原子的自发辐射
原子的自发辐射
原子的自发辐射摘要：一、原子的自发辐射1.自发辐射的定义2.自发辐射的过程3.自发辐射光的特性4.自发辐射在量子光学中的地位二、原子的受激辐射1.受激辐射的定义2.受激辐射的过程3.受激辐射光的特性4.受激辐射在激光产生中的应用三、自发辐射与受激辐射的比较1.两种辐射过程的异同2.两种辐射光的相干性比较3.自发辐射和受激辐射在实际应用中的影响正文：一、原子的自发辐射原子的自发辐射是指处于高能级的粒子在没有外来光的影响下，自发跃迁到低能级而发出一个光子的过程。
在这个过程中，原子会自发地从高能级跃迁到低能级，并辐射出一个光子。
由于各原子的自发辐射过程完全是随机的，所以自发辐射光是非相干的。
在量子光学中，自发辐射是一个基本问题。
由于真空涨落的影响，处于激发态的原子会自发地从激发态跃迁到基态，并发出一个光子（辐射）。
这一光子没有固定的相位和方向，是随机的。
因此，对于激光的产生、原子和光场相干性的保持，自发辐射的存在都是不利的。
二、原子的受激辐射原子的受激辐射是指处于高能级的粒子在外来光的影响下，跃迁到低能级，辐射一个和外来光特性完全相同的光子的过程。
在这个过程中，外来光的作用使得原子从高能级跃迁到低能级，并辐射出一个与外来光特性完全相同的光子。
由于受激辐射光与外来光特性完全相同，所以受激辐射光是相干的。
受激辐射在激光产生中具有重要应用。
激光的产生主要依赖于受激辐射过程，通过外来光的作用，使得原子从高能级跃迁到低能级，并辐射出一个与外来光特性完全相同的光子。
这样，激光就具有了高度的相干性和单一的频率特性。
三、自发辐射与受激辐射的比较自发辐射和受激辐射是两种不同的辐射过程。
自发辐射是原子在没有外来光作用下自发跃迁到低能级而发出的光子，而受激辐射是在外来光的作用下，原子跃迁到低能级并辐射出的光子。
在光的相干性方面，自发辐射光是非相干的，而受激辐射光是相干的。
这是因为自发辐射过程中，原子的跃迁是随机的，而受激辐射过程中，原子的跃迁是由外来光诱导的，具有确定性。
受激辐射 受激吸收与自发辐射
h E1 E2
§1.2.1 受激辐射、受激吸收与自发辐射
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之 间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。
1. 自发辐射
h E2 E1
E2Leabharlann hE1发光前
发光后
单位时间从上能级跃迁到 下能级的原子数目为:
dn21 dt sp
或不能发生，则受激辐射也可以或不能发生。
受激辐射的相干性 自发辐射：相互独立、互不相关。 不相干
受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的 外来光子具有相同的特征（频率、相 位、振动方向及传播方向均相同）。
受激辐射光子与入射光子属同一光子态。 相干光
总结
掌握：
自发辐射、受激吸收、受激辐射 含义、特点、相互区别、相互关系 爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论 受激辐射的相干性
热平衡状态：
辐射率 吸收率 （辐射场总光子数保持不变）
n2 A21 n2B21 n1B12
n1、n2、n3 ——各能级上的原子数密度（集居数密度）
玻尔兹曼统计分布：
n f e 2
2
( E2 E1 ) KT
n1 f1
f1、f2 ——能级 E1 和 E2的简并度，
或称统计权重
A21
8 h
c3
3
B21
结果讨论
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
自发辐射几率越大。 4. 自发辐射和受激辐射具有相同的选择定则，自发辐射可以
自发辐射受激辐射和受激吸收一自发辐射spontaneousradiation
二、光泵（激励源）（optical pumping）
在受激辐射放大过程中，显然将减少处于高 能态的原子数，直至新的平衡态又重新建立， 从而破坏了粒子数反转状态，为了保持原子系 统的粒子数反转状态，需不断地将原子从低能 态抽运至高能态，需将能量注入原子系统，以 维持激光运转所必需之能量。
——光泵（optical pumping）
光泵可以是电学的，化学的，热学的，光学的方法
三.光学谐振腔(optical harmonic oscillator)
激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。
全反射镜
激励能源
激光
部分反射镜
小结：产生激光的必要条件
ｌ. 激励能源（使原子激发） ２. 粒子数反转（有合适的亚稳态能
级） ３.光学谐振腔（方向性，光放大，
二．受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 ------有光的放大作用。
三 . 受激吸收(absorption) E2 N2
h
E1 N1 上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。
爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验汤斯
