光及原子相互作用

1、1.3 原子能级与发光原子能级与发光原子的能级原子的能级 原子的能量由电子的动能和它在核场中的电势能原子的能量由电子的动能和它在核场中的电势能构成；构成； 电子的运动具有量子化特性：运行的轨道是量子电子的运动具有量子化特性：运行的轨道是量子化的；角动量是量子化的化的；角动量是量子化的 氢原子轨道半径：氢原子轨道半径：2202nnhrme(n=1,2,3,)玻耳兹曼分布玻耳兹曼分布1.4 光与原子的相互作用光与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与激光对比普通光源与激光对比方向性方向性单单 色色 性性方向性方向性原子自发发射的概念原子自发发射的概念 在在没有外界作用没有外界作用

2、的情况下，处于高能级上的情况下，处于高能级上的原子会的原子会自发地自发地跃迁到低能级上，并放出跃迁到低能级上，并放出光子的现象称为光子的现象称为自发发射自发发射。 n2(t)的求解过程的求解过程2212ddnA n t 2212ddnAtn 21220( )eA tn tn2212ddnAtn221lnnA tC 220(0)nn上能级的平均寿命上能级的平均寿命 上能级的平均寿命数值上等于上能级的上能级的平均寿命数值上等于上能级的原子数减少到它的初始值原子数减少到它的初始值1/e所需的时间所需的时间10!ed(0)naxnnxxaa 上能级的平均寿命：上能级的平均寿命：表征处于上能级的表征处于

3、上能级的原子在自发辐射之前停留在该能级的原子在自发辐射之前停留在该能级的平平均时间均时间。普通光源普通光源 普通光源：自发发射的荧光普通光源：自发发射的荧光 荧光：荧光：大量原子大量原子自发跃迁自发跃迁产生的辐射。产生的辐射。 特点：方向性差、单色性差、相干性差。特点：方向性差、单色性差、相干性差。原子的受激吸收原子的受激吸收 当原子受到光子照射时，如果外来当原子受到光子照射时，如果外来光子光子的能量正好等于两个能级的能量间隔的能量正好等于两个能级的能量间隔，则处于低能级的原子将吸收这个光子而则处于低能级的原子将吸收这个光子而跃迁到高能级上去，这个过程称为原子跃迁到高能级上去，这个过程称为原子

4、的的受激吸收受激吸收。 实验证明：实验证明： 平衡时腔内的电磁辐射具有确定的平衡时腔内的电磁辐射具有确定的能量分布；即能量密度只取决于腔壁的能量分布；即能量密度只取决于腔壁的温度，而与腔壁的材料无关。温度，而与腔壁的材料无关。绝对黑体绝对黑体模型模型o1 2 3 5 6 8 947()实验值实验值维恩维恩瑞利瑞利金斯金斯辐射场的辐射能量密度辐射场的辐射能量密度瑞利金斯公式推导瑞利金斯公式推导空腔内模的能量具有连续分布，按玻尔兹曼分布，空腔内模的能量具有连续分布，按玻尔兹曼分布，每个模处于每个模处于EE+dE的几率为的几率为：E/kTdpcedEE/kTdpc edE1E/kT1cedEE/kT

5、E/kTedEdpedEE/kT0E/kT0EedEEEdpkTedE普朗克公式推导普朗克公式推导 空腔由许多带电谐振子组成，振子具有不连续能量空腔由许多带电谐振子组成，振子具有不连续能量mEmhmh/kTm 0h/kTmh/kTm 0mh ehEe1e23h/kT8hce1每个模平均能量每个模平均能量原子的受激发射原子的受激发射 当原子体系受到当原子体系受到外来光子照射外来光子照射时，如果外时，如果外来来光子的能量正好等于两个能级的能量间光子的能量正好等于两个能级的能量间隔隔，则处于高能级的原子会因外来的这个，则处于高能级的原子会因外来的这个光子作用从高能级跃迁到低能级上去，这光子作用从高能级跃迁到低能级上去，这时原子将辐射一个和外来光子时原子将辐射一个和外来光子完全一样完全一样的的光子，这个过程叫光子，这个过程叫受激发射受激发射。 激光激光 Laser：Light Amplification by Stimulated Emis