大學(xué)物理最后2章

1、1一、激光一、激光基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)定態(tài)定態(tài)能量有確定的值能量有確定的值1、輻射躍遷的三種方式、輻射躍遷的三種方式（1）自發(fā)輻射躍遷）自發(fā)輻射躍遷原子不受外界影響自發(fā)地從高能級向原子不受外界影響自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，發(fā)射光子低能級躍遷，發(fā)射光子21 h2E1E 21 h自發(fā)輻射躍遷通常情況下概率較大自發(fā)輻射躍遷通常情況下概率較大（2）受激輻射躍遷）受激輻射躍遷原子在外來光子的引發(fā)下從高能級向低原子在外來光子的引發(fā)下從高能級向低 能級躍遷能級躍遷 h h2E1E h16章章 激光和半導(dǎo)體激光和半導(dǎo)體 2學(xué)時學(xué)時12EEh 新光子與引發(fā)光子的能量是相同的新光子與引發(fā)光子的能量是相同的2（3

2、）吸收躍遷）吸收躍遷與（與（1）（）（2）相反，當(dāng)外來光子的頻）相反，當(dāng)外來光子的頻率滿足率滿足h=E2-E1時也可使低能級上的原子吸收外來光子從時也可使低能級上的原子吸收外來光子從低能級向高能級躍遷低能級向高能級躍遷2E1E21 h所以當(dāng)外來光子頻率滿足所以當(dāng)外來光子頻率滿足h=E2-E1時與原子相互作用有兩時與原子相互作用有兩種可能性種可能性引發(fā)新光子引發(fā)新光子2E1E 21 h21 h21 h受激輻射受激輻射被原子吸收被原子吸收2E1E21 h吸收輻射吸收輻射當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來輻射照射時，這三種過程均有。但當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來輻射照射時，這三種過程均有。但概概率較大的為自發(fā)輻射率較大的為自

3、發(fā)輻射輻射躍遷的三種不同形式輻射躍遷的三種不同形式2E1E 21 h32、激光、激光為什么在普通光源中不能獲得激光？為什么在普通光源中不能獲得激光？受激輻射情況不同受激輻射情況不同1E2E h h h h h h h h h h h h h h h光子數(shù)放大光子數(shù)放大受激輻射導(dǎo)致受激輻射導(dǎo)致12EEh 各個原子的發(fā)光過程互不相關(guān)各個原子的發(fā)光過程互不相關(guān)輻射輻射的光的方向、位相、偏振等彼此無關(guān)的光的方向、位相、偏振等彼此無關(guān)主要是自發(fā)輻射躍遷主要是自發(fā)輻射躍遷光的方向、位相、偏振態(tài)、光的方向、位相、偏振態(tài)、E-、P-2E1E 普通光源普通光源獲得激光獲得激光外界條件下外界條件下自發(fā)輻射自發(fā)輻射

4、 只要使原子產(chǎn)生受激輻射只要使原子產(chǎn)生受激輻射獲得激光？獲得激光？4問題在于問題在于1）受激輻射與吸收輻射）受激輻射與吸收輻射 總是同時存在總是同時存在 2）通常光源中低能級上的原子數(shù)比高能級上）通常光源中低能級上的原子數(shù)比高能級上的原子數(shù)多得多的原子數(shù)多得多為了實現(xiàn)光子數(shù)放大，必須設(shè)法使兩為了實現(xiàn)光子數(shù)放大，必須設(shè)法使兩個能級上的原子數(shù)目的關(guān)系倒過來：個能級上的原子數(shù)目的關(guān)系倒過來：1E2E 使使12EENN 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) h h h h h h h實現(xiàn)實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”是獲得激光是獲得激光（實現(xiàn)光子數(shù)放大）的必要條件（實現(xiàn)光子數(shù)放大）的必要條件如何實現(xiàn)如何實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

