光與物質(zhì)的相互作用

1、 普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947)1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱(chēng)為把這一最小能量單位稱(chēng)為“能量子能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻射的。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻射的理論困難。普朗克還進(jìn)一

2、步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，并引入理論困難。普朗克還進(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，并引入了普朗克常數(shù)了普朗克常數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)的不可缺少的基本理。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)的不可缺少的基本理論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)金。論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)金。 普朗克是德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的普朗克是德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者和奠基人，被尊稱(chēng)為開(kāi)創(chuàng)者和奠基人，被尊稱(chēng)為 “量子之父量子之父” 1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的獲得者。他的年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的獲得者。他的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理

3、論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。 1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱(chēng)整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱(chēng)為為“能量子能量子”。10.1 光的波粒二象性光的波粒二象性一、

4、普朗克量子假設(shè)一、普朗克量子假設(shè) = h 構(gòu)成物體的分子、原子可視為在各自平衡位置附近振動(dòng)構(gòu)成物體的分子、原子可視為在各自平衡位置附近振動(dòng)的的帶電線性帶電線性諧振子諧振子，這些，這些振子振子既可以發(fā)射輻射能，也可以既可以發(fā)射輻射能，也可以吸收輻射能。吸收輻射能。諧振子發(fā)射和吸收輻射能量是某些分立狀態(tài)，是最小能諧振子發(fā)射和吸收輻射能量是某些分立狀態(tài)，是最小能量單位量單位 h 的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即 發(fā)射或吸收電磁輻射只能以發(fā)射或吸收電磁輻射只能以量子量子方方式進(jìn)行，每個(gè)能量子能量為式進(jìn)行，每個(gè)能量子能量為其中其中h 是普朗克常量，是普朗克常量， 為諧振子的振動(dòng)頻率。為諧振子的振動(dòng)頻率。討論：討

5、論： 一個(gè)頻率為一個(gè)頻率為 的諧振子的最小能量是的諧振子的最小能量是h ，它與周?chē)?，它與周?chē)妮椛鋱?chǎng)交換能量時(shí)，也只能整個(gè)地吸收或放出一個(gè)能的輻射場(chǎng)交換能量時(shí)，也只能整個(gè)地吸收或放出一個(gè)能量子量子 ?！傲孔恿孔印钡母拍畹母拍盍孔樱ɑ何⒂^世界的一個(gè)特殊概念，按某種量子（化）：微觀世界的一個(gè)特殊概念，按某種規(guī)律取分立值的物理量。規(guī)律取分立值的物理量。如：電荷量子（化）如：電荷量子（化）1,2,n 101.60 -19C ene能量量子（化）能量量子（化）, 2 , 1 1063. 6 34nsJhnh 普朗克公式：普朗克公式： 普朗克的量子假設(shè)：普朗克的量子假設(shè)： 能量不連續(xù)的概念與經(jīng)典物理學(xué)

6、是能量不連續(xù)的概念與經(jīng)典物理學(xué)是完全不相容的！完全不相容的！普朗克公式：普朗克公式： 112/52)( kThcTMehc 能量能量經(jīng)典經(jīng)典光量子光量子 突破了經(jīng)典物理學(xué)的能量連續(xù)的觀念，在物理學(xué)突破了經(jīng)典物理學(xué)的能量連續(xù)的觀念，在物理學(xué)史上第一次提出了微觀粒子能量量子化的概念，這史上第一次提出了微觀粒子能量量子化的概念，這對(duì)量子物理學(xué)的誕生起了極大的推動(dòng)作用。對(duì)量子物理學(xué)的誕生起了極大的推動(dòng)作用。 例：例： 設(shè)有一音叉，其尖端的質(zhì)量為設(shè)有一音叉，其尖端的質(zhì)量為0.050kg，其頻率被調(diào)到，其頻率被調(diào)到480Hz，振幅，振幅1.0mm。試求音叉尖端振動(dòng)的量子數(shù)。試求音叉尖端振動(dòng)的量子數(shù)。 解：

7、解：由諧振子的能量公式知，諧振子的能量為由諧振子的能量公式知，諧振子的能量為 2222)2(2121AmAmE代入已知條件：代入已知條件：J227.0)100 .1 ()4802(050.021232E根據(jù)普朗克量子假設(shè)：根據(jù)普朗克量子假設(shè)： ，音叉尖端的振動(dòng)量子數(shù)為，音叉尖端的振動(dòng)量子數(shù)為nhE 29341013. 74801063. 6227. 0hEn討論：討論：宏觀物體振動(dòng)的量子數(shù)是非常大的，與很小的能量宏觀物體振動(dòng)的量子數(shù)是非常大的，與很小的能量子相比，宏觀物體的能量可以認(rèn)為是連續(xù)分布的。子相比，宏觀物體的能量可以認(rèn)為是連續(xù)分布的。 二、愛(ài)因斯坦光量子學(xué)說(shuō)二、愛(ài)因斯坦光量子學(xué)說(shuō)光電效

8、應(yīng)光電效應(yīng) 當(dāng)光照到某些金屬的表面時(shí)，金屬內(nèi)部的自由電當(dāng)光照到某些金屬的表面時(shí)，金屬內(nèi)部的自由電子會(huì)逸出金屬表面，這種光致電子發(fā)射現(xiàn)象稱(chēng)為光子會(huì)逸出金屬表面，這種光致電子發(fā)射現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。電效應(yīng)。（1887年德國(guó)物理學(xué)家赫茲首先發(fā)現(xiàn)光電發(fā)射現(xiàn)象，年德國(guó)物理學(xué)家赫茲首先發(fā)現(xiàn)光電發(fā)射現(xiàn)象，1888年又被俄國(guó)物理學(xué)家斯托列托夫用實(shí)驗(yàn)證明。）年又被俄國(guó)物理學(xué)家斯托列托夫用實(shí)驗(yàn)證明。） 實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)裝置： 光通過(guò)石英窗口照射陰極光通過(guò)石英窗口照射陰極K，光電子從陰極表面逸出。，光電子從陰極表面逸出。光電子在電場(chǎng)加速下向陽(yáng)極光電子在電場(chǎng)加速下向陽(yáng)極A運(yùn)動(dòng)，形成光電流。運(yùn)動(dòng)，形成光電流。I1I2I3U

9、aUiI1I2I3Ua 0遏止電壓與頻率關(guān)系曲線遏止電壓與頻率關(guān)系曲線試驗(yàn)規(guī)律：試驗(yàn)規(guī)律：遏止電勢(shì)差：遏止電勢(shì)差：與入射光頻率具有線性關(guān)系。與入射光頻率具有線性關(guān)系。截止頻率：截止頻率：對(duì)某一種金屬只有當(dāng)入射光頻率大于某一對(duì)某一種金屬只有當(dāng)入射光頻率大于某一頻率頻率 時(shí)，電子才能從金屬表面逸出（時(shí)，電子才能從金屬表面逸出（紅限紅限）。）。0和和 成線性關(guān)系成線性關(guān)系遏止電壓與頻率關(guān)系曲線遏止電壓與頻率關(guān)系曲線amUme221v光電效應(yīng)瞬時(shí)性：光電效應(yīng)瞬時(shí)性：遲滯時(shí)間不超過(guò)遲滯時(shí)間不超過(guò) 10- -9 秒秒經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾：經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾： 無(wú)論何種頻率的光，只要其強(qiáng)度足夠大，

