《辐射理论基础概要与激光产生的条件ppt培训课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《辐射理论基础概要与激光产生的条件ppt培训课件（139页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 辐射理论基础概要与激光产生的条件,实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器,核聚变实验的六路真空靶室,11 光的波粒二象性,一. 光的发展简史,1. 牛顿和惠更斯与光的理论学说,牛顿在1669年提出光的“微粒说”.他认为光是从光源发 出的一种光微粒流,具有直线传播的性质.光微粒流有弹性,并且能被某些物质吸收.光微粒流遇到物质时,如果不被吸收,就会被弹回来.,惠更斯在1678年提出光的“波动说”.他认为光从一处传播到另一处,是和水波类似的波.,这两学说在相互争论中发展,一直持续了200多年,牛顿的微粒说能圆满地解释光的直线传播、反射等现象,因而在很长一个时期内占统治地位.但后来人们又
2、在实验中发现,微粒说不能解释光的干涉、衍射等现象.这就促使科学家们去探索新的答案.,2. 麦克斯韦建立了光的电磁理论,19世纪初,电的发明和应用,将人类带进了电器时代。1863年英国物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、法拉第在电学上的发现为基础作了进一步发展，创立了电磁波理论。其要点是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，二者交替产生由近及远的传播，既电磁波。并建立了著名的麦克斯韦方程。1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁波理论。1901年俄国物理学家列别捷夫用实验测定了光压，结果与电磁理论十分相互，从而进一步巩固了光的电磁理论，麦克斯韦电磁波的传播速度有上限的，其速度
3、在真空中为每秒30万公里，与光速一样，从而确认了光波也是电磁波。应用光的电磁波理论,基本上能比较完满地解释光的发射、折射、干涉、衍射、偏振、双折射等与光的传播性有关的一系列重要现象。,3. 爱因斯坦站在了巨人肩膀上,电磁波理论虽然使光的波动说一度占领了光学领域，但19世纪末，实践中遇到的光与物质相互作用的许多 现象却无法解释，如黑体辐射、光的吸收与发射、光电效应、光化学反应等。1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子假说，在一种全新的物理意义上提出了光子学说。,光在本质上是由一些具有确定能量和动量的物质微粒光量子或光子所组成，而光子的能量和动量的数值，与一定的光的频率或波长相对应，即,爱因斯坦认
4、为光子既是粒子、同时又是波。光在与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突出。光的这种粒子性和波动性相互对立又并存的性质，叫做光的“波粒二象性”。,二. 光的波粒二象性,1、光波波长为400nm760nm的电磁波,电磁波-电磁场是E和B的振动由近及远传播的过程,电矢量叫做光矢量,光波是横波.,对电磁场-用经典电动力学的Maxwell方程组描述,（1） 线偏振光,偏振光（线偏振光）,光振动只沿某一固定方向的光 .,(2)自然光,（3） 光速、频率和波长三者的关系,(a)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。,(b)光速,(c)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数,(d)三者的关
5、系,在真空中,各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度 各不相同,（4） 单色平面波,波面相位相同的空间各点构成的面,平波面波面是彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。,单色平波面具有单一频率的平面波。,实际上任何光波都不可能是全单色的，总有一定的频率宽度。,当vv0时，就叫准单色波。,简谐波理想单色平面波,.简谐振子模型,两式统一写成,.简谐波方程,光波具有时间周期性和空间周期性,电磁波的传播,.简谐波波矢空间角频率,波矢k是一个矢量，方向沿着光线传播的方向。,.光波模以某一波矢 为标记的驻波,在激光理论中，光波模是一个很重要的概念。,麦氏方程的解,特解：单色平面波。
6、,通解：一系列单色平面波的叠加。,自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可以存在!,受边界条件限制空间的电磁波：一系列独立的具有特定波矢 的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在！,一种模式是电磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k 区分。,2、 光子,引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成,（一）.光子的基本性质, 一定种类的光子的能量,与一定的光的频率相对应,= h v,v 光的频率 h 普朗克常数,.一定种类的光子的质量可表达为,考虑相对论要求,m0 光子的静止质量 光子的速度对于光子 m0 = 0 v =c,.一定种类的光子具有动量P,与一定的光的频率和传播方向相联系,n0 光子 行进方向上
7、的 单位矢量,k 平面波的波矢，它表示2长度内含有的“完整”波的数目,. 一定种类的光子,具有一定的偏振状态.(同一状态的 光子具有相同的偏振状态。）,. 光子具有自旋,故光子是“玻色”子。（即处于）相同状态的光子数目是无限制的。,从波动的观点得到光的模式，与从光子的观点得到光子的量子状态是相同，两者在概念上是等效的。,12 原子的能级和辐射跃迁,一.原子的能级和简并度,由量子力学得出的氢原子能级图,玻尔理论的一条能级对应于电子的一种轨道,量子力学的一条能级 则对应于电子的一种状态 每个状态用量子数 n , l , ml ms 来描述,能级: 粒子的内部能量值,高能级: 能量较高的能级,低能级
8、: 能量较低的能级,基能级: 能量最低的能级 (相应的状态称基态）,激发能级: 能量高于基能级的其它所有能级(相应状态称激发态),激发态,基态,二. 四个量子数,（表征电子的运动状态）,1.主量子数 n ( 1 , 2 , 3, ),2. 辅量子数 l代表轨道的形状和轨道角动量L ( 0，1，2，. , n -1 ),大体上决定了电子能量, 代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分,(角量子数),对同一个 n ，角动量有n个不同的值但能量相同，代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关.对于l=0，1，2，3等的电子顺次，依次用字母s、p、d、f 来表示，通常称 s电子、p电子,3.
