第七章光與物質的相互作用光的量子性主要內容§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、光的吸收規律1、光的吸收:光強隨穿進介質的深度而減弱的現象。吸收分為以下兩種情況：真吸收：光能量被介質吸收后轉化為熱能散射：光唄介質散射到四面八方——布格定律(或朗伯定律)2、在強光下，即非線性光學領域以上規律不再成立。α——吸收系數，厚度為的薄層可使光的強度減到原來的e-1=36%。二、復折射率的意義x、κ

——實數光強不隨x變化而減小κ

——衰減指數復折射率的虛部反映了因介質的吸收而產生的電磁波的衰減。三、光的吸收與波長的關系1、普遍吸收:吸收系數與波長無關的吸收。在

可見光范圍內，光經過這種物質

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

吸收是光和物質相互作用的普遍規律。

白光經過這種物質后，會呈現顏色，

所見物質呈現顏色就是選擇吸收。選擇吸收是光和物質相互作用的普遍規律。從廣闊的電磁波譜來看，沒有普遍吸收的介質，有些介質在可見光范圍內普遍吸收，但在紅外、紫外區域選擇吸收。從微觀上說，物質吸收何種波長的光取決于組成該物質的粒子（原子、分子）的能級結構，當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的發射光譜和吸收光譜有相當嚴格的對應關系。某種物質發射哪些波長的光，也強烈地吸收哪些波長的光。連續光譜通過吸收物質后再經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：光在介質中的傳播速度（折射率n=c/v)隨波長而異的現象。2、正常色散：折射率隨波長的增加而單調下降的色散。經驗公式：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，光譜帶出現嚴重扭曲和割斷的現象——反常色散二、反常色散1862年，勒魯在觀察碘蒸汽的色散現象時發現波長較短的紫光折射率比波長較長的紅光折射率小（紫光與紅光之間的其他波長由于被碘蒸汽吸收而沒有觀察到），由于這個現象與已觀察到的所有色散現象正好相反，是一種“反常”現象，所以被稱為反常色散，且沿用至今。孔脫系統研究了反常現象，發現反常色散與介質對光的選擇吸收有密切聯系。實際上，反常色散并不反常，它是介質的一種普遍現象。任何物質的色散曲線都是由正常色散波段和反常色散波段構成的，正像物質的全部吸收曲線是由普遍吸收曲線和選擇吸收曲線構成的一樣，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隨波長增大而單調增加，且在吸收帶附近變化劇烈（會出現嚴重扭曲或割斷）。特點：三、一種物質全部色散曲線在相鄰兩個吸收線（帶）之間n單調下降，每次經過一個吸收線（帶），n急劇加大。總的趨勢是曲線隨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。

波函數表達式中波的傳播速度。在各向同性的均勻介質中，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.湯姆遜發現電子。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量均勻地分布在半徑為10-10m的球體范圍內，電子浸于其中。1、原子結構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量，電子圍繞這個核旋轉，核的尺寸與整個原子相比是很小的。經典有核模型的困難根據經典電磁理論，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，電子旋轉的頻率也逐漸改變，發射光譜應是連續譜；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、粒子的布居平衡態粒子數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，粒子數隨能級升高急劇減少。能級越高，粒子數越少。一、光電效應實驗規律裝置：K—金屬板（陰極）

A—陽極附加：光電效應實驗規律：（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，而與入射光頻率具有線性關系。（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與光強無關。（4）瞬時發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、經典物理學遇到的困難

1、光電效應不應存在截止頻率，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，不能瞬時發生。三、愛因斯坦光電效應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生出來。逸出功與材料有關光電效應方程

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

2、光照射在物質上，一個光子能量立即被電子吸收，因此光電子發射是即時的。3、入射光頻率一定時，入射光越強，則光子數N越多，單位時間產生的光電子數越多，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

在許多能量狀態中，能量最低的狀態稱為基態E1，其它稱為激發態E2，E3……5、基態與激發態：.發光前.。發光后自發輻射6、自發輻射

原子在沒有外界干預的情況下,電子會由處于激發態的高能級

自動躍遷到低能級，這種躍遷稱為自發躍遷。由自發躍遷而引起的光輻射稱為自發輻射。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..。

發光前發光后

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

)的誘發下向低能級

躍遷,并發出與外來光子一樣特征的光子,這叫受激輻射。§7.5

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

叫做粒子數布居反轉,簡稱粒子數反轉或稱布居反轉。粒子數的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子數反轉分布...............。。。。。粒子數正常分布和粒子數反轉分布1、粒子數的正常布居不能實現光的放大（2）具備必要的能量輸入系統（激勵、激發、抽運、泵浦）（1）要有合適的能級結構2、實現粒子數反轉3、二能級系統不能實現粒子數反轉!4、三能級系統5、四能級系統非輻射受激輻射非輻射受激輻射非輻射泵浦“非輻射”躍遷不發射光子，而通過釋放其他形式的能量，如熱能而完成。“三能級”、“四能級”是指激光器運轉過程中，直接有關的能級，不是說該物質只有三個能級或四個能級。說明為實現在某一方向上的受激輻射，不斷被放大和加強，而設計的一種裝置。它起著對受激輻射的正反饋、諧振和輸出的作用。1、諧振腔的構成

在工作物質兩端，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的軸線——光學諧振腔。二、光學諧振腔激光的形成..........激光光束全反射鏡光學諧振腔示意圖部分透光反射鏡光學諧振腔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來回反射，不斷通過已實現粒子數反轉的工作物質，不斷引起受激輻射，使軸向行進的光子不斷增加，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；粒子不是經典粒子,波也不是經典波.2、基本關系式粒子性：能量

，動量P，質量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、“經典粒子”與“微觀粒子”的區別“彌散性”、“可疊加性”、“干涉”、“衍射”、波長、頻率經典粒子的運動是聯系一條軌跡，對粒子所占據的空間以外幾乎沒有影響。微觀粒子的運動是聯系一個波，拋棄了“軌道”概念能在比其自身大得多的空間范圍內與其他物質相互影響。3、“粒子”與“波動”是兩個不同范疇的概念（1）“粒子”是描寫物質存在形態的概念（2）“波動”是描寫物質運動形態的概念“原子性”或“整體性”，質量、能量、動量、電荷等6、波長比較（2）經過150V電壓加速的電子的德布羅意波長（3