光學(xué)第七章光與物質(zhì)相互作用光的量子性

第七章光與物質(zhì)的相互作用光的量子性主要內(nèi)容§7-1

光的吸收§7-2

光的色散§7-3

光輻射的理論§7-5

激光§7-6

光的波粒二象性§7.1

光的吸收一、光的吸收規(guī)律1、光的吸收:光強隨穿進(jìn)介質(zhì)的深度而減弱的現(xiàn)象。吸收分為以下兩種情況：真吸收：光能量被介質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)化為熱能散射：光唄介質(zhì)散射到四面八方——布格定律(或朗伯定律)2、在強光下，即非線性光學(xué)領(lǐng)域以上規(guī)律不再成立。α——吸收系數(shù)，厚度為的薄層可使光的強度減到原來的e-1=36%。二、復(fù)折射率的意義x、κ

——實數(shù)光強不隨x變化而減小κ

——衰減指數(shù)復(fù)折射率的虛部反映了因介質(zhì)的吸收而產(chǎn)生的電磁波的衰減。三、光的吸收與波長的關(guān)系1、普遍吸收:吸收系數(shù)與波長無關(guān)的吸收。在

可見光范圍內(nèi)，光經(jīng)過這種物質(zhì)

后，只改變光強不改變顏色，如

水、玻璃、空氣。2、選擇吸收:對某些波長的光吸收特別強烈。選擇

吸收是光和物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律。

白光經(jīng)過這種物質(zhì)后，會呈現(xiàn)顏色，

所見物質(zhì)呈現(xiàn)顏色就是選擇吸收。選擇吸收是光和物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律。從廣闊的電磁波譜來看，沒有普遍吸收的介質(zhì)，有些介質(zhì)在可見光范圍內(nèi)普遍吸收，但在紅外、紫外區(qū)域選擇吸收。從微觀上說，物質(zhì)吸收何種波長的光取決于組成該物質(zhì)的粒子（原子、分子）的能級結(jié)構(gòu)，當(dāng)某種波長的光波恰能使粒子從某一低能級躍遷到某一高能級時，則該波長的入射光被強烈吸收。四、吸收光譜同一種物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜有相當(dāng)嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。某種物質(zhì)發(fā)射哪些波長的光，也強烈地吸收哪些波長的光。連續(xù)光譜通過吸收物質(zhì)后再經(jīng)過光譜儀所得到的不同波長的光被吸收情況所形成的光譜。§7.2

光的色散一、正常色散1、色散：光在介質(zhì)中的傳播速度（折射率n=c/v)隨波長而異的現(xiàn)象。2、正常色散：折射率隨波長的增加而單調(diào)下降的色散。經(jīng)驗公式：1、波長越短，折射率越大；特點：2、波長越短，折射率隨波

長變化越大。在強烈的吸收帶附近色散曲線偏離科西公式，光譜帶出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲和割斷的現(xiàn)象——反常色散二、反常色散1862年，勒魯在觀察碘蒸汽的色散現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)波長較短的紫光折射率比波長較長的紅光折射率?。ㄗ瞎馀c紅光之間的其他波長由于被碘蒸汽吸收而沒有觀察到），由于這個現(xiàn)象與已觀察到的所有色散現(xiàn)象正好相反，是一種“反常”現(xiàn)象，所以被稱為反常色散，且沿用至今?？酌撓到y(tǒng)研究了反常現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)反常色散與介質(zhì)對光的選擇吸收有密切聯(lián)系。實際上，反常色散并不反常，它是介質(zhì)的一種普遍現(xiàn)象。任何物質(zhì)的色散曲線都是由正常色散波段和反常色散波段構(gòu)成的，正像物質(zhì)的全部吸收曲線是由普遍吸收曲線和選擇吸收曲線構(gòu)成的一樣，其中反常色散波段對于選擇吸收波段，而正常色散波段對于普遍吸收波段。折射率n隨波長增大而單調(diào)增加，且在吸收帶附近變化劇烈（會出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲或割斷）。特點：三、一種物質(zhì)全部色散曲線在相鄰兩個吸收線（帶）之間n單調(diào)下降，每次經(jīng)過一個吸收線（帶），n急劇加大?？偟内厔菔乔€隨λ的增加而抬高，即各正常色散所滿足的科西公式中常量A加大。四、相速與群速1、相速

