普通物理学第七版 第十四章 激光和固体的量子理论简介
2020高中物理竞赛-普通物理学C(修订版)14玻尔理论和激光：激光概述%28共13张PPT%29
1900 1905 1917 1953 1958 1960
Planck提出能量子假说 Einstein提出光量子理论 Einstein提出受激辐射理论 Towns建立第一台微波激射器（maser) Towns,Shawlow开始研制激光器 Maiman制成第一台红宝石激光器
Ni CeEi kT Ei — 原子能级
激 光 原
原子处于能级E1和E2的数目之比为 E2
理
E1 当E2 E1时，N1 N2 — —粒子数正常分布
N1 eE1E2 kT N2
粒子数正常分布： 受激吸收占优势，发 生其他两种过程的几率很小。
当E2 E1时，N2 N1 — —粒子数反转分布
1916年爱因斯坦在玻尔能及理论基础上提出辐 射的量子理论，是产生激光的基本原理。
自发辐射、受激吸收和受激辐射
（一）自发辐射
E2
E1Байду номын сангаас发光前
h
发光后
光子的频率为 E2 E1
h
普通光源（白炽灯、日光灯、高压 水银灯）的发光过程为自发辐射。各原 子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相 干光。
激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器， 1961-65 用于激光通讯；CO 2 激光器，用于激光熔炼、
激光切割、激光钻孔... 1968-69 月球上设置激光反射器；地面与卫星联系
1982 激光全息术 80-90年代 激光外科手术，通讯、光盘、激光武器...
汤斯(Towns)： 美国哥伦比亚大学 肖洛(Shawlow)： 美国贝尔实验室 梅曼(Maiman)：休斯实验室
原
理 E2
h
激光原理第七版
激光原理第七版
激光，全称为“光电子激射”，是一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的应用领域非常广泛，涉及医疗、通讯、制造业等多个领域。
要深入了解激光，首先需要了解激光的原理。
激光的原理主要涉及激发、放大和反射三个过程。
首先，激光器中的激发物质受到能量激发，使得原子或分子处于激发态。
接着，这些激发态的原子或分子会受到外界刺激，从而发射出一束特定波长的光子。
这些光子会在激光腔内来回反射，同时受到增益介质的放大作用，最终形成一束高度聚焦的激光。
激光的原理可以通过光学、光谱学和量子力学等多个学科来解释。
在光学中，激光被视为一种高度聚焦的光线，其波长非常短，能够实现高分辨率的成像。
在光谱学中，激光被视为一种特定波长的光线，能够被应用于光谱分析和激光光谱学。
在量子力学中，激光被视为一种由光子组成的粒子束，其特性可以通过量子力学的理论来解释。
除了以上基本原理外，激光还具有一些特殊的性质，如单色性、方向性和相干性。
激光的单色性意味着其波长非常单一，能够实现高分辨率的成像和精确的光谱分析。
激光的方向性意味着其光束非常集中，不会发生散射，能够实现远距离的传输和精确的加工。
激光的相干性意味着其光波具有固定的相位关系，能够实现干涉和衍射现象。
总的来说，激光的原理是一种基于量子力学的光学现象，涉及激发、放大和反射三个过程。
通过光学、光谱学和量子力学等多个学科的解释，可以更深入地理解激光的原理和特性。
激光的应用领域非常广泛，对于我们的生活和工作都具有重要意义。
因此，深入了解激光的原理对于提高我们的科学素养和技术水平具有重要意义。
普通物理学(第七版)
教学资源
《普通物理学（第七版）》电子教案提供了PowerPoint格式的文件 。
《普通物理学（第七版）》网络课程结构安排与主教材相同，覆盖所有的知识点，包括基础知识、例题、习 题等模块，为教师和学生开展网上学习提供完整的课程内容和动画、图形等多媒体资源 。
教材特色
《普通物理学（第七版）》在修订过程中继承了原书的特色，体系未有大的变化，尽量做到选材精当，论述 严谨，行文简明。修订中对经典物理内容进行了精简和深化，以增强现代的观点和信息，对近代物理内容进行了 选取和通俗化，以加强学习新知识的基础，并适当介绍了现代工程技术的新发展和新动态 。
该教材上册由高等教育出版社于2016年5月24日出版 ，下册由高等教育出版社于2016年7月19日出版 。
内容简介
《普通物理学（第七版）》本书分为上、下两册，上册主要内容包括运动和力、运动的守恒量和守恒定律、 刚体和流体的运动、相对论基础、气体动理论、热力学基础、静止电荷的电场、恒定电流的磁场、电磁感应电磁 场理论，共九章；下册主要内容包括机械振动和电磁振荡、机械波和电磁波、光学、早期量子论和量子力学基础、 激光和固体的量子理论简介、原子核物理和粒子物理简介，共六章。
