第九章 光的量子性和激光.docx
- 文档编号:27817265
- 上传时间:2023-07-05
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:594.28KB
第九章 光的量子性和激光.docx
《第九章 光的量子性和激光.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第九章 光的量子性和激光.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第九章光的量子性和激光
第九章 光的量子性和激光
Chap.9 QuantizationofLightandLaser
目的要求:
通过本章的学习,使同学们:
:
1、了解量子论的早期发展过程;2、理解热辐射、绝对黑体及其辐射定律、普朗克公式;3、熟悉光电效应和康普顿效应,掌握爱因斯坦方程;4、熟悉普朗克常数和光子的概念,掌握光的本性及一切物质的本性;5、了解波尔的氢原子模型,原子的发光机理,受激发射光激励、粒子数反转及光振荡等基本概念;6、掌握激光的基本特点,熟悉其基本原理,了解激光器的种类;7、了解非线性光学及科研前沿动态。
重 点:
爱因斯坦方程,光和一切物质的本性,激光的结构、特点
难 点:
辐射定律、爱因斯坦的量子解释
教 法:
历史的发展进程、各部分内容之间的联系、新事例的补充
注 意:
按照物理学史的发展次序,一气呵成(两朵乌云之一), 两个效应之间的关系。
学 时:
章节
学时
页数
习题
§1-2
3
P258-285
P275/3,4;P290/1,11
§3-6
2
P291-319
习题课
2
--------由清华大学杨氏教授撰写
第九章光的量子性和激光第一课
1.能量子说
把铁条插在炉火中,它会被烧得通红,起衩在温度不太高时,我们看不到它发光,却可感到它辐射出来的热量,当温度这到500℃左右时,铁条开始发出可见的光辉。
随着温度的升高,不但光的强度逐渐增大,颜色也由暗红转为橙红。
以上是我们日常生活中熟知的现象,它们反映了热辐射的一般特征,即随着温度的升高,
(1)辐射的总功率增大;
(2)强度在光谱中的分布由长波向短波转移,热辐射不一定需要高温,实际上,任何温度的物体都能发出一定的热辐射,只不过在低温下辐射不强,且其中包含的主要是波长较长的红外线。
用红外夜视仪侦查军事目标,就利用了这个原理。
为了定量描述辐射和它与物体之间发生各种能量转移过程,下面我们将引入一系列物理量。
(1)辐射场能量密度U(单位体积内各种频率的总辐射能)与谱密度u(v) U=⎰u(v)dv
(2)辐射通量Φ(单位时间通过某一截面的辐射能,即通过某一截面的辐射功率)及其谱密度ϕ(v)
Φ=⎰ϕ(v)dv
(3)辐射源的辐射本领R(物体单位表面积发出的辐射通量)及其谱密度r(v) R=⎰r(v)dv
(4) 吸收本领a(v)
入射到物体上的辐射通量,一部分被物体散射或反射(对透明物体,还会有一部分透射),其余的为物体所吸收. a(v)=ϕ’(v)吸收/ϕ(v)入射
(5)基尔霍夫定律:
任何物体在同一温度T下的辐射本领和吸收本领成正比,这个比值是频率和温度的函数,与物体性质无关。
用数学式子表示:
F(v,T)=r(v,T)/a(v,T)是与物体性质无关的普适函数。
能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体称绝对黑体,简称黑体,a(v,T)=1.黑体辐射的辐射本领与物体热辐射普适函数有相同的形式.
绝对黑体是理想化的物体,实际中任何物质都不是真正的绝对黑体。
这是否说我们就没办法制造一个绝对黑体了呢?
我们在盒子上开一个小孔,看上去这是漆黑的一个洞,再用单色光照上去,它比周围涂了墨的盒子表面显得“黑”得多,这里再也不能分辨出入射光的颜色了。
这说明,用任何物体做的空腔,在它很小的开口处就是一个相当理想的“绝对黑体”。
这是因为当光线射进这个小孔后,需经过内壁的多次反射,才有一些可能从小孔重新射出。
这样,不管内壁的吸收本领怎样,经过多次反射,重新射出小孔的光是十分微弱的,孔越小越是这样。
为了加强吸收的效果,人们还在空腔器壁上装有许多带孔的横壁(见下图中的空腔辐射器),使得自小孔射入的光线更不容易直接反射出去,用这种办法人们可以制造出非常理想的“绝对黑体”。
当我们将这样的辐射器维持在一定的温度T时,由此容器内壁发出的辐射也是经过多次反射才从小孔射出的。
这样,在小孔处观察到的已不是器壁材料的辐射谱,按照基尔焦夫定律,它应是绝对黑体的辐射谱。
实际测量的装置如下图所示,空腔辐射器是用耐火材料做成的,可以用电炉加热到各种温度上小孔发出的辐射经分光系统(光栅)按频率(或者说波长)分开,用涂黑的热电偶探测各频段辐射能的强度,并记录下来,因为实际测量黑体辐射谱时都用的是空腔辐射器,黑体辐射又称空腔辐射。
下图是在各种温度上实测的黑体辐射谱r0(λ,t),它们都是用λ来表示的,曲线下的面积代表辐射本领R。
由实验结果得出2条定律:
(1)斯特藩—玻耳兹曼定律:
黑体辐射的辐射本领R与绝对温度的四次方成正比,即
R=⎰r(λ,T)dλ=σT4,σ=5.67X10-8W/m2K4
(2)维恩定律:
任何温度下,黑体辐射曲线都有一个极大值,这极大值对应波长与温度成反比,即
λMT=b,b=2.88X10-3mK
由维恩定律,可以根据物体的颜色确定其温度,天体的温度就是这样确定的。
黑体辐射本领r0(λ,T)等于普适函数,因此要解释实验得出的黑体辐射能量曲线,归根结底就是确定普适函数的形式.