:波面（同相面）傳播的速度。

波函數(shù)表達(dá)式中波的傳播速度。在各向同性的均勻介質(zhì)中，波列是無限長的，理想的單色波具有單一的相速度。2、群速

:波包中心前進(jìn)的速度。

理想的單色波是不存在的，波列不會是無限長的。一列有限長的波列相當(dāng)于許多單色波列的疊加。通常將一群單色波組成的波列稱為“波包”，波包通過有色散介質(zhì)時它的各單色分量波速不同,形狀也隨之改變,波包中振幅最大的地方叫“中心”。三、輻射的量子圖像§7.3

光輻射的理論1897年，J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。1903年，J.J.湯姆遜提出原子的“葡萄干蛋糕模型”。原子中的正電荷和原子的質(zhì)量均勻地分布在半徑為10-10m的球體范圍內(nèi)，電子浸于其中。1、原子結(jié)構(gòu)1911年，盧瑟福的原子有核模型（行星模型）原子的中心有一帶正電的原子核，它幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，電子圍繞這個核旋轉(zhuǎn)，核的尺寸與整個原子相比是很小的。經(jīng)典有核模型的困難根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞核作勻速圓周運動，作加速運動的電子將不斷向外輻射電磁波。原子不斷向外輻射能量，能量逐漸減小，電子旋轉(zhuǎn)的頻率也逐漸改變，發(fā)射光譜應(yīng)是連續(xù)譜；由于原子總能量減小，電子將逐漸的接近原子核而后相遇，原子不穩(wěn)定。2、氫原子軌道半徑和能量軌道半徑玻爾半徑能量氫原子基態(tài)能量

氫原子能級躍遷與光譜圖-13.6eV-3.40eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV

0n=1n=2n=3n=4n=5n=

3、粒子的布居平衡態(tài)粒子數(shù)密度按能量的分布遵從玻耳茲曼定律。（熱平衡分布）在一定溫度下，粒子數(shù)隨能級升高急劇減少。能級越高，粒子數(shù)越少。一、光電效應(yīng)實驗規(guī)律裝置：K—金屬板（陰極）

A—陽極附加：光電效應(yīng)實驗規(guī)律：（1）飽和電流與入射光強成正比

（2）遏止電壓

使光電流降為零所外加的反向電勢差稱為遏止電壓U0，對不同的金屬，U0的量值不同。O遏止電壓與光強無關(guān)，而與入射光頻率具有線性關(guān)系。（3）截止頻率（紅限）對于一定的金屬材料，存在一個最小的頻率，當(dāng)入射光頻率低于時，無論光強如何，照射時間多長，都不會有電子逸出，這個最小頻率稱為該種金屬的截止頻率。截止頻率與材料有關(guān)與光強無關(guān)。（4）瞬時發(fā)生只要入射光的頻率大于紅限，無論光強多弱，弛豫時間不超過10-9s。二、經(jīng)典物理學(xué)遇到的困難

1、光電效應(yīng)不應(yīng)存在截止頻率，只要光強足夠大，就會有電子逸出；

2、電子累積能量需要一段時間，不能瞬時發(fā)生。三、愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光量子假說：一束光就是一束以光速運動的粒子流，這些粒子叫做光量子（光子），頻率為v的光，每一個光子所具有的能量為hv，它不能再分割，而只能整個地被吸收或產(chǎn)生出來。逸出功與材料有關(guān)光電效應(yīng)方程

理論解釋:1、能夠使某種金屬產(chǎn)生光電子的入射光，其最低頻率（截止頻率）為，對應(yīng)光電子初速度為0，則

2、光照射在物質(zhì)上，一個光子能量立即被電子吸收，因此光電子發(fā)射是即時的。3、入射光頻率一定時，入射光越強，則光子數(shù)N越多，單位時間產(chǎn)生的光電子數(shù)越多，飽和光電流越大。

電子在某一固定的軌道上運動時，并不發(fā)射光子（輻射），只有電子從一個能級躍遷到另一個能級時，才發(fā)射或吸收光子，光子的能量等于這兩個能級之差：

近代理論表明，光與物質(zhì)相互作用時是量子化的，稱其為光量子，簡稱“光子”，其能量為：4、光子

在許多能量狀態(tài)中，能量最低的狀態(tài)稱為基態(tài)E1，其它稱為激發(fā)態(tài)E2，E3……5、基態(tài)與激發(fā)態(tài)：.發(fā)光前.。發(fā)光后自發(fā)輻射6、自發(fā)輻射