作者简介
程守洙：江苏南京人。1930年毕业于金陵大学物理系（1952年并入南京大学物理系）。曾任金陵大学讲师、 副教授 。
江之永：同济大学教授，旌德江村人，中共党员。1930年毕业于震旦大学工学院，历任光华大学教授、暨南 大学教授、理学院代院长，同济大学数学力学系主任，上海市物理学会第二、三届副理事长。从事物理学教材建 设和教学法研究 。
该书分上、下两册出版，上册共九章，包括力学、热学、电场和磁场；下册共六章，包括振动、波动、光学 和量子物理。
成书过程
大学普通物理课件第14章
L
m
§14-3 磁介质的磁化
Magnetization of Magnetic Media
1. 磁化的微观机制
感生磁矩
在外磁场作用下，电子的轨道运 动和自旋运动都会发生变化，变化的
结果是这个电子在磁场 B的反方向产 生一个附加磁矩m。（是物质本身抵
抗被磁化的一种属性）
m
m
L
m
L
B
B
m
每个电子的附加磁矩的总和，就构成了分子在被磁化
磁场和磁介质的相互作用相似于电场和电介质的相互
作用，研究方法也是类似的。
电介质：极化 磁介质：磁化
束缚电荷q 束缚电流 I
极磁化化强强度度MP
电磁位场移强度DH
§14-1 磁介质对磁场的影响
Influence of a Magnetic Medium exerting on Magnetic Field
铁磁质的磁化特
性
B B0
r 1 r r (H )
H I B0 I —传导电流
r
H B
饱和
起始磁化
H
磁滞现象(B的变化总是落后H的变化的现象) B S
Br—剩磁 HC—矫顽力 软磁材料 Br , HC小（纯铁、硅钢、
变压器铁芯 坡莫合金等）
硬磁材料 Br , HC大（碳钢、钨钢、
磁记录、 铝镍钴合金等）
B
L 于是有
L
B
0
M
L 0
dl
引入磁场强度
H
B
M
I )
I0 B0 B
束缚电流 自由电流
M I B
Байду номын сангаас
dl
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普通物理学第七版
普通物理学第七版1 普通物理学的简介普通物理学（general physics）是一门涵盖热物理学、声学、电磁场、光学、量子物理学和原子物理学等不同分支的学科，也是一种基本物理学类别。
普通物理学是社会物质文明发展中至关重要的一门基础学科，也是其他学科发展的基础。
普通物理学广泛地运用于军队和工业领域，旨在开展许多实验研究，发掘物理规律和原理。
2 热物理学热物理学是普通物理学的一个重要分支学科，其研究温度、热量和能量等概念，以及物体受温度变化时所产生的效应，比如改变温度时的力学行为、传导现象，热导能现象和操作它们的方法和工具等。
热物理学是物理世界的一个新兴领域，它结合了热力学、传热学和统计物理三大领域中的概念，这样才能帮助人们理解热能在物理和化学系统中的转换机制。
3 声学声学是普通物理学的另一重要分支，研究的对象是空气中的声音传导，包括静态和动态声音传播，旨在获悉声学波的传播特性，以及研究动态声音传播途径的控制。
声频的传播过程，在室空间中的声学参数的测量、记录和评判等。
声频的传播波，常常使用数学模型来表达，其可以模拟声学波在建筑中传播的情况。
4 电磁场电磁场是普通物理学研究的重要内容，电磁场研究的目的是了解电场、磁场和电磁场之间发生的相互作用。
电磁场实验研究，常见的研究项目有电荷、静电场和磁场的实验，以及电磁力场、电场线，以及电磁感应等实验。
而电磁场理论，则分为电磁场的平面波理论，例如光的发射、衍射、偏折等等。
5 光学光学是普通物理学中比较重要的一个研究领域，研究的重点是研究光的特性及其的机理，以及光学仪器的制造和应用，其主要内容有光学实验、光源、反射和折射规律、干涉、衍射光学理论和激光等，当然光学还将和物理学有关的专业知识紧密结合在一起进行研究。
6 量子物理学量子物理学是普通物理学最重要的领域之一，它是通过量子力学的思想来研究物质的构成及其在微观尺度下的活动和运动的学科。
量子物理学研究的是粒子的性质、原子及分子的结构、以及物体之间的相互作用，研究量子效应等。
普通物理学程守洙第七版
普通物理学程守洙第七版
的概述
物理学程守洙（Halliday, Resnick & Walker）第七版是一本著名的高等物理学书籍，书籍重点放在物理学的基本概念和方法，通过建立关于它们之间关系和归纳中可观察现象的框架，帮助读者充分理解物理学的内容。
本书由4个分量进行组织，即物理学定律，电荷，物质和能。
其中“物理学定律”主要讨论如何应用物理定律来解释实际现象，并且着重介绍了像牛顿定律，电磁学和光学等物理定律。