单纯从热力学原理出发,而不对辐射机制和任何具体的假设。
历史上在这个问题获得最终的正确答案之前,有过下列两个公式,它们对揭露经典物理的矛盾起了重大的作用。
(1)维恩假设气体分子辐射的频率v只与其速度v有关(这一假设看来是没什么根据的),从而得到与麦克斯韦速度分布律形式很相似的公式
(2)瑞利从能量按自由度均分定律出发。
以上两个公式都符合普遍形式,实验数据比较,在短波区域维恩公式符合得很好,但在长波范围则有虽不太大但却是系统的偏离,瑞利公式与之相反,在长波部分符合得较好,但在短波波段偏离非常大。
不仅如此,亦即波长极短的辐射(光谱的紫外部分)能量趋于无穷,从而总辐射本领RT也趋于无穷。
这显然是荒廖的。
瑞利之后,金斯作过各种努力,企图绕过瑞利的结论,然而他发现,只要坚持经典的统计理论(能均分定律),瑞利公式以及上述荒廖结论就是不可避免的。
经典物理的这一错误预言是如此严重,历史上被人们称为“紫外灾难”。
普朗克提出能量子假说,他认为黑体是由带电的线性谐振子所组成,这些谐振子能量不能连续变化,只能取一些分立的值,这些分立值的是最小能量ε0的整数倍,即0,ε0,2ε0,…,nε0,…,称为谐振子的能级.最小能量。
ε0=hv。
以这个假说为前提,根据热力学定律,普朗克得出黑体辐射公式(普朗克公式):
这个公式与实验曲线符合得很好,在短波和长波两种极限的情况下能过度到维恩公式和瑞利-金斯公式.并且由普朗克公式可以导出维恩位移定律和斯特潘-玻耳兹曼定律。
2光的粒子性和波粒二象性
当光束射在金属表面上时,使电子从金属中脱出的现象,叫做光电效应。
利用光电效应做成的器件,叫做光电管。
在一个不大的抽空玻璃容器中装有阴极和阳极。
阴极的表面涂有感光金属层。
在两极之间加数百伏的电压。
平时之间绝缘,电路中没有电流。
当光束照射在阴极上时,电路中就出现电流(称为光电流),这是因为阴极在我束照射下发射出电子来(称为光电子)。
用于不同波段的光电管,阴极涂不同材料的感光层,如用于可见光的涂碱金属Li,k,等,用于紫外线的涂Hg,Ag,Au等。
光电管中往往充有某种低压的惰性气体,由于光电子使气体电离,增大管内的导电性。
所以充气光电管的灵敏度较真空光电管大。
真空光电管的灵敏度约为光功率,而充气光电管的灵敏度可大6-7倍。
在上述光电效应中电子逸出金属,所以这种光电效应可以叫做外光电效应,除外光电效应之外,还有另一类所谓“内光电效应”,目前的应用更为广泛。
半导体材料的内光电效应较为明显当光照射在某些半导体材料上时将被吸收,并在其内部激发出导电的载流子(电子空穴对),从而使得材料的电导率显著增加(所谓“光电导”);或者由于这种光生载流子的运动所造成的电荷积累,使得材料两面产生一定的电位差(所谓“光生伏特”)。
这些现象统称内光电效应。
硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、硒光电池、硅光电池、硅光电二极管等就是利用这种内光电效应制成的器件。
光电效应的实验规律如下图所示。
爱因斯坦的光子假说:
光场由分立的粒子(光子)组成,对这种粒子仍保持着频率(及波长)的概念.光子的能量为E=hv=hc/λ.光子打在金属表面上,每个电子一次要么吸收一个光子.要么不吸收.由能量守恒得E=hv=mv02/2+A=eV0+A,上式叫做爱因斯坦方程。
每种金属有一定的脱出功(或称功函数)A,电子从金属内部逸出表面,至少要耗费数量上等于A的能量,v0是电子逸出金属表面后具有的初速度。
利用爱因斯坦的光子假说,可以解释以下实验现象。
(1)实验证明反向遏止电位V0与光强无关。
(2)光频v<红限v0,无论光强多大,也没有光电效应。
(3)在光束照射的同时(最多不超过10的-9次方秒)即观察到了光电效应。
除光电效应外,光量子理论的另一重要实验康普顿效应,对此效应的理论解释涉及光子在电子上散射时能量和动量的守恒定律。
实验结果归结如下:
(1)设入射线的波长为,沿不同方向的散射线中,除原波长外都出现了波长λ>λ0的谱线。
(2)波长差随散射角的增加而增加;原波长谱线的强度随的增加而减小,波长为的谱线强度随的增加而增加。