10、電子就能獲無(wú)論何種頻率的光，只要其強(qiáng)度足夠大，電子就能獲得足夠的能量，從金屬表面逸出；得足夠的能量，從金屬表面逸出； 電子的動(dòng)能取決于光的動(dòng)能，而與頻率無(wú)關(guān)；電子的動(dòng)能取決于光的動(dòng)能，而與頻率無(wú)關(guān)； 在光強(qiáng)很小時(shí)，即使光的頻率大于截止頻率，也不應(yīng)在光強(qiáng)很小時(shí)，即使光的頻率大于截止頻率，也不應(yīng)有電子發(fā)射有電子發(fā)射 。愛(ài)因斯坦光量子學(xué)說(shuō)（愛(ài)因斯坦光量子學(xué)說(shuō)（1905年）：年）： 光束可以看成由微粒（光子）構(gòu)成的粒子流（光量子），光束可以看成由微粒（光子）構(gòu)成的粒子流（光量子），在真空中以在真空中以 運(yùn)動(dòng)，頻率為運(yùn)動(dòng)，頻率為 的光子能量為的光子能量為 。ch愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程

11、：Wmvh221 式中為逸出功，式中為逸出功， 為電子從表面上逸出時(shí)初動(dòng)能。為電子從表面上逸出時(shí)初動(dòng)能。 W221mv討論：討論：光頻率光頻率 A/h 時(shí)，時(shí)，電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功 A 逸出逸出 光電子最大初動(dòng)能和光頻率光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為N，則光強(qiáng)，則光強(qiáng) I = Nh 。 I 越強(qiáng)越強(qiáng) , 到陰極的光子越多到陰極的光子越多, 則則逸逸出的光電子越多。出的光電子越多。電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長(zhǎng)時(shí)間的能量積累電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長(zhǎng)時(shí)間的

12、能量積累。 三、光的波粒二象性三、光的波粒二象性 光具有波動(dòng)性和粒子性?xún)蓚€(gè)側(cè)面，是微觀粒子的基本光具有波動(dòng)性和粒子性?xún)蓚€(gè)側(cè)面，是微觀粒子的基本屬性，在某些情況下突出顯示某一個(gè)側(cè)面。屬性，在某些情況下突出顯示某一個(gè)側(cè)面。作為粒子：作為粒子：有有 和能量和能量），mvppvm(E20222cmcpE 由相對(duì)論知由相對(duì)論知對(duì)于光對(duì)于光 ，則有或，則有或 00 mcEp/ mcp 作為波：作為波：c ,兩者關(guān)系為：兩者關(guān)系為：hphE，光子的波動(dòng)性和粒子性是光子本性在不同條件下表現(xiàn)光子的波動(dòng)性和粒子性是光子本性在不同條件下表現(xiàn)出來(lái)的兩個(gè)側(cè)面：出來(lái)的兩個(gè)側(cè)面：波動(dòng)性波動(dòng)性突出呈現(xiàn)在其突出呈現(xiàn)在其傳播傳播

13、過(guò)程中，過(guò)程中，粒子性粒子性突出呈現(xiàn)在其突出呈現(xiàn)在其與與物質(zhì)的相互作用中。物質(zhì)的相互作用中。光的波動(dòng)性和粒子性隨頻率范圍的不同而有不同的表光的波動(dòng)性和粒子性隨頻率范圍的不同而有不同的表現(xiàn)：現(xiàn)：在低頻或長(zhǎng)波區(qū)，光的波動(dòng)性比較顯著；而在高在低頻或長(zhǎng)波區(qū)，光的波動(dòng)性比較顯著；而在高頻或短波區(qū)，粒子性卻比較突出。頻或短波區(qū)，粒子性卻比較突出。要對(duì)波粒二象性進(jìn)行完善描述，必須采用量子力學(xué)方法要對(duì)波粒二象性進(jìn)行完善描述，必須采用量子力學(xué)方法（波函數(shù)）。（波函數(shù)）。普朗克常量把光的波動(dòng)性和粒子性普朗克常量把光的波動(dòng)性和粒子性 聯(lián)系聯(lián)系起來(lái)了。起來(lái)了。),(),(pE例：例：計(jì)算波長(zhǎng)為計(jì)算波長(zhǎng)為600nm的紅

14、光與波長(zhǎng)為的紅光與波長(zhǎng)為0.1nm的的X光的光子能量。光的光子能量。 解：解：紅光光子能量為：紅光光子能量為：J1031. 3106001031063. 6199834111hchX光光子能量為光光子能量為 J1099. 1101 . 01031063. 6159834222hch10.2 光的發(fā)射光的發(fā)射 激光原理激光原理一、發(fā)光的物理機(jī)制一、發(fā)光的物理機(jī)制 發(fā)射光譜發(fā)射光譜 光源光源 發(fā)射光波的物體。如太陽(yáng)、蠟燭等。光源發(fā)出的光是發(fā)射光波的物體。如太陽(yáng)、蠟燭等。光源發(fā)出的光是其中大量的分子或原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)所輻射出的其中大量的分子或原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)所輻射出的電磁波電磁波。

15、發(fā)光的物理機(jī)理發(fā)光的物理機(jī)理 電子沿著一個(gè)個(gè)分立的軌道繞核電子沿著一個(gè)個(gè)分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電子在確定的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子具有確定的能量。時(shí)，原子具有確定的能量。 1r2r 電子電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道，從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道，原子或分子原子或分子就從一個(gè)就從一個(gè)能態(tài)能態(tài)躍變到另一能躍變到另一能態(tài)，同時(shí)伴隨著態(tài)，同時(shí)伴隨著能量能量的變化。的變化。電子在不同軌道之間躍變，原子向外釋放或吸收能量。電子在不同軌道之間躍變，原子向外釋放或吸收能量。E賴(lài)曼系賴(lài)曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉開(kāi)系布拉開(kāi)系n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n =

