第二部分光与物质作用演示文稿

第二部分光与物质作用演示文稿当前1页，总共10页。（优选）第二部分光与物质作用当前2页，总共10页。激光的基本原理及特性（3）、绝对黑体辐射出射度分布曲线的峰值定律实验表明，绝对黑体辐射出射度的峰值Me,B(m,T)与绝对温度的5次方成正比，即

Me,B(m,T)＝C’T5

式中C’=1.301X10-15W.cm-2.m

-1.K-5

以上三个定律分别表示了绝对黑体总辐射出射度(分布曲线下的面积)、峰值波

长、峰值波长对应的辐射出射度峰值与绝对温度的关系。3、维恩公式和瑞利－金斯公式（1）、维恩公式

Me,B(,T)＝(c2/5)e-(c/T)

据此公式绘出的曲线与实验曲线在高频端符合较好，低频端产生偏离。（2）、瑞利－金斯公式

Me,B(,T)＝(2c/4)kT

据此公式绘出的曲线与实验曲线在长波段符合较好，但在短波段误差很大。第二部分光与物质的相互作用当前3页，总共10页。激光的基本原理及特性4、普朗克公式

1900年普朗克作了一次大胆的尝试。他假设，黑体出射度的能量不是连续的，而是一份一份的。他第一个提出了能量子假设，开创了近代物理的新纪元。普朗克黑体辐射的能量密度公式：(,T)＝(8h3/c3)[1/(e(h/kT)-1)]及黑体辐射的单色辐射出射度公式：Me,B(,T)＝2hc2-5[1/(e(hc/kT)-1)]式中k是波耳兹曼常数，h是普朗克常数。它们的数值为:k=1.381x10-23J/K;h=6.626x10-34J.s在短波部分，由于h>>kT,则e(h/kT)>>1,普朗克公式变为维恩公式；在长波部分，h<<kT,则e(h/kT)1+(h/kT),普朗克公式则过渡到瑞利－金斯公式。普朗克公式正确地反映了黑体辐射规律。三个公式的关系如图所示。有关黑体的辐射出射度的三个公式的比较第二部分光与物质的相互作用当前4页，总共10页。激光的基本原理及特性（二）、自发辐射、受激吸收和受激辐射跃迁：组成物质的微观粒子（原子、分子和离子）从一种能量状态变到另一能量状态。无辐射跃迁：跃迁过程没有吸收和辐射光子。辐射跃迁：原子能级的变化是通过吸收和发射光而实现的。这种跃迁可分为三种过程：自发辐射、受激吸收和受激发射。1、自发辐射自发辐射跃迁几率A21：

在单位时间内，E2能级上n2个粒子数中发生自发跃迁的粒子数与n2的比值。考虑二能级情况：E1和E2，则在dt时间内，由高能级E2自发辐射跃迁到低能级E1的粒子数计为dn2，则A21可表示为A21＝

(dn21/dt)自发(1/n2)自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激励无关的过程，即A21只由原子本身性质决定。1、原子自发辐射2、原子受激吸收3、原子受激辐射E2E2E2E2E2E2E1E1E1E1E1E1入射光入射光自发辐射原子受激吸收受激辐射光入射光h=E2－E1h=E2－E1第二部分光与物质的相互作用当前5页，总共10页。激光的基本原理及特性假设E2能级只向E1能级跃迁，则可得到：n2(t)=n02e-A21t=n20e-(t/)自发跃迁过程使得高能级上的原子以指数规律衰减。式中n20为t=0时刻E2能级上的粒子数，=(1/A21)称为粒子在E2能级上的平均寿命。自发辐射功率：I(t)=h[dn21(t)/dt]=hA21n20(t)=hA21n20e-A21t=I0e-A21t

自发辐射强度在外界激励停止后，是以指数规律衰减的。

自发辐射所发出的光称为荧光。第二部分光与物质的相互作用当前6页，总共10页。激光的基本原理及特性2、受激吸收

当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为

＝[(E2－E1)/h]的电磁波(即有能量等于=h=E2－E1的光子)，使在低能级E1的粒子收到光子激发，可以跃迁到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。在单位体积中，从能级E1跃迁到能级E2的粒子数dn12

为：

dn12=B12()n1dtB12

爱因斯坦受激吸收系数，是一个原子能级系统的特征参数。

受激吸收跃迁几率：

W12=(dn12/dt)(1/n1)W12的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度()的光照射下，由于受激吸收而从能级E1跃迁到能级E2上的粒子数与能级E1上总粒子数之比，即每一个处于低能级E1的粒子数，在()的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。

受激吸收过程是一个即与原子性质有关，也与外来辐射场的()有关的过程。

这种关系可以唯象地表示为：

W12=B12()

即受激吸收爱因斯坦系数只与原子性质有关。第二部分光与物质的相互作用当前7页，总共10页。激光的基本原理及特性3、受激辐射当外来辐射场照射物质而粒子已经处于高能级E2上时，会发生受激辐射过程。如果外来光的频率为

＝(E2－E1)/h，由于受到入射光子的激发，E2能级上的粒子将会跃迁而回到E1能级上去，同时又放射出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。在单位体积中，从能级E2跃迁到能级E1的粒子数dn21

为：

dn21=B21()n2dt

受激辐射跃迁几率：

W21＝(dn21/dt)(1/n2)W21=B21()

B21

爱因斯坦受激辐射跃迁系数，是一个原子能级系统的特征参数。第二部分光与物质的相互作用当前8页，总共10页。激光的基本原理及特性4、A21、B12和B21的关系

在一个温度为T的空腔中,辐射场与物质相互作用达到热平衡时,三种辐射同时存在，这种热平衡状态的标志是：（1）、腔内存在着热平衡黑体辐射：（2）、腔内物质原子数按能级分布服从热平衡状态下的波耳兹曼分布：式中f2

和f1

分别为能级E2

和E1

的统计权重。（3）、在热平衡状态下，n2(或n1)应保持不变：--=KTEEffnn121

212exp或第二部分光与物质的相互作用当前9页，总共10页。激光的基本原理及特性2211123321218fBfBhnchBA=n=np=nf1=f2爱因斯坦关系5、受激辐射的相干性受激辐射和自发辐射的异同：共同点：发射光子E2

－E1E＝hn

n=E2

－E1h

不同点：起因