20世纪50年代，美国科学家汤斯等人，以及原苏联的科 学家普罗克霍洛夫等人独立发明了一种极低噪音微波放大器
——辐射受激发射微波放大器（maser）
1958年美国汤斯和肖洛提出，在一定条件下，可将上述 微波激射器的原理，推广至光波段。
——受激发射光波放大器（laser）
单色性）
§3 激光的主要特性 ★方向性极好的强光束
--------准直、测距、切削、武器等。 ★相干性极好的光束
原子与原子核——知识介绍
原子和原子核 ——知识介绍一．原子结构（一）原子的核式结构人们认识原子有复杂结构是从1897年汤姆生发现电子开始的。
汤姆生通过研究对阴极射线的分析发现了电子，从而知道，电子是原子的组成部分，为了保持原子的电中性，除了带负电的电子外，还必须有等量的正电荷。
因此汤姆生提出了“葡萄干面包”模型：正电荷部分连续分布于整个原子，电子镶在其中。
1909年卢瑟福在α粒子散射实验中，以α粒子轰击重金属箔发现：大多数α粒子穿过薄膜后的散射角很小，但还有八千分之一的α粒子，散射角超过了900，有些甚至被弹回来，散射角几乎达到1800。
1911年卢瑟福提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核称为原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转。
从α粒子散射实验的数据可以估计出原子核的大小约为10-15——10-14米，原子半径大约为10-10米。
原子核式结构模型较好的解释了α粒子散射实验现象，也说明了汤姆生的“葡萄干面包”模型是错误的。
（二）玻尔的氢原子理论1．1．巴耳末公式1885年，瑞士物理学家巴耳末首先发现氢原子光谱中可见光区的四条谱线的波长，可用一经验公式来表示：)121(122n R -=λ n =3，4，5……式中λ为波长，R =×10 7米-1称为里德伯恒量，上式称为巴耳末公式。
2．2．里德伯公式1889年，里德伯发现氢原子光谱德所有谱线波长可用一个普通的经验公式表示出来：)11(122n m R -=λ式中n=m+1，m+2，m+3……，上式称为里德伯公式。
对于每一个m ，上式可构成一个光谱系： m=1，n=2，3，4……赖曼系（紫外区）m=2，n=3，4，5……巴尔末系（可见光区）m=3，n=4，5，6……帕邢系（红外区）m=4，n=5，6，7……布喇开系（远红外区）3．3．玻尔的氢原子理论卢瑟福的原子核式结构模型能成功地解释α粒子散射实验，但无法解释原子的稳定性和原子光谱是明线光谱等问题。
2-2 光与物质相互作用
n2(t) n20 e
A21t
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 2—E2能级平均寿命，定义：E2上粒子数变为初 始值1/e所需时间，则：
1 A21 2 n20 n20 e e
因此：
A21
1
2
理学院 物理系
A21—自发辐射几率；自发辐射爱因斯坦系数。
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式
热平衡状态下：自发辐射和受激辐射光强比为：
I sp I ste
A21 e B21
h kT
1
2014年6月10日星期二
理学院 物理系
B21—受激辐射爱因斯坦系数。
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 二、爱因斯坦三系数A21，B12，B21关系 热平衡状态下，E1、E2能级上原子数密度保持不变：
Байду номын сангаас
dn21 dn21 dn12 ( ) sp ( ) st ( ) st dt dt dt
即：
A21 n2 B21 ( ) n2 B12 ( ) n1
ν
⑵受激辐射跃迁几率w21
2014年6月10日星期二 理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式
dn 21 1 w 21 ( )st dt n2
⑶受激辐射特点 a.必须在外界辐射场作用下进行； b.受激辐射跃迁几率w21与原子本身性质和外界辐射 场有关；
w21 B21 ( )
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 一. 三种相互作用 1.自发辐射 ⑴定义：处于高能级的一个原子，在没有外来光子 的情况下，自发向E1跃迁，并发射出一个能量为 hν 的光子。 E2 E1
相干光的获得方法
相干光的获得方法相干光是一种特殊的光波，具有明显的干涉和衍射效应，广泛应用于光学领域。
获得相干光有多种方法，包括自发辐射、激光、干涉仪等。
以下将对这些方法进行详细介绍。
首先，自发辐射是一种获得相干光的常见方法。
自发辐射是指原子或分子在激发态自发跃迁到基态时所产生的辐射。
这种辐射具有一定的相干性，可以通过适当的方法获得相干光。
例如，可以利用光栅或干涉仪对自发辐射进行干涉，从而获得相干光。
其次，激光也是一种常用的获得相干光的方法。
激光是一种具有极高相干性的光源，可以通过受激辐射的原理产生。
激光的相干性主要体现在其波长的一致性和相位的一致性上。