9、 磁量子数 ml ( 0，1， 2，. , l ),代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量,l = 2,对 z 轴旋转对称,例如：,Lz,0,角动量大小是,Z方向分量有：2l+1 = 5 种取值,4.自旋磁量子数 ms ( 1/2 , -1/2 ),决定电子自旋角动量空间取向即轨道角动量在某一特殊方向的分量,电子自旋角动量大小,S 在外磁场方向的投影,s 自旋量子数,电子自旋角动量在 外磁场中的取向,自旋磁量子数 ms 取值个数为,ms = 1/2,2s +1= 2,则 s = 1/2 ，,三. 简并 简并态,1.简并 与同一能级对应的有两个或以上的状态,2.简并度g同一能
10、级所对应的不同电子运动状态的数目(单个状态内的平均光子数)。,3.简并态 同一能级的各状态称简并态,例：计算氢原子的1s和2p态的简并度,电子 n =3 态 有几种简并态？,角动量有 3 种 每种角动量空间取向有2l+1种 电子还有2种自旋 所以共有18种 一般结论: 简并态,四. 原子状态的标记,原子中核外电子的排布要遵守,泡利不相容原理,能量最低原理,一个原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态或说 一个原子内不可能有四个量子数完全相同的电子或说 不可能有两个或两个以上的电子处于同一个量子态,1.泡利不相容原理,电子填充各壳层的次序是：,1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d
11、，4p，5s，4d，5p，6s,2.能量最低原理,“电子优先占据最低能态”,3d3p3s,2p2s,1s,n=1,n=2,n=3,相同 n, l 组成一个支壳层对应于l = 0, 1, 2, 3,的各支壳层分别记做 s, p, d, f, g, h,3.原子的电子组态符号,例: 钠原子有11个核外电子,钠原子基态的电子组态为,n3的激发态的钠原子电子组态为,等等,4.原子态的标记,由于原子中电子的轨道角动量与自旋角动量之间的相互作用,原子的同一电子组态可以形成不同的原子组态。（以两个电子为例来说明）,两个电子各有其轨道运动（l1 ，l2）和自旋运动（s1 ，s2），每一种运动都产生磁场，因此对
12、其他运动都产生影响。,这四种运动可以有六种相互作用：,一般情况下，G5 、G6比较弱，可以忽略。,LS耦合 G1 、G2 比G3 、G4强,只考虑G1 、G2 偶合.,JJ耦合 G3 、G4 比G1 、G2强,只考虑G3 、G4 偶合.,两个自旋角动量合成一个总自旋角动量，其量子数为S, S=s1 + s2 或 s1 - s2,用 表示原子组态，符号L用大写字母如：S、P、D、 F、G、H表示,分别对应L=0,1,2,3,4,例:氦原子的几个不同电子组态的原子态,(1):氦原子的1s1s电子组态,(2):氦原子的1s2s电子组态,(2):氦原子的1s2p电子组态,氦原子部分能级图,5.辐射跃迁
13、选择定则,(1).跃迁只能发生在不同的宇称态之间;,(2). J=0 ,1 (00除外),此外,在原子中,对LS耦合,还有附加的选择定则:,(3). L=0 ,1,(4). S=0,奇宇称原子中各电子的轨道辅量子数li总和是奇数,偶宇称原子中各电子的轨道辅量子数li总和是偶数,例:氦原子基态13S1和两个激发态23S1 23S0都是偶宇称，因此不满足辐射跃迁选择定则（1），这三态都是亚稳态。,五. 玻耳兹曼分布,1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布),热平衡状态下, 处于某一能级Ei的粒子数密度ni(单位体积内的粒子数,常简称粒子数)为,其中: T-热平衡时的绝对温度 ni - 处在能级Ei的原子数
14、 g i- 能级Ei的简并度 k-玻耳兹曼分布常数, 能级E2与E1粒子数密度之比为(通常设E2E1):,讨论(设g i= g j) :(1)如果E2 - E1很小,且满足 E = E2 - E1kT,则,E2,E1,(3)若E1为基能级且E2距E1较远, 即E2E1较大, 则 n2 n1,结论: 热平衡状态下, 绝大多数粒子处于基态,(2) 因E2E1,一般有n2n1(因为g1和g2为同一数量级即g1g2) 即 热平衡状态下, 高能级上的粒子数密度总是较小。,总结1）,2）,3）T0且E2E1 ，n2n1,六. 辐射跃迁和非辐射跃迁,1.跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程,2.辐射跃
15、迁: 粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则),发射跃迁: 粒子发射一光子 = hv=E2E1而由高能级跃迁至低能级;,吸收跃迁: 粒子吸收一光子=hv=E2E1 而由低能级跃迁至高能级.,3.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程),4.激发态的平均寿命 : 粒子在激发态停留时间的平均值的典型值: 10-710-9秒,5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁, 则该态的平均寿命会很长(10-3秒), 称亚稳能级,相应的态为亚稳态。,一般，能级寿命 10-8 10-9 秒如H原子 2p态 0.1610-8秒3p态 0.5410-8秒亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级 (20.55eV) 10-4 秒 (19.77eV) 10-6 秒,13 光的受激辐射,1900年,普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射规律,1913年,玻尔提出原子中电子运动状态量子化假设, 爱因斯坦在此基础上, 研究了关于光与物质相互作用的问题,他明确指出,只有自发辐射和光吸收两过程,是不足以解释普朗克黑体辐射公式的,必需引入受激吸收过程的逆过程受激发射。他把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程-自发发射, 受激吸收和受激发射, 并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。,
