大學(xué)物理教案chap153

1、康普頓效應(yīng)1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、用愛因斯坦光量子理論解釋反沖電子的動(dòng)能就是光子損失的能量 實(shí)驗(yàn)規(guī)律：散射光波長(zhǎng)改變量原子量越小的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)越顯著 彈性碰撞光子內(nèi)層電子束縛強(qiáng)光子原子m 自由電子熱運(yùn)動(dòng)能量光子靜止自由電子彈性碰撞能量守恒動(dòng)量守恒 證明了愛因斯坦光子理論的正確性 證明了能量守恒、動(dòng)量守恒定律的普適性 證明相對(duì)論效應(yīng)在宏觀、微觀均存在理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符光子的量子力學(xué)模型振幅越大，表示光子數(shù)越多，光子到達(dá)該處概率越大 概率波?！安６笮浴苯栌媒?jīng)典“波”和“粒子”術(shù)語，但既不是經(jīng)典波，又不是經(jīng)典粒子。光的波粒二象性氫原子光譜的特征1) 有確定波長(zhǎng)的分立譜線 2) 各譜線間有一定的聯(lián)系

2、3) 每一譜線的波數(shù)都可表示為兩項(xiàng)之差 里茲并合原理T( ) 稱為光譜項(xiàng)由此預(yù)言更大范圍內(nèi)光譜系的存在，構(gòu)成了整個(gè)原子光譜。15.3 氫原子光譜 玻爾理論波爾基本假設(shè)2、 軌道角動(dòng)量量子化假設(shè)（定態(tài)假設(shè)）處于定態(tài)狀態(tài)電子只能在一些特殊的圓軌道中運(yùn)動(dòng)，其軌道角動(dòng)量滿足量子化條件：1、 定態(tài)假設(shè) 原子系統(tǒng)只存在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)(定態(tài))，相應(yīng)的能量取不連續(xù)的量值 E1、E2、E3 ，定態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)不輻射電磁波。 3、躍遷假設(shè)原子從一個(gè)定態(tài) E2 躍遷到另一定態(tài)E1時(shí)，將輻射電磁波，電磁波的頻率由下式?jīng)Q定:（四）玻爾的氫原子理論1) 圓周量子化玻爾軌道氫原子 Z = 12) 能量量子化氫原子 Z =

3、 1n = 1 En = -13.6eV 基態(tài)n , En 0 束縛態(tài)En 0 電子被電離n E 對(duì)應(yīng)原理3) 氫原子的分立譜線（六）、玻爾理論的成功與缺陷成功1. 提出的定態(tài)、軌道、能量量子化、輻射躍遷等概念成為量子力學(xué)的先驅(qū)2. 成功地解釋了氫原子及類氫原子光譜現(xiàn)象3. 再次驗(yàn)證了h 判據(jù)玻爾定態(tài)能級(jí)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) ：夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)4.99.819.614.70IV1925 年他們因此而獲物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)缺陷1) 不能預(yù)言光譜線的強(qiáng)度2) 不能解釋譜線的非周期性3) 無法解釋光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)4) 無法解釋比氫光譜線更復(fù)雜的光譜原因：帶有經(jīng)典的殘余玻爾理論是半經(jīng)典、半量子化的理論(N.H.Bohr

4、 , 18851962)經(jīng)典物理在解釋熱輻射上的困難 普朗克能量子論 1900年經(jīng)典物理在解釋光電效應(yīng)上的困難 愛因斯坦光量子論 1905年經(jīng)典物理在解釋氫光譜上的困難 玻爾氫原子理論1913年舊量子論半經(jīng)典、半量子過渡性理論，已被量子力學(xué)所取代。玻爾氫原子理論在物理學(xué)史上曾起重要作用。激光原理及其應(yīng)用激光原理及其應(yīng)用一、激光的產(chǎn)生與激光器二、激光的特性與應(yīng)用光的光增益光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光的條件激光器激光的特性激光的應(yīng)用激光原理及其應(yīng)用高能級(jí)低能級(jí)1. 原子數(shù)按能級(jí)分布熱平衡時(shí)，單位體積內(nèi)處于各個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)分布玻爾茲曼分布律:ENE2E1N2N1光的光增益受激吸收自發(fā)輻射受激輻射光子與原子分

5、子 相互作用離子2.光與物質(zhì)相互作用光的光增益1)受激吸收過程外來光子:能級(jí)躍遷:2.光與物質(zhì)相互作用光的光增益吸收前.吸收后。.受激吸收愛因斯坦系數(shù)粒子體系在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)吸收的光子數(shù)B12 (21) N1低能級(jí)E1的粒子數(shù)密度外來光場(chǎng)中頻率 的能量密度W12=B12 (21)受激吸收概率:光的光增益2)自發(fā)輻射過程高能級(jí)上的粒子自發(fā)地低能級(jí)躍遷激活粒子的平均壽命:2自發(fā)輻射概率為:光的光增益.。發(fā)光后.發(fā)光前設(shè)粒子體系處于能級(jí)E2上的粒子數(shù)密度為N2一般激發(fā)態(tài)粒子壽命:某些物質(zhì)存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí):單位體積、單位時(shí)間內(nèi)因自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子數(shù)是：A21 N2自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)光的光增益3)