“电荷”主要讨论电荷的数量和电场的性质，并进一步讨论电荷的源，它们的作用以及它们能够改变彼此之间的性质。
“物质”旨在解释物质的基础。
这部分主要讨论了粒子的构成，物质的状态和如何在物质的内部发生化学反应等。
最后，“能”旨在讨论如何计算物体最终或可能达到的能量状态。
物理学程守洙第七版是一本著名的高等物理学书籍，通过介绍物理学的基本概念和方法，来帮助读者充分理解物理学的内容，其中包括物理学定律，电荷，物质和能的研究内容，它能够为读者提供丰富的资源，为了更好地理解物理学知识。
普通物理学第七版 第十四章 激光和固体的量子理论简介
最外层价电子对应的能带为价带；该带可以是满 带, 也可以是被电子部分填充的；
价带之上的能带没有分布电子, 称为空带。
在相邻的两个能带之间, 可以有不存在电子稳
定能态的能量区域, 称为禁带。
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未排满电子的价带和紧靠价带的空带又称为导带。
晶体的能带结构图
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四、导体、半导体和绝缘体 按能带论, 不同的导电性能, 是因为它们的能带结 构不同。 绝缘体: 价带满，且禁带宽（ Eg=3～6 eV） 半导体: 价带满，但禁带窄（ Eg=0.1～1.5 eV）
4.相干性好 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米, 激光可 达几十千米。
可用于光学实验、全息照相、全息存储等。
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激光测距、 Laser videodisc with 激光切割金属 雷达、制导 simulated laser beam
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五、激光冷却 1.运动着的原子→共振吸收光子 基态到激发态, 动量减小, 速度减小。 2.处于激发态的原子→自发辐射光子回到基态 虽然反冲会得到动量, 但自发辐射出的光子的方向 是随机的, 多次自发辐射平均下来并不增加原子的动 量。
杂质元素的五个价电子的四个 价电子与硅或锗形成共价键, 多提供的一个电子与杂质原子 结合较弱。
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可以证明: 多余电子的能级处在禁带中紧靠空带 处，该能级称为施主能级。
施主能级上的电子极易激发到导带底形成电子导电, 从而导电性大大增强。
n 型半导体以电子导电为主。
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在四价的本征半导体硅（Si）或锗（Ge）中掺入少 量三价的杂质元素硼（B）或镓（Ga）等形成空穴 型半导体称为 p 型半导体。
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激光原理第七版
激光原理第七版激光原理是激光技术中的核心概念之一，它是指通过一定的装置和介质，将电能、光能等形式的能量转化为激光能量并输出的过程。
激光原理的基础是光的放大和谐振。
首先，在激光装置中通过外界的能量输入，使得装置中的激活粒子（例如光子）被激发到高能级。
然后，在经过光放大器的作用后，这些激活粒子将与其他粒子发生碰撞，从而引起光子的受激辐射，新产生的光子与原有的光子同频同相，形成一束相干光，即激光。
最后，通过激光谐振腔的作用，将激光能量反射和增强，使其准直、集中输出。
在激光原理的过程中，有几个关键的元素需要注意。
首先是激发源，它可以是任何能够提供外界能量输入的装置，例如电能或光能等。
其次是光放大器，主要用于放大原有的光子和产生受激辐射。
光放大器的材料一般选择具有较高的激活粒子浓度和较长的平均寿命，以提高光子的产生和放大效果。
最后是激光谐振腔，它由两个高反射镜和一个透明样品组成。
通过调整镜子的位置和样品的折射率，可以实现光的反射和放大，从而得到稳定的激光输出。
激光原理的应用非常广泛，涵盖了医疗、通信、制造、科研等各个领域。
例如，在医疗领域，激光可以用于眼科手术、皮肤美容等，具有精确、无创、快速等优点。
在通信领域，激光可以用于光纤通信，传输速度快、容量大、信号损失小。
在制造领域，激光可以用于激光切割、激光焊接等，具有高精度、高效率等特点。
在科研领域，激光可以用于实验研究、精密测量等，帮助科学家们深入探索未知领域。
总的来说，激光原理是激光技术的基础，通过激发、放大和谐振等过程，能够产生一束高度聚焦、高能量密度的激光。
激光具有许多优势，因此在各个领域都有广泛的应用前景。