原子在沒有外界干預(yù)的情況下,電子會由處于激發(fā)態(tài)的高能級

自動躍遷到低能級，這種躍遷稱為自發(fā)躍遷。由自發(fā)躍遷而引起的光輻射稱為自發(fā)輻射。7、受激吸收

原子吸收外來光子能量

,并從低能級

躍遷到高能級

,且

,這個過程稱為受激吸收。吸收后。.吸收前.受激吸收..。

發(fā)光前發(fā)光后

受激輻射的光放大示意圖8、受激輻射

原子中處于高能級

的電子,會在外來光子(其頻率恰好滿足

)的誘發(fā)下向低能級

躍遷,并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子,這叫受激輻射?！?.5

激光一、激光工作物質(zhì)與光放大激光器的基本構(gòu)成：工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔、能量輸入系統(tǒng)N1>N2表明，處于低能級的電子數(shù)大于高能級的電子數(shù)，這種分布叫做粒子數(shù)的正常布居。

叫做粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn),簡稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或稱布居反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布...............。。。。。粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布1、粒子數(shù)的正常布居不能實現(xiàn)光的放大（2）具備必要的能量輸入系統(tǒng)（激勵、激發(fā)、抽運、泵浦）（1）要有合適的能級結(jié)構(gòu)2、實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3、二能級系統(tǒng)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)!4、三能級系統(tǒng)5、四能級系統(tǒng)非輻射受激輻射非輻射受激輻射非輻射泵浦“非輻射”躍遷不發(fā)射光子，而通過釋放其他形式的能量，如熱能而完成?！叭芗墶薄ⅰ八哪芗墶笔侵讣す馄鬟\轉(zhuǎn)過程中，直接有關(guān)的能級，不是說該物質(zhì)只有三個能級或四個能級。說明為實現(xiàn)在某一方向上的受激輻射，不斷被放大和加強，而設(shè)計的一種裝置。它起著對受激輻射的正反饋、諧振和輸出的作用。1、諧振腔的構(gòu)成

在工作物質(zhì)兩端，分別放置一塊全反射鏡和一塊部分反射鏡，相互平行且垂直于工作物質(zhì)的軸線——光學(xué)諧振腔。二、光學(xué)諧振腔激光的形成..........激光光束全反射鏡光學(xué)諧振腔示意圖部分透光反射鏡光學(xué)諧振腔2、工作原理偏離軸向的光子很快逸出諧振腔，只有沿軸向的光子可在諧振腔內(nèi)來回反射，不斷通過已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，不斷引起受激輻射，使軸向行進(jìn)的光子不斷增加，形成一種雪崩式的放大，從部分反射鏡中輸出——激光。三、激光的特性

(1)

方向性好(2)

單色性好(3)能量集中(4)

相干性好§7.6光的波粒二象性1、近代理論認(rèn)為光具有波粒二象性在有些情況下，光突出顯示出波動性；粒子不是經(jīng)典粒子,波也不是經(jīng)典波.2、基本關(guān)系式粒子性：能量

，動量P，質(zhì)量m波動性：波長

，頻率而在另一些情況下，則突出顯示出粒子性。

——對波粒二象性的理解4、“經(jīng)典粒子”與“微觀粒子”的區(qū)別“彌散性”、“可疊加性”、“干涉”、“衍射”、波長、頻率經(jīng)典粒子的運動是聯(lián)系一條軌跡，對粒子所占據(jù)的空間以外幾乎沒有影響。微觀粒子的運動是聯(lián)系一個波，拋棄了“軌道”概念能在比其自身大得多的空間范圍內(nèi)與其他物質(zhì)相互影響。3、“粒子”與“波動”是兩個不同范疇的概念（1）“粒子”是描寫物質(zhì)存在形態(tài)的概念（2）“波動”是描寫物質(zhì)運動形態(tài)的概念“原子性”或“整體性”，質(zhì)量、能量、動量、電荷等6、波長比較（2）經(jīng)過150V電壓加速的電子的德布羅意波長（3