輻射理論基礎概要.ppt

第一章 輻射理論基礎概要 與激光產(chǎn)生 的條件,實驗中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器,核聚變實驗的六路真空靶室,11 光的波粒二象性,一. 光的發(fā)展簡史,1. 牛頓和惠更斯與光的理論學說,牛頓在1669年提出光的“微粒說”.他認為光是從光源發(fā) 出的一種光微粒流,具有直線傳播的性質(zhì).光微粒流有彈性,并且能被某些物質(zhì)吸收.光微粒流遇到物質(zhì)時,如果不被吸收,就會被彈回來.,惠更斯在1678年提出光的“波動說”.他認為光從一處傳播到另一處,是和水波類似的波.,這兩學說在相互爭論中發(fā)展,一直持續(xù)了200多年,牛頓的微粒說能圓滿地解釋光的直線傳播、反射等現(xiàn)象,因而在很長一個時期內(nèi)占統(tǒng)治地位.但后來人們又在實驗中發(fā)現(xiàn),微粒說不能解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象.這就促使科學家們?nèi)ヌ剿餍碌拇鸢?,2. 麥克斯韋建立了光的電磁理論,19世紀初,電的發(fā)明和應用,將人類帶進了電器時代。1863年英國物理學家麥克斯韋，以庫侖、安培、法拉第在電學上的發(fā)現(xiàn)為基礎作了進一步發(fā)展，創(chuàng)立了電磁波理論。其要點是：變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，二者交替產(chǎn)生由近及遠的傳播，既電磁波。并建立了著名的麥克斯韋方程。1887年赫茲用實驗的方法產(chǎn)生了電磁波，證實了麥克斯韋的電磁波理論。1901年俄國物理學家列別捷夫用實驗測定了光壓，結果與電磁理論十分相互，從而進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 ，其速度在真空中為每秒30萬公里，與光速一樣，從而確認了光波也是電磁波。 應用光的電磁波理論,基本上能比較完滿地解釋光的發(fā)射、折射、干涉、衍射、偏振、雙折射等與光的傳播性有關的一系列重要現(xiàn)象。,電磁波理論雖然使光的波動說一度占領了光學領域，但19世紀末，實踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許多 現(xiàn)象卻無法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應、光化學反應等。1905年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子學說。,光在本質(zhì)上是由一些具有確定能量和動量的物質(zhì)微粒光量子或光子所組成，而光子的能量和動量的數(shù)值，與一定的光的頻率或波長相對應，即,愛因斯坦認為光子既是粒子、同時又是波。光在與物質(zhì)相互作用時粒子性明顯，光在傳播中則波動性突出。光的這種粒子性和波動性相互對立又并存的性質(zhì)，叫做光的“波粒二象性”。,二. 光的波粒二象性,1、光波波長為4000埃7600埃的電磁波,電磁波-電磁場是E和B的振動由近及遠傳播的過程,電矢量叫做光矢量,光波是橫波.,對電磁場-用經(jīng)典電動力學的Maxwell方程組描述,（1） 線偏振光,偏振光（線偏振光）,光振動只沿某一固定方向的光 .,(2)自然光,（3） 光速、頻率和波長三者的關系,(a)波長:振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(nèi)向前傳播的距離。,(b)光速,(c)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動的次數(shù),(d)三者的關系,在真空中,各種介質(zhì)中傳播時，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構成的面,平波面波面是彼此平行的平面,且在無吸收介質(zhì)中傳播時,波的振幅保持不變。,單色平波面具有單一頻率的平面波。,實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vv0時，就叫準單色波。,簡諧波理想單色平面波,.簡諧振子模型,兩式統(tǒng)一寫成,.簡諧波方程,光波具有時間周期性和空間周期性,電磁波的傳播,.簡諧波波矢空間角頻率,波矢k是一個矢量，方向沿著光線傳播的方向。,.光波模以某一波矢 為標記的駐波,在激光理論中，光波模是一個很重要的概念。,麥氏方程的解,特解：單色平面波。,通解：一系列單色平面波的疊加。,自由空間中的電磁波: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：一系列獨立的具有特定波矢 的平面單色駐波。即只允許駐波光模式存在！,一種模式是電磁波運動的一種類型，不同模式以不同的k 區(qū)分。,2、 光子,引言：愛因斯坦斷言：光是由光子組成,（一）.光子的基本性質(zhì), 一定種類的光子的能量,與一定的光的頻率相對應,= h v,v 光的頻率 h 普朗克常數(shù),.一定種類的光子的質(zhì)量可表達為,考慮相對論要求,m0 光子的靜止質(zhì)量 光子的速度 對于光子 m0 = 0 =c,.一定種類的光子具有動量P,與一定的光的頻率和傳播方向相聯(lián)系,n0 光子 行進方向上的 單位矢量,k 平面波的波矢，它表示2長度內(nèi)含有的“完整”波 的數(shù)目,. 一定種類的光子,具有一定的偏振狀態(tài).(同一狀態(tài)的 光子