6、受激輻射過程趨近高能級(jí)E2上的粒子時(shí)外來光子滿足頻率條件:感應(yīng)躍遷至低能級(jí)E1發(fā)射一個(gè)全同光子(頻率相同、傳播方向相同、偏振方向相同）光放大光的光增益.。發(fā)光前 發(fā)光后受激輻射的光放大示意圖B21 (21) N2 在光場(chǎng) (21)作用下，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)為:W21 = B21 (21)受激輻射概率 受激輻射愛因斯坦系數(shù)B21 (21)= B12 (21)躍遷概率相等: 受激吸收 受激輻射同時(shí)存在光的光增益受激吸收總是占優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為光的吸收通常情況下：N1 N2B21 (21) N1 B12 (21) N2 粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)受激輻射占優(yōu)勢(shì)為得到光放大,必須使N2 N1光的光增

7、益1) 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件電激勵(lì)化學(xué)激勵(lì)熱激勵(lì)光激勵(lì)(A) 激勵(lì)(又稱泵浦)3. 介質(zhì)對(duì)光的增益作用光的光增益從外界輸入能量（如光照,放電等） , 把低能級(jí)上的原子激發(fā)到高能級(jí)上去, 這個(gè)過程叫做激勵(lì).(B) 合適的能級(jí)結(jié)構(gòu) 二能級(jí)系統(tǒng) 用光泵的方法不可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光的光增益 三能級(jí)系統(tǒng) 當(dāng)泵浦光足夠強(qiáng)時(shí)，有可能使 ,在能級(jí)E3 于E2 間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光的光增益在 E2 和E1 能級(jí)間也有可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。紅寶石激光器的工作物質(zhì)：紅寶石是摻有少量鉻離子（Cr3+)的（Al2O3)晶體。采用光激勵(lì)方法：受激和發(fā)光都在Cr3+上進(jìn)行，是典型的三能級(jí)系統(tǒng)。光的光增益紅寶石中鉻離子

8、能級(jí)示意圖.?；鶓B(tài)亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài) 四能級(jí)系統(tǒng) 比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。光的光增益 氦氖氣體激光器是四能級(jí)系統(tǒng)氖原子在 間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光的光增益zdz增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后的工作物質(zhì)2) 介質(zhì)的增益作用zdI(z)zz+dzL通過增益介質(zhì)后,光強(qiáng)隨距離增長(zhǎng)介質(zhì)對(duì)光的增益系數(shù)光的光增益一對(duì)反射鏡為端面的腔體稱為諧振腔。1.光學(xué)諧振腔的作用光學(xué)諧振腔激光在兩反射鏡間形成駐波。諧振條件為： = qc 2nL2nL = q n: 氣體折射率L: 腔長(zhǎng)光學(xué)諧振腔對(duì)方向進(jìn)行選擇（/軸線光放大）方向性對(duì)頻率進(jìn)行選擇（在腔內(nèi)形成駐波的光放大）來回反射多次放大強(qiáng)光激光形成的基本條件1. 激光形成

9、的基本條件產(chǎn)生激光的條件(4) 滿足閾值條件光放大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要有適當(dāng)?shù)募す夤ぷ魑镔|(zhì)(2) 要有外界激勵(lì)源(3) 要有激光諧振腔方向、頻率受激輻射2.激光形成的閾值條件光在諧振腔內(nèi)受到各種損耗:(1) 反射鏡的透射損耗(2) 諧振腔的內(nèi)部損耗內(nèi)I3I1I0rr12I4I2光在腔內(nèi)往返一次不會(huì)被衰減的條件，即形成激光振蕩的閾值條件：內(nèi)閾內(nèi)產(chǎn)生激光的條件產(chǎn)生激光的條件由以上討論可將激光工作原理總結(jié)如下：(1) 工作物質(zhì)在激勵(lì)能源激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)(2) 由自發(fā)輻射產(chǎn)生的少數(shù)沿腔軸方向傳 播的光子在工作物質(zhì)中引起受激輻射(3) 光學(xué)諧振腔使受激輻射的光子在腔內(nèi) 往返振蕩，不斷得到放大(4) 滿足閾

10、值條件下形成激光1. 激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵(lì)系統(tǒng)激光器固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)分類脈沖激光器連續(xù)波激光器按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類2. 激光器的分類激光器紫外激光器可見光激光器紅外激光器按波段范圍分類激光器激光束發(fā)散角小，接近衍射極限，約為10-3rad量級(jí)，對(duì)應(yīng)的主體角在10-6sr量級(jí)。普通光源發(fā)出的光輻射沿4立體角分布，比激光束大106倍。激光束是高度平行的光束。1.方向性好激光的特性利用激光準(zhǔn)直儀可使長(zhǎng)為2.5km的隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm.光波的單色性可表示為 氦氖激光的單色性比單色性最好的普通光源，如氪燈好 倍。譜線寬度中心波長(zhǎng)=2.單色性好 相干性好激光