5、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”？1E2E 高能級上的原子越多產(chǎn)生受激輻射的概率就越大高能級上的原子越多產(chǎn)生受激輻射的概率就越大5實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1、有適當(dāng)?shù)募钅茉础⒂羞m當(dāng)?shù)募钅茉慈绾问乖釉诩ぐl(fā)態(tài)上停留的時間長一些？如何使原子在激發(fā)態(tài)上停留的時間長一些？氦、氖、氬以及錳等幾種元素的原子存在某些特殊的激發(fā)態(tài)氦、氖、氬以及錳等幾種元素的原子存在某些特殊的激發(fā)態(tài)原原子如果被激發(fā)到這些態(tài)上停留的時間長一些子如果被激發(fā)到這些態(tài)上停留的時間長一些10-3s（提高（提高45個數(shù)量個數(shù)量級）級）如如Ne原子原子2、利用具有亞穩(wěn)態(tài)的元素做工作物質(zhì)、利用具有亞穩(wěn)態(tài)的元素做工作物質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)基態(tài)2p態(tài)態(tài)s2s3

6、 維持引發(fā)受激輻射所須的維持引發(fā)受激輻射所須的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件利用具有亞穩(wěn)態(tài)的元素做工作物質(zhì)是利用具有亞穩(wěn)態(tài)的元素做工作物質(zhì)是如可通過如可通過1）外來強(qiáng)光照射）外來強(qiáng)光照射 2）氣體放電過程中電子）氣體放電過程中電子或原子的碰撞或原子的碰撞 3）化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量將基態(tài)原子激）化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量將基態(tài)原子激發(fā)的高能態(tài)發(fā)的高能態(tài)10-710-8s6實際上在實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的受激輻射仍很弱。實際上在實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的受激輻射仍很弱。為了得到強(qiáng)激光，將實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)條件的工作物質(zhì)夾在兩為了得到強(qiáng)激光，將實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)條件的工作物質(zhì)夾在兩個相互平行的反射鏡之間個相互平行的反射鏡之間，使

7、光沿軸向來回反射，不，使光沿軸向來回反射，不斷引發(fā)新的輻射。斷引發(fā)新的輻射。半透鏡半透鏡光諧振器光諧振器從諧振器出射的光具有以下幾個特點(diǎn)：從諧振器出射的光具有以下幾個特點(diǎn)： 1、方向性好方向性好（沿軸方向以外的雜散光通過腔壁發(fā)散的外面）（沿軸方向以外的雜散光通過腔壁發(fā)散的外面）激光束的發(fā)射角很小，比普通探照燈光小激光束的發(fā)射角很小，比普通探照燈光小100100多萬倍。激多萬倍。激光的發(fā)射角大致等于激光器端部通光圓面（直徑設(shè)為光的發(fā)射角大致等于激光器端部通光圓面（直徑設(shè)為d）的衍射愛利斑的角直徑，即的衍射愛利斑的角直徑，即1.22/1.22/d。由于一般。由于一般電子電子-空空穴對穴對17(2)

8、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅晶內(nèi)摻入少量三價元素，如硼在硅晶內(nèi)摻入少量三價元素，如硼 4 4 3 4 空穴空穴此時，硼原子此時，硼原子“ 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)”理論上算出：理論上算出： “受主受主”的能級位于價帶上不遠(yuǎn)處的能級位于價帶上不遠(yuǎn)處滿帶空帶空帶受主能級受主能級 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主，以空穴導(dǎo)電為主，少量電子少量電子空穴對參與導(dǎo)電空穴對參與導(dǎo)電數(shù)數(shù)電子電子空穴對空穴對18這部分要求這部分要求1、什么是能帶？什么是許可帶，禁帶，導(dǎo)帶，價帶，滿、什么是能帶？什么是許可帶，禁帶，導(dǎo)帶，價帶，滿帶？帶？2、如何區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)圖？、如何區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)圖？