16、 6n=1n=3n=2n=原子的不同能態(tài)用一個(gè)個(gè)分立的能級(jí)表示原子的不同能態(tài)用一個(gè)個(gè)分立的能級(jí)表示 原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，頻率會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，頻率hEEnk|kEnE輻射頻率公式輻射頻率公式波列長(zhǎng)波列長(zhǎng) L = c每一個(gè)輻射光子稱(chēng)作一個(gè)每一個(gè)輻射光子稱(chēng)作一個(gè)波列波列每個(gè)波列持續(xù)時(shí)間約每個(gè)波列持續(xù)時(shí)間約10-8s原子或分子的發(fā)光過(guò)程是彼此獨(dú)原子或分子的發(fā)光過(guò)程是彼此獨(dú)立的、隨機(jī)的立的、隨機(jī)的光源發(fā)出的連續(xù)光波實(shí)際上是大光源發(fā)出的連續(xù)光波實(shí)際上是大量原子或分子發(fā)光的總效果。量原子或分子發(fā)光的總效果。 相互獨(dú)立的波列相互獨(dú)立的波列.非

17、相干（同一原子先后發(fā)出的光）非相干（同一原子先后發(fā)出的光）非相干（不同原子發(fā)出的光）非相干（不同原子發(fā)出的光）注：注：發(fā)射光譜發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜鐵和其他元素的原子發(fā)射光譜圖（上為鐵譜，下為其他元素光譜）鐵和其他元素的原子發(fā)射光譜圖（上為鐵譜，下為其他元素光譜） 原子的發(fā)射光譜是原子的發(fā)射光譜是線狀線狀光譜光譜 每種原子有其獨(dú)特的發(fā)射光譜每種原子有其獨(dú)特的發(fā)射光譜識(shí)別不同原子的標(biāo)志識(shí)別不同原子的標(biāo)志 分子發(fā)射光譜分子發(fā)射光譜若干光譜帶組成的若干光譜帶組成的帶狀帶狀光譜光譜 分子光譜分子光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜分子的能量分子的能量RVeEEEE能級(jí)間隔滿(mǎn)足能級(jí)間隔

18、滿(mǎn)足 RVeEEE分子的分子的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷發(fā)出能級(jí)間的躍遷發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射遠(yuǎn)紅外輻射；振動(dòng)振動(dòng)能級(jí)能級(jí)間的躍遷發(fā)出間的躍遷發(fā)出中紅外輻射中紅外輻射；而；而電子電子能級(jí)間的躍遷發(fā)出能級(jí)間的躍遷發(fā)出可見(jiàn)光和紫外輻射可見(jiàn)光和紫外輻射。二、發(fā)光過(guò)程的類(lèi)型二、發(fā)光過(guò)程的類(lèi)型按照按照激發(fā)激發(fā)方式分類(lèi)方式分類(lèi)熱輻射熱輻射 太陽(yáng)、白熾燈等太陽(yáng)、白熾燈等電致發(fā)光電致發(fā)光 閃電、霓虹燈以及半導(dǎo)體、閃電、霓虹燈以及半導(dǎo)體、PN結(jié)的發(fā)光過(guò)程等結(jié)的發(fā)光過(guò)程等光致發(fā)光光致發(fā)光 日光燈、熒光、磷光等日光燈、熒光、磷光等化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光 燃燒發(fā)光、生物發(fā)光等燃燒發(fā)光、生物發(fā)光等白天和夜晚分別白天和夜晚分別拍攝的發(fā)光真菌

19、拍攝的發(fā)光真菌按照按照輻射輻射方式分類(lèi)方式分類(lèi)E2E1h自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射所發(fā)出的光沒(méi)有相干性自發(fā)輻射所發(fā)出的光沒(méi)有相干性 能級(jí)的平均壽命（能級(jí)的平均壽命（ ）原子在某一能級(jí)停留的平均時(shí)間原子在某一能級(jí)停留的平均時(shí)間 處于高能級(jí)的原子中，在單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)處于高能級(jí)的原子中，在單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)E2自發(fā)躍遷到低自發(fā)躍遷到低能級(jí)能級(jí)E1的原子數(shù)比率，稱(chēng)為的原子數(shù)比率，稱(chēng)為原子自發(fā)躍遷的概率原子自發(fā)躍遷的概率A21 ，它與高能級(jí)，它與高能級(jí)E2的平均壽命的平均壽命之間存在如下關(guān)系之間存在如下關(guān)系 211 A受激輻射受激輻射受激吸收受激吸收E2E1h12EEh受激輻射受激輻射E2E1h 這兩

20、個(gè)光子再引起其它原子產(chǎn)這兩個(gè)光子再引起其它原子產(chǎn)生受激輻射，就會(huì)得到更多的生受激輻射，就會(huì)得到更多的相同特征相同特征的光子，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)的光子，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為光放大為光放大光放大。光放大。普通光源普通光源激光光源激光光源區(qū)別區(qū)別C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov 湯斯湯斯19541954年在量子電子學(xué)研究中實(shí)現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了年在量子電子學(xué)研究中實(shí)現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和巴索夫巴索夫1958年幾乎同時(shí)年幾乎同時(shí)在量子電子學(xué)在量子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器和激光器原理研制了振蕩器

21、和放大器。以的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。以上工作導(dǎo)致了激光器的發(fā)明。上工作導(dǎo)致了激光器的發(fā)明。The Nobel Prize in Physics 1964三、激光原理三、激光原理 受激輻射光放大簡(jiǎn)稱(chēng)為受激輻射光放大簡(jiǎn)稱(chēng)為激光。激光。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在溫度為在溫度為 T 的平衡態(tài)下，原子中的電子處于高、低的平衡態(tài)下，原子中的電子處于高、低兩個(gè)能級(jí)上的數(shù)目之比為兩個(gè)能級(jí)上的數(shù)目之比為kTEkTEEeeNN/)(1212/ 討論討論正常分布：正常分布：N1N2。光吸收比光輻射占優(yōu)勢(shì)。光吸收比光輻射占優(yōu)勢(shì)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：N2N1。光通過(guò)物質(zhì)得到光放

22、大。光通過(guò)物質(zhì)得到光放大。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須具備的條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須具備的條件： 能量的供應(yīng)過(guò)程能量的供應(yīng)過(guò)程激勵(lì)（光泵浦）激勵(lì)（光泵浦）工作物質(zhì)內(nèi)必須存在工作物質(zhì)內(nèi)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有等具有亞穩(wěn)態(tài)，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)亞穩(wěn)態(tài)，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。hhh亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E2基態(tài)基態(tài)E1激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)E3三能級(jí)系統(tǒng)示意圖三能級(jí)系統(tǒng)示意圖hEE12E1與與E2之間產(chǎn)生以之間產(chǎn)生以受受激輻射為主的躍遷激輻射為主的躍遷激勵(lì)激勵(lì)無(wú)輻射躍遷無(wú)輻射躍遷光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔使某一使某一方向方向、某一頻率某一

23、頻率的輻射不斷得到的輻射不斷得到加強(qiáng)加強(qiáng)，其它方向、，其它方向、其它頻率的輻射受到其它頻率的輻射受到抑制抑制的裝置的裝置全反射鏡全反射鏡M1部分反射鏡部分反射鏡M2激光激光工作物質(zhì)工作物質(zhì)作用作用選擇激光的方向選擇激光的方向選擇激光的頻率選擇激光的頻率激勵(lì)能源激勵(lì)能源He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理激光器的基本構(gòu)成及激光的形成激光器的基本構(gòu)成及激光的形成具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔 光束在諧振腔內(nèi)來(lái)回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以光束在諧振腔內(nèi)來(lái)回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。放大，并輸出激

