光及原子相互作用

1、1.3 原子能級與發(fā)光原子能級與發(fā)光原子的能級原子的能級 原子的能量由電子的動能和它在核場中的電勢能原子的能量由電子的動能和它在核場中的電勢能構(gòu)成；構(gòu)成； 電子的運動具有量子化特性：運行的軌道是量子電子的運動具有量子化特性：運行的軌道是量子化的；角動量是量子化的化的；角動量是量子化的 氫原子軌道半徑：氫原子軌道半徑：2202nnhrme(n=1,2,3,)玻耳茲曼分布玻耳茲曼分布1.4 光與原子的相互作用光與原子的相互作用普通光源普通光源激光光源激光光源普通光源與激光對比普通光源與激光對比方向性方向性單單 色色 性性方向性方向性原子自發(fā)發(fā)射的概念原子自發(fā)發(fā)射的概念 在在沒有外界作用沒有外界作用

2、的情況下，處于高能級上的情況下，處于高能級上的原子會的原子會自發(fā)地自發(fā)地躍遷到低能級上，并放出躍遷到低能級上，并放出光子的現(xiàn)象稱為光子的現(xiàn)象稱為自發(fā)發(fā)射自發(fā)發(fā)射。 n2(t)的求解過程的求解過程2212ddnA n t 2212ddnAtn 21220( )eA tn tn2212ddnAtn221lnnA tC 220(0)nn上能級的平均壽命上能級的平均壽命 上能級的平均壽命數(shù)值上等于上能級的上能級的平均壽命數(shù)值上等于上能級的原子數(shù)減少到它的初始值原子數(shù)減少到它的初始值1/e所需的時間所需的時間10!ed(0)naxnnxxaa 上能級的平均壽命：上能級的平均壽命：表征處于上能級的表征處于

3、上能級的原子在自發(fā)輻射之前停留在該能級的原子在自發(fā)輻射之前停留在該能級的平平均時間均時間。普通光源普通光源 普通光源：自發(fā)發(fā)射的熒光普通光源：自發(fā)發(fā)射的熒光 熒光：熒光：大量原子大量原子自發(fā)躍遷自發(fā)躍遷產(chǎn)生的輻射。產(chǎn)生的輻射。 特點：方向性差、單色性差、相干性差。特點：方向性差、單色性差、相干性差。原子的受激吸收原子的受激吸收 當原子受到光子照射時，如果外來當原子受到光子照射時，如果外來光子光子的能量正好等于兩個能級的能量間隔的能量正好等于兩個能級的能量間隔，則處于低能級的原子將吸收這個光子而則處于低能級的原子將吸收這個光子而躍遷到高能級上去，這個過程稱為原子躍遷到高能級上去，這個過程稱為原子

4、的的受激吸收受激吸收。 實驗證明：實驗證明： 平衡時腔內(nèi)的電磁輻射具有確定的平衡時腔內(nèi)的電磁輻射具有確定的能量分布；即能量密度只取決于腔壁的能量分布；即能量密度只取決于腔壁的溫度，而與腔壁的材料無關(guān)。溫度，而與腔壁的材料無關(guān)。絕對黑體絕對黑體模型模型o1 2 3 5 6 8 947()實驗值實驗值維恩維恩瑞利瑞利金斯金斯輻射場的輻射能量密度輻射場的輻射能量密度瑞利金斯公式推導瑞利金斯公式推導空腔內(nèi)模的能量具有連續(xù)分布，按玻爾茲曼分布，空腔內(nèi)模的能量具有連續(xù)分布，按玻爾茲曼分布，每個模處于每個模處于EE+dE的幾率為的幾率為：E/kTdpcedEE/kTdpc edE1E/kT1cedEE/kT

5、E/kTedEdpedEE/kT0E/kT0EedEEEdpkTedE普朗克公式推導普朗克公式推導 空腔由許多帶電諧振子組成，振子具有不連續(xù)能量空腔由許多帶電諧振子組成，振子具有不連續(xù)能量mEmhmh/kTm 0h/kTmh/kTm 0mh ehEe1e23h/kT8hce1每個模平均能量每個模平均能量原子的受激發(fā)射原子的受激發(fā)射 當原子體系受到當原子體系受到外來光子照射外來光子照射時，如果外時，如果外來來光子的能量正好等于兩個能級的能量間光子的能量正好等于兩個能級的能量間隔隔，則處于高能級的原子會因外來的這個，則處于高能級的原子會因外來的這個光子作用從高能級躍遷到低能級上去，這光子作用從高能級躍遷到低能級上去，這時原子將輻射一個和外來光子時原子將輻射一個和外來光子完全一樣完全一樣的的光子，這個過程叫光子，這個過程叫受激發(fā)射受激發(fā)射。 激光激光 Laser：Light Amplification by Stimulated Emis