9、3、本征半導(dǎo)體，、本征半導(dǎo)體，n型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體中是什么參與導(dǎo)型半導(dǎo)體中是什么參與導(dǎo)電？電？4、 n型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體的能帶示意圖？型半導(dǎo)體的能帶示意圖？19元月元月 8 8號和號和9 9號（星期三和星期四）號（星期三和星期四） 下午下午2 2：00005 5：0000 西五樓西五樓-116-116教室教室期末答疑時間期末答疑時間20電子原子核第第1717章章 原子核物原子核物理簡介理簡介 1 1學(xué)時學(xué)時作業(yè)作業(yè) 17-2, 17-10oAA測量測量 21一、原子核的電荷和質(zhì)量一、原子核的電荷和質(zhì)量Zeq Z電荷數(shù)電荷數(shù)或或原子序數(shù)原子序數(shù)原子原子核核mm原子質(zhì)量單位

10、原子質(zhì)量單位取碳的同位素取碳的同位素 原子處于基態(tài)的靜止質(zhì)量的原子處于基態(tài)的靜止質(zhì)量的1/12UC126kg106605661U127 . 同 位 素 原子質(zhì)量/U 同 位 素 原子質(zhì)量/U 1.007 825 13.003 354 2.014 102 14.003 074 3.016 050 15.000 108 3.016 030 15.994 915 4.002 603 16.999 133 6.015 126 18.998 405 7.016 005 22.989 773 9.012 186 62.929 594 10.129 39 119.902 198 11.009 305 183

11、.951 025 12.000.00 238.048 61幾種同位素的原子質(zhì)量幾種同位素的原子質(zhì)量氫氫H11氘氘H21氚氚H31氦氦e32He42H鋰鋰i63Li73L鈹鈹e94B硼硼B(yǎng)105B115碳碳C126C136氮氮N147N157氧氧O168O178氟氟F199鈉鈉Na2311銅銅Cu6329錫錫Sn12050鎢鎢W18474鈾鈾U238921234AA質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)或或核子數(shù)核子數(shù)標(biāo)志原子核特征的重要物理量標(biāo)志原子核特征的重要物理量XAZ元素符號元素符號質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)原子序數(shù)161 1 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)UUAUm 核核22XAZ質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)原子序數(shù)Z電荷

12、數(shù)電荷數(shù)或或原子序數(shù)原子序數(shù)或或質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)A質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)或或核子數(shù)核子數(shù)同位素：同位素：Z相同而相同而A不同的原子核不同的原子核.氫有三種同位素：氫有三種同位素：氫核氫核H11氘核氘核H21氚核氚核H31采用原子質(zhì)量單位采用原子質(zhì)量單位U時時U1 pnmmZeq pNZ AnNZppnnmNmN ApnNN AZ中子數(shù)中子數(shù)質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)核子數(shù)核子數(shù)核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的和核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的和271.660566 10kg 23二、原子核的大小和形狀二、原子核的大小和形狀實驗指出，原子核占有的體積正比于質(zhì)量數(shù)實驗指出，原子核占有的體積正比于質(zhì)量數(shù)A. 則則AR 3310ARR 比例

13、系數(shù)比例系數(shù)m1021150 .R334Rm 核核 RA30R304U3R 各種原子核的密度幾乎相同各種原子核的密度幾乎相同液滴液滴當(dāng)其中包含的核子增多，液當(dāng)其中包含的核子增多，液滴就按比例增大，維持密度滴就按比例增大，維持密度保持不變保持不變不到一粒米的大小的原子核，其質(zhì)量竟達(dá)不到一粒米的大小的原子核，其質(zhì)量竟達(dá)20萬噸！萬噸！1732.3 10 kg/m AU 核核mAU)(504200T4000T200000臺火車頭臺火車頭 R 保持不變保持不變 核是質(zhì)量高度集中的地方核是質(zhì)量高度集中的地方!24nnppmNmNm 子子核核pNZ ZANn npmZAZm)( 0- 核核核子核子mmm