24、光。反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡陽(yáng)極陽(yáng)極陰極陰極布儒斯特窗布儒斯特窗毛細(xì)管毛細(xì)管工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：氦氣氦氣輔助物質(zhì)：輔助物質(zhì)：氖氣氖氣激勵(lì)方式：激勵(lì)方式：直流氣體放電直流氣體放電He-Ne激光器中激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn)氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn) 電子電子碰撞碰撞He21s23s碰撞碰撞亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm 電子經(jīng)電場(chǎng)加速后，與電子經(jīng)電場(chǎng)加速后，與 He 碰撞。處于激發(fā)態(tài)的碰撞。處于激發(fā)態(tài)的 He 與與 Ne 碰撞，把能量傳遞給碰撞，把能量傳遞給 Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)，使它在亞穩(wěn)態(tài)（3s、2s）和和激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。之間

25、形成反轉(zhuǎn)分布。四、激光的特性與應(yīng)用四、激光的特性與應(yīng)用 特性特性方向性強(qiáng)方向性強(qiáng)強(qiáng)度高強(qiáng)度高單色性好單色性好相干性好相干性好應(yīng)用應(yīng)用可用于精密加工，醫(yī)學(xué)，核聚變等?？捎糜诰芗庸?，醫(yī)學(xué)，核聚變等。激光加工激光加工 6KW CO2 激光加激光加工機(jī)在進(jìn)行金屬表面涂敷合金工機(jī)在進(jìn)行金屬表面涂敷合金粉末的作業(yè)粉末的作業(yè)核聚變實(shí)驗(yàn)的六路真空靶室核聚變實(shí)驗(yàn)的六路真空靶室實(shí)驗(yàn)中采用大功率實(shí)驗(yàn)中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器釹玻璃激光器10.3 光的吸收光的吸收 吸收光譜吸收光譜 光波和物質(zhì)作光波和物質(zhì)作用的用的兩種效應(yīng)兩種效應(yīng)折射和雙折射現(xiàn)象折射和雙折射現(xiàn)象（速度減慢）（速度減慢）消光現(xiàn)象消光現(xiàn)象

26、散射散射 (scattering)現(xiàn)象現(xiàn)象吸收吸收 (absorption)現(xiàn)象現(xiàn)象(部分光波沿其它方向傳播部分光波沿其它方向傳播)(光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量光能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量)（光能減弱）（光能減弱） 當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，由于光波和物質(zhì)的相互作用，當(dāng)光波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，由于光波和物質(zhì)的相互作用，一般呈現(xiàn)兩種效應(yīng)一般呈現(xiàn)兩種效應(yīng) 一、光吸收的類(lèi)型一、光吸收的類(lèi)型 一般吸收（一般吸收（ general absorption ） 在給定的波段范圍內(nèi)，若介質(zhì)對(duì)光的吸收很少，而且光在給定的波段范圍內(nèi)，若介質(zhì)對(duì)光的吸收很少，而且光吸收量與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，一般吸收意味著吸收量與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

27、在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，一般吸收意味著光光通過(guò)介質(zhì)后不改變顏色而只改變強(qiáng)度。通過(guò)介質(zhì)后不改變顏色而只改變強(qiáng)度。選擇吸收（選擇吸收（selective absorption ） 在給定的波段范圍內(nèi)，媒質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的光能比較顯在給定的波段范圍內(nèi)，媒質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的光能比較顯著。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，選擇吸收意味著著。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，選擇吸收意味著光通過(guò)介質(zhì)后既改光通過(guò)介質(zhì)后既改變顏色也改變強(qiáng)度。變顏色也改變強(qiáng)度。 如果不把光局限于可見(jiàn)光范圍以?xún)?nèi)，可以說(shuō)一切物質(zhì)都具如果不把光局限于可見(jiàn)光范圍以?xún)?nèi)，可以說(shuō)一切物質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。有一般吸收和選擇吸收兩種特性。 選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。

28、選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。 二、朗伯定律二、朗伯定律 比爾定律比爾定律 I0IlxxdII-dIxIIdd 稱(chēng)為稱(chēng)為吸收系數(shù)吸收系數(shù)，“”號(hào)號(hào)表示隨表示隨 x 增加增加 I 減小。減小。將上式積分：將上式積分：xIIlIIdd00lII0lnln朗伯定律朗伯定律lIIe0（朗伯定律的數(shù)學(xué)形式）（朗伯定律的數(shù)學(xué)形式） 引入透光率引入透光率 T 和吸收度和吸收度 A ，并定義，并定義 ，0IIT IITA0n11n1，上式表示為，上式表示為lIITe0lIIA0n1 實(shí)驗(yàn)表明，在光強(qiáng)變化相當(dāng)大的范圍（約實(shí)驗(yàn)表明，在光強(qiáng)變化相當(dāng)大的范圍（約1020倍）倍）內(nèi)，透射光強(qiáng)度滿(mǎn)足朗伯定律的數(shù)學(xué)形

29、式。因此，內(nèi)，透射光強(qiáng)度滿(mǎn)足朗伯定律的數(shù)學(xué)形式。因此，朗伯朗伯定律適用于光強(qiáng)變化相當(dāng)大的場(chǎng)合。定律適用于光強(qiáng)變化相當(dāng)大的場(chǎng)合。比爾定律比爾定律比爾定律是朗伯定律在溶液情形下的應(yīng)用。比爾定律是朗伯定律在溶液情形下的應(yīng)用。稀溶液的吸收系數(shù)與溶液濃度有關(guān)，即稀溶液的吸收系數(shù)與溶液濃度有關(guān)，即C1 朗伯定律可變?yōu)椋豪什煽勺優(yōu)椋篊lII1e0 是一個(gè)與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)，它表征了吸收物質(zhì)的是一個(gè)與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)，它表征了吸收物質(zhì)的分子特性，分子特性，C 為溶液的濃度。為溶液的濃度。 1ClIIA10n1吸收度吸收度A與濃度與濃度 C 呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系（比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）（比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式）

30、實(shí)際測(cè)量中觀察到吸收度與濃度關(guān)系偏離線性的情況，說(shuō)明實(shí)際測(cè)量中觀察到吸收度與濃度關(guān)系偏離線性的情況，說(shuō)明比爾定律的成立是有條件的。比爾定律的成立是有條件的。 比爾定律只在溶質(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不受它周?chē)徑葼柖芍辉谌苜|(zhì)分子的吸收本領(lǐng)不受它周?chē)徑肿拥挠绊憰r(shí)才成立。分子的影響時(shí)才成立。 光的反射、散射、溫度、時(shí)間、壓力等都會(huì)對(duì)比光的反射、散射、溫度、時(shí)間、壓力等都會(huì)對(duì)比爾定律產(chǎn)生影響爾定律產(chǎn)生影響 。朗伯定律始終成立，但比爾定律有時(shí)不一定成立。朗伯定律始終成立，但比爾定律有時(shí)不一定成立?？紤]考慮 loge1/2.303 ，ClII303. 2lg10令令 ， ，上式被簡(jiǎn)化為，上式被簡(jiǎn)化為IID