11、的特性 由于激光具有高單色性和高定向性，決定了激光具有極好的時(shí)間相干性和空間相干性。3.亮度高 激光器能產(chǎn)生寬度極窄的光脈沖，使用 開關(guān)的激光器，可輸出脈寬10-9s左右的光脈沖，使用鎖模技術(shù)，可產(chǎn)生10-14s的光脈沖。由于能量被集中在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來，因此光功率極高。激光的特性1.激光加工 利用聚焦激光束具有極高功率密度的特性，可以對(duì)材料進(jìn)行打孔、切割、焊接、劃片、雕刻、去重和熱處理。 優(yōu)點(diǎn)：無實(shí)體接觸、加工精度高(1m以下)、畸變小、節(jié)能。2.激光精密計(jì)量 激光的單色性好，相干性強(qiáng)，用作計(jì)量檢測(cè)，具有很高的精度。激光的應(yīng)用3.激光信息處理 激光的相干性好，用它作為光源，能夠使存儲(chǔ)、傳

12、遞、處理信息的容量和速度大幅度增加。激光的應(yīng)用4.激光在科學(xué)實(shí)驗(yàn)上的應(yīng)用 由于激光具有優(yōu)異的特性，激光技術(shù)已成為整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域強(qiáng)有力的研究工具。 20世紀(jì)80年代，激光冷卻和捕陷原子在理論和實(shí)踐上取得重大突破。激光的應(yīng)用1.了解黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律及普朗克能量子假設(shè)。 2.理解愛因斯坦光子論的基本思想，光與物質(zhì) 相互作用的三種方式，掌握關(guān)于光電效應(yīng)、 康普頓效應(yīng)的計(jì)算。3. 氫原子光譜規(guī)律及有關(guān)計(jì)算第十五章 光的量子性總結(jié):1.實(shí)驗(yàn)定律：T3 T2 T1T2 T1T1 斯忒潘波爾茲曼定律黑體的總輻射本領(lǐng)與黑體溫度的四次方成正比 維恩位移定律維恩常數(shù)：隨著黑體溫度的升高，其單色輻射本領(lǐng)的最大值所對(duì)

13、應(yīng)的波長(zhǎng) m 按照正比于T -1 的規(guī)律向短波方向移動(dòng) 普朗克能量子理論2. 能量子假設(shè)（模型）黑體：由大量包含各種固有頻率 的諧振子 組成的系統(tǒng)能量子諧振子的能量只能取某個(gè)基本單元的整數(shù)倍能量子能量作用量子 普朗克恒量 愛因斯坦光量子理論一、光電效應(yīng)1. 實(shí)驗(yàn)規(guī)律2. 愛因斯坦光子理論3. 光電效應(yīng)方程 4. 愛因斯坦光子理論對(duì)光電效應(yīng)的解釋(1) 光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的(2) 入射光頻率一定，飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比(3) 光電子初動(dòng)能和入射光頻率的線性關(guān)系遏止電壓的存在說明光電子具有初動(dòng)能，(4) 對(duì)于任何金屬，存在一個(gè)紅限頻率01. 實(shí)驗(yàn)規(guī)律iisUoUa2、愛因斯坦光子理論 光是以光

14、速運(yùn)動(dòng)的光子流 每個(gè)光子能量和動(dòng)量 光強(qiáng)即光的能流密度3、光電效應(yīng)方程二、康普頓效應(yīng)1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、用愛因斯坦光量子理論解釋反沖電子的動(dòng)能就是光子損失的能量實(shí)驗(yàn)規(guī)律：散射光波長(zhǎng)改變量原子量越小的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)越顯著 彈性碰撞光子內(nèi)層電子束縛強(qiáng)光子原子mM光子能量不變?nèi)鹄⑸涔庾油鈱与娮邮`弱光子自由電子光子能量減少電子反沖康普頓散射原子量越小物質(zhì)發(fā)生第二種碰撞概率越大，康普頓效應(yīng)顯著。光子的量子力學(xué)模型振幅越大，表示光子數(shù)越多，光子到達(dá)該處概率越大 概率波。“波粒二象性”借用經(jīng)典“波”和“粒子”術(shù)語，但既不是經(jīng)典波，又不是經(jīng)典粒子。（一）基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)1) 盧瑟福原子有核模型2) 原子結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的3) 原子的分立光譜氫原子理論玻爾的原子模型:+Ze-v（二）玻爾的氫原子模型2、 軌道角動(dòng)量量子化假設(shè)（定態(tài)假設(shè)）處于定態(tài)狀態(tài)電子只能在一些特殊的圓軌道中運(yùn)動(dòng)，其軌道角動(dòng)量滿足量子化條件：1、 定態(tài)假設(shè) 原子系統(tǒng)只