεμπωωω→⎛⎫=+= ⎪⎝⎭∴=δ- ②实际光源发出的光并非单色光，而是在一定的频率范围内连续分布。
设频率在d ωωω→+之间的能量密度为()I d ωω。
于是，在频率连续分布的平面光作用下，原子在单位时间内由k Φ跃迁到m Φ的几率为：
()()()
2222222244s k m mk mk s mk mk e x I d e x I πωωωωωπω→=
δ-=⎰ ③若入射光非平面波，而是各向同性的实际光源发出的光。
则：
()()222222222
244s k m mk mk mk mk s
mk mk e I x y z e I r πωωπω→→⎡⎤=++⎣⎦=
而根据爱因斯坦关于三个跃迁系数的定义，原子在单位时间内由k ε能级跃迁到m ε能级，并吸收能量为mk ω的光子的几率是()mk mk B I ω。
所以，
2
22222222233223243
4343s mk mk s mk km mk mk mk s mk mk mk mk e B r e B B r e A B r r c c
ππωωπ→→→→=====∝于是
讨论：①发射光谱中，可见光区的谱线是自发跃迁而来的。
P167 ②自发跃迁的辐射强度的计算：P167
③激发态m Φ原子数目随时间的变化规律P167——P168。