31、0lg303. 21ClDS2S 式中，式中，D 稱(chēng)為吸光度，稱(chēng)為吸光度， 稱(chēng)為消光系數(shù)稱(chēng)為消光系數(shù) 。這種方法。這種方法稱(chēng)為稱(chēng)為分光光度分析分光光度分析或或比色分析比色分析。MM1S平面鏡平面鏡凸透鏡凸透鏡樣品池樣品池光電管光電管1SM3棱鏡棱鏡分光光度計(jì)光路圖分光光度計(jì)光路圖三、吸收光譜三、吸收光譜 當(dāng)一束復(fù)色光透過(guò)一定厚度的介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)對(duì)光的吸當(dāng)一束復(fù)色光透過(guò)一定厚度的介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)對(duì)光的吸收作用收作用因波長(zhǎng)而異因波長(zhǎng)而異，產(chǎn)生吸收光譜。，產(chǎn)生吸收光譜。具有具有連續(xù)連續(xù)光譜的光源所發(fā)的光，通過(guò)具有光譜的光源所發(fā)的光，通過(guò)具有選擇選擇吸收特吸收特性的物質(zhì)后，用光譜儀可以觀察到，在連續(xù)的發(fā)射光

32、性的物質(zhì)后，用光譜儀可以觀察到，在連續(xù)的發(fā)射光譜中，呈現(xiàn)出與發(fā)生吸收的波長(zhǎng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的一些暗譜中，呈現(xiàn)出與發(fā)生吸收的波長(zhǎng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的一些暗線或暗帶，這就是線或暗帶，這就是吸收光譜吸收光譜。光源光源單色儀單色儀樣品室樣品室檢測(cè)儀檢測(cè)儀放大儀放大儀計(jì)算機(jī)輸計(jì)算機(jī)輸出裝置出裝置紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)原理圖紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)原理圖 若用若用原子化原子化裝置代替樣品室，就可得到某元素的原子吸裝置代替樣品室，就可得到某元素的原子吸收光譜。所謂收光譜。所謂原子化原子化就是使待測(cè)樣品中的就是使待測(cè)樣品中的原子原子達(dá)到達(dá)到霧化霧化狀態(tài)，狀態(tài)，并保證并保證霧化原子處于基態(tài)霧化原子處于基態(tài)。這樣一旦有外來(lái)光照，原子

33、便可。這樣一旦有外來(lái)光照，原子便可吸收外來(lái)光，產(chǎn)生吸收光譜。吸收外來(lái)光，產(chǎn)生吸收光譜。每種元素都有其特征吸收波長(zhǎng)和吸收光譜每種元素都有其特征吸收波長(zhǎng)和吸收光譜 原子吸收光譜廣泛應(yīng)用于定量分析中原子吸收光譜廣泛應(yīng)用于定量分析中 鈉原子吸收光譜鈉原子吸收光譜對(duì)于氣體、液體和固體對(duì)于氣體、液體和固體而言，一般在紅外區(qū)有而言，一般在紅外區(qū)有選擇吸收。吸收譜線寬選擇吸收。吸收譜線寬度增大且組成連續(xù)譜帶，度增大且組成連續(xù)譜帶，稱(chēng)為稱(chēng)為帶狀光譜帶狀光譜。紅外光。紅外光譜分析常用于科學(xué)研究譜分析常用于科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中。及生產(chǎn)實(shí)踐中。四、植物對(duì)光的吸收四、植物對(duì)光的吸收 植物對(duì)光的吸收主要靠植物對(duì)光的吸收主

34、要靠色素系統(tǒng)色素系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些色素對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些色素對(duì)300750nm的可見(jiàn)光有不同的吸收率。的可見(jiàn)光有不同的吸收率。 植物的光吸收曲線植物的光吸收曲線葉綠素、胡蘿卜素的吸收光譜葉綠素、胡蘿卜素的吸收光譜 一、光散射的基本規(guī)律一、光散射的基本規(guī)律10.4 光的散射光的散射 光束在介質(zhì)中傳播時(shí)，部分光線偏離原方向分散傳光束在介質(zhì)中傳播時(shí)，部分光線偏離原方向分散傳播的現(xiàn)象稱(chēng)為播的現(xiàn)象稱(chēng)為光的散射光的散射。 從分子理論來(lái)看，光波射入介質(zhì)后，將激起介質(zhì)從分子理論來(lái)看，光波射入介質(zhì)后，將激起介質(zhì)中的中的電子作受迫振動(dòng)電子作受迫振動(dòng)，從而發(fā)散出相干次波。只要，從而發(fā)散出相干次波。只要分子密度是均勻的，次

35、波相干迭加的結(jié)果，只剩下分子密度是均勻的，次波相干迭加的結(jié)果，只剩下遵從遵從幾何光學(xué)規(guī)律幾何光學(xué)規(guī)律的沿原方向傳播的光線，其余方的沿原方向傳播的光線，其余方向的振動(dòng)完全抵消；若介質(zhì)是向的振動(dòng)完全抵消；若介質(zhì)是不均勻不均勻的，次波的相的，次波的相干被破壞掉，從而引起光的散射。干被破壞掉，從而引起光的散射。 光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，散射會(huì)使透射光的強(qiáng)度減弱，當(dāng)僅光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，散射會(huì)使透射光的強(qiáng)度減弱，當(dāng)僅考慮散射時(shí)，透射光遵從指數(shù)衰減規(guī)律：考慮散射時(shí)，透射光遵從指數(shù)衰減規(guī)律：lseII0 實(shí)際上介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射同時(shí)存在，故透射光的實(shí)際上介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射同時(shí)存在，故透射光的強(qiáng)度為：強(qiáng)度為： lseII

36、)(0式中式中 為吸收系數(shù)，（為吸收系數(shù)，（ + ）為衰減系數(shù)。）為衰減系數(shù)。s式中式中I0為入射光強(qiáng)，為入射光強(qiáng)， 為散射系數(shù)。為散射系數(shù)。s二、光散射的基本類(lèi)型二、光散射的基本類(lèi)型 據(jù)介質(zhì)不均勻性質(zhì)的據(jù)介質(zhì)不均勻性質(zhì)的起因起因，散射分為兩類(lèi)：，散射分為兩類(lèi)：延德?tīng)柹⑸溲拥聽(tīng)柹⑸?光通過(guò)懸浮質(zhì)點(diǎn)（或微粒）的散射，如光在膠體、光通過(guò)懸浮質(zhì)點(diǎn)（或微粒）的散射，如光在膠體、乳濁液以及含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射。乳濁液以及含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射。分子散射分子散射 在表面看來(lái)十分純凈、均勻的液體和氣體中，也在表面看來(lái)十分純凈、均勻的液體和氣體中，也能觀察到能觀察到較微弱的較微弱的散射。這種