因此，利用激光可以获得高质量的相干光，广泛应用于干涉、衍射、全息等领域。
此外，干涉仪也是获得相干光的重要工具。
干涉仪是一种利用光的干涉现象来获得相干光的装置。
常见的干涉仪有干涉滤光片、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等。
通过这些干涉仪，可以将来自不同光源的光波进行干涉，获得具有高度相干性的光。
除了以上提到的方法，还有一些其他辅助手段可以用于获得相干光，如光纤、相干光源等。
光纤是一种能够传输相干光的光学器件，可以在光通信、光传感等领域发挥重要作用。
而相干光源则是专门用于产生相干光的光源，具有较高的相干性和稳定性。
总的来说，获得相干光的方法多种多样，每种方法都有其特定的应用场景和优势。
在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的方法来获得所需的相干光。
相信随着光学技术的不断发展，获得相干光的方法将会更加多样化和高效化，为光学领域的发展带来新的机遇和挑战。
大连理工大物2作业答案_40-44
2、 粒 子 在 一 维 无 限 深 势 方 阱 中 运 动 ， 图42-1 为 粒 子 处 于 某 一 能 态 的 波 函 数ψ (x)的 曲 线 ，(1)写出 粒 子 的 波 函 数；(2)用数学的方法求出粒子出现概率最大的位置。 解：（1）粒子的波函数： ψ (x) = 0,
(x)| = 0给出，即 （2）粒子出现最大的位置由 d|ψdx
∞
1=
−∞
|ψ (x)| dx = |A|
2
2 0
∞
e−2ax dx =
1 |A|2 2a
解之得 A= √ 2a 0
2 a
4、在宽度为a的一维无限深方势阱中运动的粒子定态波函数为ψ (x) =
2a 求：（1）基态粒子出现在 a 3 < x < 3 范围内的概率； （2）主量子数n = 2的粒子出现概率最大的位置。 解：可知定态波函数已归一化 2a （1）基态粒子出现在 a 3 < x < 3 范围内的概率
8、若一个电子和一个质子具有同样的动能，哪个粒子的德布罗意波长较大？ 解：考虑到相对论效应，有 λ= 因为mp me ,所以λe > λp . hc Ek (Ek + 2m0 c2 )
3πx √ cos (−a ≤ x ≤ a) 2a a （1）求粒子在x = a 2 处出现的概率密度； a （2）在− a < x < 5 5 范围内，粒子出现的概率。 解：由波函数的形式可知波函数已经归一化 （1）粒子在x = a 2 处出现的概率密度： p(x = a/2) = |ψ (x = a/2)| =
3、如图41-1所示一束动量为p的电子，通过缝宽为a的狭缝，在距离狭缝为R处放置一荧光屏，求屏上衍射图样中 央明条纹的宽度d. 解：由德布罗意关系知 λ = h/p 单缝衍射暗条纹的条件为 a sin θk = ±kλ 由于R 于是 d,所以sin θ1 ≈ d/2R. d = 2R sin θ1 = 2Rλ/a = 2Rh/pa
辐射跃迁的三个基本过程-概述说明以及解释
辐射跃迁的三个基本过程-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分是介绍整篇长文的一个整体概况，是让读者对文章所讨论的主题有一个初步的了解。
下面是一个可能的概述部分的内容：引言部分会对辐射跃迁的三个基本过程进行探讨。
辐射跃迁是物质中能量从一个量子态到另一个量子态的过程，是光谱学和量子力学领域的重要研究对象。
本文将从理论和实验的角度分别对三个基本过程进行详细解析。
首先，我们将介绍第一个基本过程，即辐射跃迁的自发辐射。
自发辐射在自然界中广泛存在，我们将讨论其概念、机制和重要性。
随后，我们将探讨第二个基本过程，即辐射跃迁的受激辐射。
受激辐射是人类应用于激光技术中的基础原理，因此对其进行深入理解具有重要意义。
最后，我们将重点研究第三个基本过程，即辐射跃迁的吸收过程。
吸收是物质吸收外界能量的一种方式，广泛应用于光吸收、光电转换和光谱分析等领域。
通过对这三个基本过程的研究与分析，我们可以更好地理解物质的能级结构和光谱现象，为相关领域的理论研究和应用提供重要的参考依据。
（这是一个示例，你可以根据具体内容进行修改和调整）文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：1.2 文章结构本文主要围绕辐射跃迁的三个基本过程展开讨论。
文章共分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将首先概述辐射跃迁的重要性和应用领域，介绍为什么这三个基本过程对于我们的理解是至关重要的。
同时，我们还会给出这篇文章的目的，即通过详细介绍这些基本过程，帮助读者更好地理解辐射跃迁的原理和机制。
正文部分是本文的核心内容，将分为三个小节，分别详细介绍辐射跃迁的三个基本过程。
在每个小节中，我们将从理论和实践的角度来探讨每个基本过程的特点、机制、应用以及相关的实验方法和技术。
通过深入解析这些过程，我们将为读者提供一个更全面、深入的认识。
结论部分将对每个基本过程进行总结，并指出其在理论研究和实际应用中的重要性。
我们将回顾每个基本过程的关键点，强调其对于辐射跃迁研究的贡献，并对未来的发展和应用方向进行展望。