14、質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損例如：氦核例如：氦核e42H質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)4 A質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)2 ZNp中子數(shù)中子數(shù)2 ZANnU031882422.mmmnp 核子核子U0015054.m 核核質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損U0303770.m 虧損的質(zhì)量去哪兒了？虧損的質(zhì)量去哪兒了？由由E=mc2 得得E=mc2表明表明: :虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的釋放虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的釋放. . or:or:核能的釋放以質(zhì)量虧損為代價核能的釋放以質(zhì)量虧損為代價. .三、結(jié)合能三、結(jié)合能 pNnNpppnnn核核mpp nnppnn25形成一個氦核所放出的能量形成一個氦核所放出的能量J105398714122 .mcE 形成形成1mol

15、氦核所放出的能量氦核所放出的能量J1073212 .ENEAmol 燃燒燃燒100噸煤所放出的熱量噸煤所放出的熱量A核子的平均結(jié)合能核子的平均結(jié)合能ppnnE E 結(jié)合能結(jié)合能氦核氦核U030377. 0 m 原子核中每個核子對結(jié)合能的原子核中每個核子對結(jié)合能的貢獻(xiàn)貢獻(xiàn), ,標(biāo)志核子結(jié)合的松緊程度標(biāo)志核子結(jié)合的松緊程度核核mmA-ZZmmnp- )( 262 2 原子核的衰變原子核的衰變在人們發(fā)現(xiàn)的在人們發(fā)現(xiàn)的20002000多種同位素中絕大多數(shù)（多種同位素中絕大多數(shù)（ 16001600多種）是不穩(wěn)定多種）是不穩(wěn)定的，它們會自動衰變?yōu)榱硪环N同位素，同時放出各種射線，這種現(xiàn)的，它們會自動衰變?yōu)榱?/p>

16、一種同位素，同時放出各種射線，這種現(xiàn)象稱為象稱為y YX衰變衰變放射性衰變放射性衰變大量實驗表明：大量實驗表明：原子核衰變前后的原子核衰變前后的電荷數(shù)電荷數(shù)和和質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)都守恒都守恒AZ424 A2 Z 27放射性衰變規(guī)律放射性衰變規(guī)律t NdNttd Nd N tdtNNdd 0d N-tNN -0e 放射性衰變規(guī)律放射性衰變規(guī)律時的原子核數(shù)時的原子核數(shù)比例系數(shù)比例系數(shù)00 tN 改寫為改寫為Nt/Ndd 每秒衰變的原子核數(shù)每秒衰變的原子核數(shù)當(dāng)時的原子核總數(shù)當(dāng)時的原子核總數(shù)一個原子核在單位時間發(fā)生衰變的概率一個原子核在單位時間發(fā)生衰變的概率衰變常數(shù)衰變常數(shù)當(dāng)核數(shù)衰變?yōu)樵泻藬?shù)的一半當(dāng)核數(shù)衰

17、變?yōu)樵泻藬?shù)的一半 2ln2e 半衰期半衰期tNdd tN -0e 放射性活度放射性活度表征原子核衰變的快慢表征原子核衰變的快慢放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)放射性物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù). .00NA 起始活度起始活度tN/N -00e2 A( )t tA -0e tNNdd 不要與質(zhì)量數(shù)混淆！不要與質(zhì)量數(shù)混淆！28A的單位的單位(1975年規(guī)定年規(guī)定)：貝克勒：貝克勒(或貝可或貝可)(Bq). 1Bq1次核衰變次核衰變/秒秒.A的輔助單位：居里的輔助單位：居里(Gi);毫居毫居(mGi)、微居、微居(Gi)Bq1073Gi110 .101073Gi1 .(即即 次核衰變次核衰變/秒秒)tANA -0e 放射性活度放射性活度29tNtN -0e)( 時的原子核數(shù)時的原子核數(shù)比例系數(shù)比例系數(shù)00 tN tNtAdd)( tA -0e 每秒發(fā)生衰變的原子核數(shù)每秒發(fā)生衰變的原子核數(shù)Nt/Ndd 一個核每秒發(fā)生衰變的概率一個核每