(3)若用不同元素作为散射物质,则与散射物质无关;原波长谱线的强度随散射物质原子序数增加而增加,波长为的谱线强度随原子序数增加而减小。
以上现象叫做康普顿效应,康普顿因发现此效应而获得1927年诺贝尔物理学奖金。
波粒二象性
在讨论与光的传播有关的一系列现象(光的干涉、衍射、偏振、双折射)中,光表现出波动本性。
当光与物质相互作用并产生能量或动量的交换过程中,光又表现出分立的量子化特征.这就是所谓的光的“波粒二象性”。
波粒二象性并非光子所特有,1923年德布洛意(L.deBroglie)提出,伴随着所有实物粒子,如电子、质子、中子等,都有一种物质波,其波长与粒子的动量成反比:
λ=h/mv,式中h为谱朗克常数,这种波现称为德布洛意波,由上式所决定的波长叫做德布洛意波长
.在一定的场合下微观粒子的这种波动性就会明显地表现出来,例如用电子束聂击晶体表面发生散射时,观察到的电子束强度分布,和X光在晶体上发生的衍射图样十样相似(见下图)。
电子显微镜便是利用电子衍射的原理制成的。
第九章光的量子性和激光第二课
1激光的特征与应用
激光是六十年代初出现的一种新型光源。
我们常见的普通光源有照明用的,如蜡烛、白炽灯、日光灯、炭弧、高压水银灯、高压氙灯、太阳等等;有光谱实验和计量等技术上用的,如钠灯、水银灯、镉灯、氪灯等等。
与普通光源比较,激光具有一系列独特的优点。
激光作业一种方向性好和单色性的强光很快在生产和科学技术中得到广泛的应用。
(1)激光的特性
(a)时间相干性高(单色性好)
氪灯:
发射波长λ=604.7nm,∆λ=0.00047nm,He-Ne激光,∆λ<10-8nm
(b)能量高度集中一个P=100瓦特的灯泡:
W=100焦耳,t=1秒.若t=10-11秒,则P=1015瓦特.这比目前全世界上总发电功率还要大.
(c)空间相干性高
激光是受激辐射光放大,激光波前上各点是相干的。
(2)激光的应用:
激光测距,激光测长,测速度,激光准直,激光加工切割金属,激光治疗,激光照相,激光排版,激光打印,激光通信,激光雷达,激光导弹,激光分离同位素,激光核聚变,非线性光学,信息光学,全息术...
2激光的产生
在热平衡温度T条件下,在能级En上的原子数为Nn,则:
式中k为玻耳兹曼常数,这个统计规律叫做玻耳兹曼正则分布律。
它表明,随着能量En的增高,粒子数Nn按指数律递减。
设E1和E2为任意两个能级(E2>E1),按玻耳兹曼分布律,这表明,在热平衡态中高能级上的原数N2总小于低能级上的原子数N1,两者之比由体系的温度决定。
在给定温度下,E2-E1这一差值越大,N2/N1就越小。
在常温T=300K热平衡状态下,气体中几乎全部原子处在基态。
从高能级E2向低能级E1跃迁相当于光的发射过程,相反的跃迁是光的吸收过程。
光的发射过程实际上有两种,一是在没有外来光子的情况下处在高能级的原子有一定的几率自发地向低能级跃迁,从而发出一个光子来,这种过程叫做自发辐射过程。
自发辐射是个随过程,处在高能级的原子什么时候自发地发射光子带有偶然性,所以气体中各原子在自发辐射过程中发出的光子(也可以说是光波),其位相、偏振状态、传播方向都没有确定的联系。
换句话说,自发辐射的光波是非相干的。
当受激辐射过程比吸收过程强时,宏观看来光强逐渐增强。
激光就是受激辐射的光放大。
一台激光器的基本结构包括三个组成部分:
(1)工作物质;决定辐射波长。
(2)光学谐振腔(两个高度平行的镀银面之间形成的空间);谐振腔对光束方向具有选择性,使受激辐射集中于特定的方向,激光光束很高的方向性就来源于此;另外谐振腔还具有选频率的作用。
光在谐振腔中震荡,有两个对立的因素:
(a)在激活介质中光增益,它使光放大;(b)端面上光吸收,衍射和透射,它使光强变小。
因此,在激光器中,必须使光在工作物质中来回一次产生的增益,足以补偿在一次来回中光的种种损耗。
(3)激励能源(实现反转分布)。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第九章 光的量子性和激光 第九 量子 激光