37、因介質(zhì)分子的密度漲散射。這種因介質(zhì)分子的密度漲落而引起的散射稱(chēng)為分子散射。物質(zhì)處于氣、液二落而引起的散射稱(chēng)為分子散射。物質(zhì)處于氣、液二相的臨界點(diǎn)時(shí)，密度漲落很大，在光線照射下會(huì)的相的臨界點(diǎn)時(shí)，密度漲落很大，在光線照射下會(huì)的出現(xiàn)強(qiáng)烈散射，亦屬分子散射。出現(xiàn)強(qiáng)烈散射，亦屬分子散射。 三、瑞利散射與喇曼散射三、瑞利散射與喇曼散射 瑞利散射瑞利散射 瑞利首先研究了第二類(lèi)散射的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)散射光與瑞利首先研究了第二類(lèi)散射的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)散射光與入射光的頻率相同，因此，這類(lèi)散射又稱(chēng)入射光的頻率相同，因此，這類(lèi)散射又稱(chēng)瑞利散射瑞利散射。41I（瑞利散射定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式（瑞利散射定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 ）利用瑞利散射定利

38、用瑞利散射定律可以解釋旭日律可以解釋旭日與夕陽(yáng)的色彩。與夕陽(yáng)的色彩。地球正午時(shí)的太陽(yáng)正午時(shí)的太陽(yáng)傍晚時(shí)的太陽(yáng)傍晚時(shí)的太陽(yáng)散射原理廣泛應(yīng)用于飲散射原理廣泛應(yīng)用于飲料與藥物純度的檢驗(yàn)料與藥物純度的檢驗(yàn) 。 喇曼散射喇曼散射 1928年，印度科學(xué)家喇曼在研究溶液對(duì)光的散射年，印度科學(xué)家喇曼在研究溶液對(duì)光的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光中除了有與入射光頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光中除了有與入射光頻率 0相同的瑞利相同的瑞利光外，還有一部分散射光的頻率與入射光不同，這種光外，還有一部分散射光的頻率與入射光不同，這種散射光的頻率為散射光的頻率為 0s 這種散射光的波長(zhǎng)不同于入射光的波長(zhǎng)的散射現(xiàn)這種散射光的波長(zhǎng)不同于入射光的波長(zhǎng)

39、的散射現(xiàn)象稱(chēng)象稱(chēng)喇曼散射喇曼散射，相應(yīng)的光譜稱(chēng)為，相應(yīng)的光譜稱(chēng)為喇曼光譜喇曼光譜。應(yīng)用：應(yīng)用： 研究分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的一種主要方法。研究分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的一種主要方法。激光的出現(xiàn)，使喇曼光譜技術(shù)獲得了新生，從而得以迅激光的出現(xiàn)，使喇曼光譜技術(shù)獲得了新生，從而得以迅速發(fā)展。速發(fā)展。 喇曼在喇曼散射方面卓有成效的研究，使他榮獲喇曼在喇曼散射方面卓有成效的研究，使他榮獲1930年諾貝爾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他是印度，也是亞洲第一位獲此殊榮的科學(xué)家。物理學(xué)獎(jiǎng)。他是印度，也是亞洲第一位獲此殊榮的科學(xué)家。四、散射現(xiàn)象的量子解釋四、散射現(xiàn)象的量子解釋 在散射過(guò)程中，入射光子與介質(zhì)分子發(fā)生彈性碰撞，在散射過(guò)程

40、中，入射光子與介質(zhì)分子發(fā)生彈性碰撞，分子吸收并且立即發(fā)射光子，大多數(shù)分子在這過(guò)程中分子吸收并且立即發(fā)射光子，大多數(shù)分子在這過(guò)程中仍回到原來(lái)能級(jí)，光子能量不變，散射光的頻率與入仍回到原來(lái)能級(jí)，光子能量不變，散射光的頻率與入射光的頻率相同，這就是射光的頻率相同，這就是瑞利散射瑞利散射。 在在喇曼散射喇曼散射中，光子與分子之間是非彈性碰撞。有中，光子與分子之間是非彈性碰撞。有些分子些分子吸收吸收光子的一部分能量，回到較高的振動(dòng)能級(jí)，光子的一部分能量，回到較高的振動(dòng)能級(jí)，散射光子散射光子減少了能量，增加了波長(zhǎng)減少了能量，增加了波長(zhǎng)(減少了頻率減少了頻率)，這，這就形成喇曼散射的紅伴線。有一些分子原先處

41、于較高就形成喇曼散射的紅伴線。有一些分子原先處于較高的振動(dòng)能級(jí)，給予的振動(dòng)能級(jí)，給予光子一部分能量后回到較低能級(jí)光子一部分能量后回到較低能級(jí)，散射光子增加了能量，減少波長(zhǎng)散射光子增加了能量，減少波長(zhǎng)(增加頻率增加頻率)這就形成這就形成喇曼散射的紫伴線。由于光子失去或獲得的能量等于喇曼散射的紫伴線。由于光子失去或獲得的能量等于分子分子振動(dòng)能級(jí)差振動(dòng)能級(jí)差，所以入射光子與散射光子的頻率差，所以入射光子與散射光子的頻率差正好等于正好等于分子的振動(dòng)頻率分子的振動(dòng)頻率。 一、色散率一、色散率10.5 光的色散光的色散 光在物質(zhì)中傳播時(shí)，其速度將比真空中小，而且不光在物質(zhì)中傳播時(shí)，其速度將比真空中小，而且

42、不同頻率的光在同一物質(zhì)中的傳播速度不同。因此，物同頻率的光在同一物質(zhì)中的傳播速度不同。因此，物質(zhì)的折射率隨光的波長(zhǎng)的不同而改變，這一現(xiàn)象稱(chēng)為質(zhì)的折射率隨光的波長(zhǎng)的不同而改變，這一現(xiàn)象稱(chēng)為色散色散。色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果。色散現(xiàn)象也是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果 。對(duì)于給定的介質(zhì)而言，折射率對(duì)于給定的介質(zhì)而言，折射率n是波長(zhǎng)是波長(zhǎng) 的函數(shù)，即的函數(shù)，即 nn( )色散率色散率ddn棱鏡折射率與頂角棱鏡折射率與頂角 和最小偏向角和最小偏向角 關(guān)系關(guān)系2sin2sinn 測(cè)得不同波長(zhǎng)的光線通過(guò)棱鏡的最小偏向角，可以按測(cè)得不同波長(zhǎng)的光線通過(guò)棱鏡的最小偏向角，可以按照上式計(jì)算出棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光的

