1.1輻射理論基礎(chǔ)概要ppt課件

1、第一章第一章 輻射理論基礎(chǔ)概要輻射理論基礎(chǔ)概要 與激光產(chǎn)生與激光產(chǎn)生 的條件的條件實(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11 11 光的波粒二象性光的波粒二象性一一. . 光的發(fā)展簡(jiǎn)史光的發(fā)展簡(jiǎn)史1. 1. 牛頓和惠更斯與光的理論學(xué)說(shuō)牛頓和惠更斯與光的理論學(xué)說(shuō) 牛頓在牛頓在16691669年提出光的年提出光的“微粒說(shuō)微粒說(shuō)”.”.他認(rèn)為光是從光他認(rèn)為光是從光源發(fā)源發(fā) 出的一種光微粒流出的一種光微粒流, ,具有直線(xiàn)傳播的性質(zhì)具有直線(xiàn)傳播的性質(zhì). .光微粒流有光微粒流有彈性彈性, ,并且能被某些物質(zhì)吸收并且能被某些物

2、質(zhì)吸收. .光微粒流遇到物質(zhì)時(shí)光微粒流遇到物質(zhì)時(shí), ,如果不如果不被吸收被吸收, ,就會(huì)被彈回來(lái)就會(huì)被彈回來(lái). . 惠更斯在惠更斯在16781678年提出光的年提出光的“波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)”.”.他認(rèn)為光從一他認(rèn)為光從一處傳播到另一處處傳播到另一處, ,是和水波類(lèi)似的波是和水波類(lèi)似的波. . 這兩學(xué)說(shuō)在相互爭(zhēng)論中發(fā)展這兩學(xué)說(shuō)在相互爭(zhēng)論中發(fā)展, ,一直持續(xù)了一直持續(xù)了200200多年多年, ,牛牛頓的微粒說(shuō)能圓滿(mǎn)地解釋光的直線(xiàn)傳播、反射等現(xiàn)象頓的微粒說(shuō)能圓滿(mǎn)地解釋光的直線(xiàn)傳播、反射等現(xiàn)象, ,因因而在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)占統(tǒng)治地位而在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)占統(tǒng)治地位. .但后來(lái)人們又在實(shí)驗(yàn)中但后來(lái)人們又在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)

3、發(fā)現(xiàn), ,微粒說(shuō)不能解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象微粒說(shuō)不能解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象. .這就促使科這就促使科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌拇鸢笇W(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌拇鸢? . 2. 2. 麥克斯韋建立了光的電磁理論麥克斯韋建立了光的電磁理論 19 19世紀(jì)初世紀(jì)初, ,電的發(fā)明和應(yīng)用電的發(fā)明和應(yīng)用, ,將人類(lèi)帶進(jìn)了電器時(shí)代。將人類(lèi)帶進(jìn)了電器時(shí)代。18631863年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋，以庫(kù)侖、安培、法拉第在年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋，以庫(kù)侖、安培、法拉第在電學(xué)上的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)作了進(jìn)一步發(fā)展，創(chuàng)立了電磁波理論。電學(xué)上的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)作了進(jìn)一步發(fā)展，創(chuàng)立了電磁波理論。其要點(diǎn)是：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，其要點(diǎn)是：變化

4、的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，二者交替產(chǎn)生由近及遠(yuǎn)的傳播，既電磁波。并建立了著名二者交替產(chǎn)生由近及遠(yuǎn)的傳播，既電磁波。并建立了著名的麥克斯韋方程。的麥克斯韋方程。18871887年赫茲用實(shí)驗(yàn)的方法產(chǎn)生了電磁波，年赫茲用實(shí)驗(yàn)的方法產(chǎn)生了電磁波，證實(shí)了麥克斯韋的電磁波理論。證實(shí)了麥克斯韋的電磁波理論。19011901年俄國(guó)物理學(xué)家列別年俄國(guó)物理學(xué)家列別捷夫用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了光壓，結(jié)果與電磁理論十分相互，從而捷夫用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了光壓，結(jié)果與電磁理論十分相互，從而進(jìn)一步鞏固了光的電磁理論，麥克斯韋電磁波的傳播速度進(jìn)一步鞏固了光的電磁理論，麥克斯韋電磁波的傳播速度上有限的上有限的 ，其速度在真空中為每秒，其

5、速度在真空中為每秒3030萬(wàn)公里，與光速一萬(wàn)公里，與光速一樣，從而確認(rèn)了光波也是電磁波。樣，從而確認(rèn)了光波也是電磁波。 應(yīng)用光的電磁波理論應(yīng)用光的電磁波理論, ,基本上能比較完滿(mǎn)地解釋光的基本上能比較完滿(mǎn)地解釋光的發(fā)射、折射、干涉、衍射、偏振、雙折射等與光的傳播性發(fā)射、折射、干涉、衍射、偏振、雙折射等與光的傳播性有關(guān)的一系列重要現(xiàn)象。有關(guān)的一系列重要現(xiàn)象。3. 3. 愛(ài)因斯坦站在了巨人肩膀上愛(ài)因斯坦站在了巨人肩膀上 電磁波理論雖然使光的波動(dòng)說(shuō)一度占領(lǐng)了光學(xué)領(lǐng)電磁波理論雖然使光的波動(dòng)說(shuō)一度占領(lǐng)了光學(xué)領(lǐng)域，但域，但1919世紀(jì)末，實(shí)踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許世紀(jì)末，實(shí)踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用

