光与物质的相互作用

实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器
C.H.Townes A.M.Prokhorov N.G.Basov
The Nobel Prize in Physics 1964
汤斯1954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；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学 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 上工作导致了激光器的发明。
-19
34
能量量子（化）
nh h 6.63 10
J s
n 1,2,
普朗克公式： 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
2h 2 c 1 M (T ) 5 hc / kT e 1
经典 光量子
普朗克的量子假设：
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。
一般吸收（ general 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。
1 2 h mv W 2
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 m，v，p( p mv） 和能量 E 由相对论知 对于光 m0 作为波：
E 2 p 2 c 2 m0 c 2
0，则有 p E / c 或 p mc
其中h 是普朗克常量， 为谐振子的振动频率。
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）
ne
e 1.60 10 C n 1,2,
第10章 光与物质的相互作用
普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858―1947)
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。从此结束了经 典物理学一统天下的局面。
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
按照辐射方式分类
自发辐射 自发辐射所发出的光没有相干性 原子在某一能级停留的平均时间
E1 E2
h
能级的平均寿命（ ）
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τ之间存在如下关系

1 A21
受激辐射 受激吸收
h E2 E1
受激辐射
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。 区别 激光光源 普通光源
1 E 0.050 (2 480) 2 (1.0 10 3 ) 2 0.227J 2
E 0.227 29 n 7 . 13 10 h 6.63 10 34 480
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。
U
0
I2
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）， 在真空中以
放大，并输出激光。
He-Ne激光器的工作原理
布儒斯特窗
阳极 反射镜 工作物质：氦气 毛细管 辅助物质：氖气
阴极 反射镜 激励方式：直流气体放电
He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现
21s
碰撞 电子 23s
亚稳态
3s 2s 3p 2p 碰撞
He
Ne
电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与
§10.1 光的波粒二象性
一、普朗克量子假设
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
= h
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”。
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。
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。试求音叉尖端振动的量子数。
解：由谐振子的能量公式知，谐振子的能量为
1 1 2 2 E m A m(2 ) 2 A 2 2 2
代入已知条件：
根据普朗克量子假设： E nh ，音叉尖端的振动量子数为
§10.3 光的吸收 吸收光谱
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
折射和双折射现象（速度减慢） 光波和物质作 用的两种效应 消光现象
（光能减弱）
散射 (scattering)现象
(部分光波沿其它方向传播)
吸收 (absorption)现象
(光能转换成其它形式的能量)
一、光吸收的类型
r1 r2
E
n= 布拉开系 帕邢系 巴耳末系
n=6 n=5 n=4 n=2
n=3 n = 3 n=2
赖曼系 原子的不同能态用一个个分立的能级表示
n=1
n=1
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
| Ek En | h
En
Ek
辐射频率公式

每一个辐射光子称作一个波列
粒子数反转必须具备的条件：
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。
激发态E3 亚稳态E2 激励 基态E1 三能级系统示意图 无辐射跃迁
h
h
E2 E1 h
E1与E2之间产生以受 激辐射为主的跃迁
h
E1
E2
E2
h
E1
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
N 2 / N1 e
讨论
( E 2 E1 ) / kT
e E / kT
正常分布：N1>>N2。光吸收比光辐射占优势。 粒子数反转：N2>>N1。光通过物质得到光放大。
c 运动，频率为
的光子能量为
h
。
爱因斯坦光电效应方程：
1 2 式 W中为逸出功， mv 为电子从表面上逸出时初动能。 2
讨论： 光频率 > A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出 光电子最大初动能和光频率 成线性关系。 单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强 I = Nh 。 I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多。 电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。
试验规律： 截止频率：对某一种金属只有当入射光频率大于某一 频率 0 时，电子才能从金属表面逸出（红限）。 遏止电势差：与入射光频率具有线性关系。
1 2
mv eU a
2 m
成
线 性 关 系
和
Ua Ua i I1>I2>I3 I1
光电效应瞬时性： 迟滞时间不超过 10-9 秒
I3 遏止电压与频率关系曲线 遏止电压与频率关系曲线
8
34
X光光子能量为
6.63 10 34 3 10 8 15 2 h 2 1 . 99 10 J 9 2 0.1 10 hc
§10.2 光的发射 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。
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 分子能级结构非常复杂 分子的能量