43、折射率，從而可繪照上式計(jì)算出棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光的折射率，從而可繪出棱鏡的色散曲線（即折射率出棱鏡的色散曲線（即折射率n與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線）。與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線）。二、正常色散二、正常色散幾種材料的色散曲線幾種材料的色散曲線曲線特點(diǎn)：曲線特點(diǎn)：具有以上特點(diǎn)的色散稱(chēng)為具有以上特點(diǎn)的色散稱(chēng)為正常色散正常色散 。波長(zhǎng)波長(zhǎng) 越短，折越短，折射率射率n越大；越大；波長(zhǎng)波長(zhǎng) 越短，色越短，色散率散率 越大；越大；波長(zhǎng)波長(zhǎng) 很長(zhǎng)時(shí)，折很長(zhǎng)時(shí)，折射率射率n趨于定值；趨于定值；不同物質(zhì)的色散曲線沒(méi)不同物質(zhì)的色散曲線沒(méi)有簡(jiǎn)單的相似關(guān)系。有簡(jiǎn)單的相似關(guān)系。科希于科希于1836年給出了正常色散的折射率與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系：年給

44、出了正常色散的折射率與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系：42CBAn 式中式中 為真空中的波長(zhǎng)，為真空中的波長(zhǎng)，A、B、C 為取決于介質(zhì)性質(zhì)的為取決于介質(zhì)性質(zhì)的常量，其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。常量，其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。當(dāng)波長(zhǎng)變化范圍不大時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為當(dāng)波長(zhǎng)變化范圍不大時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為2BAn介質(zhì)的色散率介質(zhì)的色散率 32ddBn 上式表明上式表明dn/d 0（常數(shù)常數(shù)B始終為正），并且色散率的數(shù)始終為正），并且色散率的數(shù)值隨波長(zhǎng)的增加而減小，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的正常色散曲線相符。值隨波長(zhǎng)的增加而減小，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的正常色散曲線相符。 三、反常色散三、反常色散 1862年，年，勒魯勒魯用碘蒸氣充滿(mǎn)三棱柱形容器研究光的折用碘蒸氣

45、充滿(mǎn)三棱柱形容器研究光的折射現(xiàn)象，觀察到射現(xiàn)象，觀察到紫光的折射率比紅光的小紫光的折射率比紅光的小，因這一現(xiàn)象，因這一現(xiàn)象與正常色散相反，勒魯稱(chēng)其為與正常色散相反，勒魯稱(chēng)其為反常色散反常色散。反常色散總是發(fā)生在物質(zhì)的反常色散總是發(fā)生在物質(zhì)的選擇吸收選擇吸收帶。帶。氰苷溶液色散的實(shí)驗(yàn)曲線氰苷溶液色散的實(shí)驗(yàn)曲線 曲線上從曲線上從M點(diǎn)到點(diǎn)到N點(diǎn)為選擇點(diǎn)為選擇吸收區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，吸收區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，折射率隨著波長(zhǎng)的減小而折射率隨著波長(zhǎng)的減小而減小，即減小，即反常色散反常色散 。在吸收區(qū)域外，折射率隨在吸收區(qū)域外，折射率隨著波長(zhǎng)的減小而增大，是著波長(zhǎng)的減小而增大，是正常色散正常色散。 石英的色散曲線

46、石英的色散曲線 可見(jiàn)光區(qū)的折射率滿(mǎn)足科?？梢?jiàn)光區(qū)的折射率滿(mǎn)足科希公式（曲線公式（曲線PQ段），因此，段），因此，在可見(jiàn)光區(qū)域是正常色散在可見(jiàn)光區(qū)域是正常色散 若向紅外區(qū)域延伸，在吸若向紅外區(qū)域延伸，在吸收帶收帶(圖中圖中R點(diǎn)點(diǎn))附近，明顯附近，明顯偏離正常色散曲線偏離正常色散曲線 過(guò)了吸收帶重新進(jìn)入透明波段過(guò)了吸收帶重新進(jìn)入透明波段時(shí)，曲線又逐漸恢復(fù)為正常色時(shí)，曲線又逐漸恢復(fù)為正常色散曲線散曲線 總結(jié)總結(jié)物質(zhì)的色散曲線物質(zhì)的色散曲線都是都是由正常色散區(qū)域和反常色散區(qū)由正常色散區(qū)域和反常色散區(qū)域所構(gòu)成的。域所構(gòu)成的。不論是氣體、液體或固體介質(zhì)，在一定的波長(zhǎng)區(qū)域不論是氣體、液體或固體介質(zhì)，在一定的

47、波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，都會(huì)有內(nèi)，都會(huì)有選擇吸收選擇吸收，在這些區(qū)域中總是，在這些區(qū)域中總是表現(xiàn)出反表現(xiàn)出反常色散常色散。 一、熱效應(yīng)一、熱效應(yīng)10.6 激光的生物學(xué)效應(yīng)激光的生物學(xué)效應(yīng) 激光生物效應(yīng)一般是指激光激光生物效應(yīng)一般是指激光作用于生物體作用于生物體可能產(chǎn)生的可能產(chǎn)生的物理、化學(xué)或生物學(xué)的反應(yīng)物理、化學(xué)或生物學(xué)的反應(yīng) 。實(shí)現(xiàn)的兩種途徑：實(shí)現(xiàn)的兩種途徑：碰撞碰撞吸收吸收 熱效應(yīng)的強(qiáng)弱既取決于激光的強(qiáng)度、照射面積熱效應(yīng)的強(qiáng)弱既取決于激光的強(qiáng)度、照射面積和照射時(shí)間，也取決于生物組織的吸光率、比熱、和照射時(shí)間，也取決于生物組織的吸光率、比熱、熱導(dǎo)率等物理參數(shù)。熱導(dǎo)率等物理參數(shù)。二、光化學(xué)效應(yīng)二、光化學(xué)效

48、應(yīng) 光化學(xué)效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)是指在光的作用下產(chǎn)生的生物化學(xué)反應(yīng)。是指在光的作用下產(chǎn)生的生物化學(xué)反應(yīng)。光能可提高某些生物化學(xué)反應(yīng)的速率。光能可提高某些生物化學(xué)反應(yīng)的速率。 光化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)階段：光化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)階段：原初光化學(xué)反應(yīng)原初光化學(xué)反應(yīng)繼發(fā)光化學(xué)反應(yīng)繼發(fā)光化學(xué)反應(yīng)生成具有高度化生成具有高度化學(xué)活性、不穩(wěn)定學(xué)活性、不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，如的中間產(chǎn)物，如自由基，離子自由基，離子極不穩(wěn)定的產(chǎn)物繼續(xù)極不穩(wěn)定的產(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，直至進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，直至形成穩(wěn)定的產(chǎn)物形成穩(wěn)定的產(chǎn)物 光合作用、光敏化作用、視覺(jué)作用等都是典型的光化學(xué)反應(yīng)。光合作用、光敏化作用、視覺(jué)作用等都是典型的光化學(xué)反應(yīng)。 三、機(jī)械效應(yīng)三