6、的許多多 現(xiàn)象卻無(wú)法解釋?zhuān)绾隗w輻射、光的吸收與發(fā)射、現(xiàn)象卻無(wú)法解釋?zhuān)绾隗w輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)等。光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)等。19051905年，愛(ài)因斯坦發(fā)展了普年，愛(ài)因斯坦發(fā)展了普朗克的量子假說(shuō)，在一種全新的物理意義上提出了光子朗克的量子假說(shuō)，在一種全新的物理意義上提出了光子學(xué)說(shuō)。學(xué)說(shuō)。 光在本質(zhì)上是由一些具有確定能量和動(dòng)量的物質(zhì)微光在本質(zhì)上是由一些具有確定能量和動(dòng)量的物質(zhì)微粒粒光量子或光子所組成，而光子的能量和動(dòng)量的數(shù)光量子或光子所組成，而光子的能量和動(dòng)量的數(shù)值，與一定的光的頻率或波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，即值，與一定的光的頻率或波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，即 hEchp 愛(ài)因斯坦認(rèn)為光子既是粒子、

7、同時(shí)又是波。光在愛(ài)因斯坦認(rèn)為光子既是粒子、同時(shí)又是波。光在與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子性明顯，光在傳播中則波動(dòng)性突與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子性明顯，光在傳播中則波動(dòng)性突出。光的這種粒子性和波動(dòng)性相互對(duì)立又并存的性質(zhì)，出。光的這種粒子性和波動(dòng)性相互對(duì)立又并存的性質(zhì)，叫做光的叫做光的“波粒二象性波粒二象性”。二二. . 光的波粒二象性光的波粒二象性1、光波、光波波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為4000埃埃7600埃的電磁波埃的電磁波電磁波電磁波-電磁場(chǎng)是電磁場(chǎng)是E E和和B B的振動(dòng)由近及遠(yuǎn)傳播的過(guò)程的振動(dòng)由近及遠(yuǎn)傳播的過(guò)程uZXYEB電矢量叫做光矢量電矢量叫做光矢量,光波是橫波光波是橫波.對(duì)電磁場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)-用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的用經(jīng)典

8、電動(dòng)力學(xué)的MaxwellMaxwell方程組描述方程組描述（1） 線(xiàn)偏振光 偏振光線(xiàn)偏振光）偏振光線(xiàn)偏振光）符號(hào)表示符號(hào)表示光振動(dòng)只沿某一固定方向的光光振動(dòng)只沿某一固定方向的光 .振動(dòng)面振動(dòng)面vE(2)(2)自然光自然光z傳播方向（3） 光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系(a)(a)波長(zhǎng)波長(zhǎng): :振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。(b)(b)光速光速(c)(c)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)(d)(d)三者的關(guān)系三者的關(guān)系882.998 10/3 10/cm sm s T1在真空中 0c)(0c 各種介質(zhì)中

9、傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度各不相同 （4） 單色平面波 波面相位相同的空間各點(diǎn)構(gòu)成的面平波面波面是彼此平行的平面,且在無(wú)吸收介質(zhì)中傳播時(shí),波的振幅保持不變。BEpZXYr單色平波面具有單一頻率的平面波。v I(v) 0 v0 實(shí)際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。當(dāng)vv0時(shí)，就叫準(zhǔn)單色波。 )(vI)(0vI2)(0vIBEpZXYr簡(jiǎn)諧波理想單色平面波tpp00cos.簡(jiǎn)諧振子模型vtEtEE2cos cos00vtBtBB2cos cos00 兩式統(tǒng)一寫(xiě)成vtUtUU2cos cos00.簡(jiǎn)諧波方程)(cos) (cos00cztUtUU)22cos()(cos00

10、zTtUcztUU光波具有時(shí)間周期性和空間周期性 電磁波的傳播.簡(jiǎn)諧波波矢空間角頻率0n2k波矢k是一個(gè)矢量，方向沿著光線(xiàn)傳播的方向。.光波模光波模以某一波矢以某一波矢 為標(biāo)記的駐波為標(biāo)記的駐波0n2k在激光理論中，光波模是一個(gè)很重要的概念。麥?zhǔn)戏匠痰慕恹準(zhǔn)戏匠痰慕馓亟猓簡(jiǎn)紊矫娌?。特解：?jiǎn)紊矫娌āＭń猓阂幌盗袉紊矫娌ǖ寞B加。通解：一系列單色平面波的疊加。自由空間中的電磁波自由空間中的電磁波:任意波矢的平面波均可以存在任意波矢的平面波均可以存在! 受邊界條件限制空間的電磁波：一系列獨(dú)立的受邊界條件限制空間的電磁波：一系列獨(dú)立的具有特定波矢具有特定波矢 的平面單色駐波。即只允許駐波的平面單色

11、駐波。即只允許駐波光模式存在！光模式存在！k一種模式是電磁波運(yùn)動(dòng)的一種類(lèi)型，不同模式以不同的k 區(qū)分。2、 光子引言：愛(ài)因斯坦斷言：光是由光子組成引言：愛(ài)因斯坦斷言：光是由光子組成（一）.光子的基本性質(zhì) 一定種類(lèi)的光子的能量,與一定的光的頻率相對(duì)應(yīng)= h v v 光的頻率 h 普朗克常數(shù) .一定種類(lèi)的光子的質(zhì)量可表達(dá)為22chvcm考慮相對(duì)論要求201cmmm0 光子的靜止質(zhì)量 光子的速度對(duì)于光子 m0 = 0 =c.一定種類(lèi)的光子具有動(dòng)量P,與一定的光的頻率和傳播方向相聯(lián)系kP00nnchvmcn0 光子 行進(jìn)方向上的單位矢量2h02nkk 平面波的波矢，它表示平面波的波矢，它表示2長(zhǎng)度內(nèi)含有的長(zhǎng)度內(nèi)含有的“完好完