49、、機(jī)械效應(yīng) 當(dāng)生物組織吸收激光能量時(shí)，如果能量密度超過(guò)某一當(dāng)生物組織吸收激光能量時(shí)，如果能量密度超過(guò)某一確定闌值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生汽化并伴有機(jī)械波，若能量密度低確定闌值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生汽化并伴有機(jī)械波，若能量密度低于該閾值，就只產(chǎn)生機(jī)構(gòu)波，這就是所謂的于該閾值，就只產(chǎn)生機(jī)構(gòu)波，這就是所謂的機(jī)械效應(yīng)機(jī)械效應(yīng)。 光不僅具有波動(dòng)性，還具有粒子性，即光子有質(zhì)量光不僅具有波動(dòng)性，還具有粒子性，即光子有質(zhì)量有動(dòng)量，因而光子撞擊有動(dòng)量，因而光子撞擊(照射照射)物體時(shí)必然會(huì)給受照處施物體時(shí)必然會(huì)給受照處施以壓力，稱(chēng)為以壓力，稱(chēng)為光壓光壓 。 激光是高強(qiáng)度光源，它對(duì)生物體可產(chǎn)生一次壓力和激光是高強(qiáng)度光源，它對(duì)生物體可產(chǎn)生

50、一次壓力和二次壓力，輻射壓強(qiáng)為二次壓力，輻射壓強(qiáng)為一次壓力一次壓力，熱膨脹壓強(qiáng)、聲波，熱膨脹壓強(qiáng)、聲波和蒸發(fā)壓強(qiáng)、電致伸縮壓強(qiáng)等為和蒸發(fā)壓強(qiáng)、電致伸縮壓強(qiáng)等為二次壓力二次壓力。 四、電磁場(chǎng)效應(yīng)四、電磁場(chǎng)效應(yīng) 激光作用于生物組織引起生物組織變化稱(chēng)之為激光作用于生物組織引起生物組織變化稱(chēng)之為激光生激光生物電磁場(chǎng)效應(yīng)。物電磁場(chǎng)效應(yīng)。 電磁場(chǎng)作用于生物組織時(shí)起作用的只是電磁場(chǎng)作用于生物組織時(shí)起作用的只是電場(chǎng)電場(chǎng)。激光的激光的電場(chǎng)強(qiáng)度與激光的功率密度有關(guān)。電場(chǎng)強(qiáng)度與激光的功率密度有關(guān)。 三種類(lèi)型：三種類(lèi)型：喇曼散射喇曼散射 受激喇曼散射受激喇曼散射 受激布里淵散射受激布里淵散射 五、刺激效應(yīng)五、刺激效應(yīng)

51、 當(dāng)激光照射生物組織時(shí)，如果強(qiáng)度不是很高，就不會(huì)對(duì)當(dāng)激光照射生物組織時(shí)，如果強(qiáng)度不是很高，就不會(huì)對(duì)生物組織直接造成不可逆性的損傷，而只是產(chǎn)生某種刺生物組織直接造成不可逆性的損傷，而只是產(chǎn)生某種刺激作用，這與超聲波、針刺、艾炙及熱輻射等因子所產(chǎn)激作用，這與超聲波、針刺、艾炙及熱輻射等因子所產(chǎn)生的效應(yīng)相類(lèi)似，稱(chēng)為生的效應(yīng)相類(lèi)似，稱(chēng)為激光生物刺激效應(yīng)激光生物刺激效應(yīng)。刺激效應(yīng)是低功率激光作用的結(jié)果，無(wú)法用前述的作刺激效應(yīng)是低功率激光作用的結(jié)果，無(wú)法用前述的作用來(lái)解釋。用來(lái)解釋。 一般把產(chǎn)生生物刺激效應(yīng)的激光稱(chēng)為一般把產(chǎn)生生物刺激效應(yīng)的激光稱(chēng)為“弱激光弱激光”。當(dāng)用弱激光照射生物機(jī)體時(shí)，激光本身只是一

52、種當(dāng)用弱激光照射生物機(jī)體時(shí)，激光本身只是一種刺激源。生物機(jī)體對(duì)這種刺激的應(yīng)答反應(yīng)可能是刺激源。生物機(jī)體對(duì)這種刺激的應(yīng)答反應(yīng)可能是興奮，也可能是抑制興奮，也可能是抑制 ?？偨Y(jié)：總結(jié)：據(jù)機(jī)理劃分：據(jù)機(jī)理劃分：熱效應(yīng)熱效應(yīng)非熱效應(yīng)非熱效應(yīng)通過(guò)發(fā)熱與生物體發(fā)生作用通過(guò)發(fā)熱與生物體發(fā)生作用 通過(guò)光壓、電磁、光化學(xué)等方通過(guò)光壓、電磁、光化學(xué)等方式與生物體發(fā)生作用式與生物體發(fā)生作用 據(jù)強(qiáng)度劃分：據(jù)強(qiáng)度劃分：強(qiáng)光生物學(xué)效應(yīng)強(qiáng)光生物學(xué)效應(yīng)弱光生物學(xué)效應(yīng)弱光生物學(xué)效應(yīng)生物材料一般會(huì)發(fā)生汽化、生物材料一般會(huì)發(fā)生汽化、蒸發(fā)、熱凝、熱殺、切斷蒸發(fā)、熱凝、熱殺、切斷等變化等變化 生物組織一般不會(huì)出現(xiàn)大生物組織一般不會(huì)出現(xiàn)

53、大的損傷，僅可能在遺傳、的損傷，僅可能在遺傳、代謝等方面出現(xiàn)變化代謝等方面出現(xiàn)變化 10.7 激光在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)中的應(yīng)用激光在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)中的應(yīng)用 一、激光檢測(cè)技術(shù)一、激光檢測(cè)技術(shù) 物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ) 低強(qiáng)度激光照射生命物質(zhì)后，被吸收、反射或產(chǎn)低強(qiáng)度激光照射生命物質(zhì)后，被吸收、反射或產(chǎn)生熒光輻射，這對(duì)生命物質(zhì)的作用不是很大。但這種生熒光輻射，這對(duì)生命物質(zhì)的作用不是很大。但這種吸收、反射或熒光輻射與生物物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)和狀吸收、反射或熒光輻射與生物物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，因而帶有大量與生命物質(zhì)特性有關(guān)的信息。態(tài)有關(guān)，因而帶有大量與生命物質(zhì)特性有關(guān)的信息。對(duì)其進(jìn)行分析就可以了解被輻射生命物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成對(duì)其進(jìn)行分析就可以了解被輻射生命物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成狀態(tài)。狀態(tài)。激光熒光光譜技術(shù)激光熒光光譜技術(shù) 利用元素的特征熒光光譜進(jìn)行化