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文檔簡介
第二部分光與物質(zhì)作用演示文稿目前一頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)(優(yōu)選)第二部分光與物質(zhì)作用目前二頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)激光的基本原理及特性(3)、絕對(duì)黑體輻射出射度分布曲線的峰值定律實(shí)驗(yàn)表明,絕對(duì)黑體輻射出射度的峰值Me,B(m,T)與絕對(duì)溫度的5次方成正比,即
Me,B(m,T)=C’T5
式中C’=1.301X10-15W.cm-2.m
-1.K-5
以上三個(gè)定律分別表示了絕對(duì)黑體總輻射出射度(分布曲線下的面積)、峰值波
長、峰值波長對(duì)應(yīng)的輻射出射度峰值與絕對(duì)溫度的關(guān)系。3、維恩公式和瑞利-金斯公式(1)、維恩公式
Me,B(,T)=(c2/5)e-(c/T)
據(jù)此公式繪出的曲線與實(shí)驗(yàn)曲線在高頻端符合較好,低頻端產(chǎn)生偏離。(2)、瑞利-金斯公式
Me,B(,T)=(2c/4)kT
據(jù)此公式繪出的曲線與實(shí)驗(yàn)曲線在長波段符合較好,但在短波段誤差很大。第二部分光與物質(zhì)的相互作用目前三頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)激光的基本原理及特性4、普朗克公式
1900年普朗克作了一次大膽的嘗試。他假設(shè),黑體出射度的能量不是連續(xù)的,而是一份一份的。他第一個(gè)提出了能量子假設(shè),開創(chuàng)了近代物理的新紀(jì)元。普朗克黑體輻射的能量密度公式:(,T)=(8h3/c3)[1/(e(h/kT)-1)]及黑體輻射的單色輻射出射度公式:Me,B(,T)=2hc2-5[1/(e(hc/kT)-1)]式中k是波耳茲曼常數(shù),h是普朗克常數(shù)。它們的數(shù)值為:k=1.381x10-23J/K;h=6.626x10-34J.s在短波部分,由于h>>kT,則e(h/kT)>>1,普朗克公式變?yōu)榫S恩公式;在長波部分,h<<kT,則e(h/kT)1+(h/kT),普朗克公式則過渡到瑞利-金斯公式。普朗克公式正確地反映了黑體輻射規(guī)律。三個(gè)公式的關(guān)系如圖所示。有關(guān)黑體的輻射出射度的三個(gè)公式的比較第二部分光與物質(zhì)的相互作用目前四頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)激光的基本原理及特性(二)、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射躍遷:組成物質(zhì)的微觀粒子(原子、分子和離子)從一種能量狀態(tài)變到另一能量狀態(tài)。無輻射躍遷:躍遷過程沒有吸收和輻射光子。輻射躍遷:原子能級(jí)的變化是通過吸收和發(fā)射光而實(shí)現(xiàn)的。這種躍遷可分為三種過程:自發(fā)輻射、受激吸收和受激發(fā)射。1、自發(fā)輻射自發(fā)輻射躍遷幾率A21:
在單位時(shí)間內(nèi),E2能級(jí)上n2個(gè)粒子數(shù)中發(fā)生自發(fā)躍遷的粒子數(shù)與n2的比值??紤]二能級(jí)情況:E1和E2,則在dt時(shí)間內(nèi),由高能級(jí)E2自發(fā)輻射躍遷到低能級(jí)E1的粒子數(shù)計(jì)為dn2,則A21可表示為A21=
(dn21/dt)自發(fā)(1/n2)自發(fā)躍遷是一個(gè)只與原子特性有關(guān)而與外界激勵(lì)無關(guān)的過程,即A21只由原子本身性質(zhì)決定。1、原子自發(fā)輻射2、原子受激吸收3、原子受激輻射E2E2E2E2E2E2E1E1E1E1E1E1入射光入射光自發(fā)輻射原子受激吸收受激輻射光入射光h=E2-E1h=E2-E1第二部分光與物質(zhì)的相互作用目前五頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)激光的基本原理及特性假設(shè)E2能級(jí)只向E1能級(jí)躍遷,則可得到:n2(t)=n02e-A21t=n20e-(t/)自發(fā)躍遷過程使得高能級(jí)上的原子以指數(shù)規(guī)律衰減。式中n20為t=0時(shí)刻E2能級(jí)上的粒子數(shù),=(1/A21)稱為粒子在E2能級(jí)上的平均壽命。自發(fā)輻射功率:I(t)=h[dn21(t)/dt]=hA21n20(t)=hA21n20e-A21t=I0e-A21t
自發(fā)輻射強(qiáng)度在外界激勵(lì)停止后,是以指數(shù)規(guī)律衰減的。
自發(fā)輻射所發(fā)出的光稱為熒光。第二部分光與物質(zhì)的相互作用目前六頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)激光的基本原理及特性2、受激吸收
當(dāng)外來輻射場作用于物質(zhì)時(shí),假定輻射場中包含有頻率為
=[(E2-E1)/h]的電磁波(即有能量等于=h=E2-E1的光子),使在低能級(jí)E1的粒子收到光子激發(fā),可以躍遷到高能級(jí)E2去,這個(gè)過程稱為受激吸收。在單位體積中,從能級(jí)E1躍遷到能級(jí)E2的粒子數(shù)dn12
為:
dn12=B12()n1dtB12
愛因斯坦受激吸收系數(shù),是一個(gè)原子能級(jí)系統(tǒng)的特征參數(shù)。
受激吸收躍遷幾率:
W12=(dn12/dt)(1/n1)W12的物理意義是在單位時(shí)間內(nèi),在單色輻射能量密度()的光照射下,由于受激吸收而從能級(jí)E1躍遷到能級(jí)E2上的粒子數(shù)與能級(jí)E1上總粒子數(shù)之比,即每一個(gè)處于低能級(jí)E1的粒子數(shù),在()的光照下,在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激吸收的幾率。
受激吸收過程是一個(gè)即與原子性質(zhì)有關(guān),也與外來輻射場的()有關(guān)的過程。
這種關(guān)系可以唯象地表示為:
W12=B12()
即受激吸收愛因斯坦系數(shù)只與原子性質(zhì)有關(guān)。第二部分光與物質(zhì)的相互作用目前七頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)激光的基本原理及特性3、受激輻射當(dāng)外來輻射場照射物質(zhì)而粒子已經(jīng)處于高能級(jí)E2上時(shí),會(huì)發(fā)生受激輻射過程。如果外來光的頻率為
=(E2-E1)/h,由于受到入射光子的激發(fā),E2能級(jí)上的粒子將會(huì)躍遷而回到E1能級(jí)上去,同時(shí)又放射出一個(gè)光子來,這個(gè)光子的頻率、振動(dòng)方向、相位都與外來光子一致。在單位體積中,從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1的粒子數(shù)dn21
為:
dn21=B21()n2dt
受激輻射躍遷幾率:
W21=(dn21/dt)(1/n2)W21=B21()
B21
愛因斯坦受激輻射躍遷系數(shù),是一個(gè)原子能級(jí)系統(tǒng)的特征參數(shù)。第二部分光與物質(zhì)的相互作用目前八頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)激光的基本原理及特性4、A21、B12和B21的關(guān)系
在一個(gè)溫度為T的空腔中,輻射場與物質(zhì)相互作用達(dá)到熱平衡時(shí),三種輻射同時(shí)存在,這種熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志是:(1)、腔內(nèi)存在著熱平衡黑體輻射:(2)、腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)按能級(jí)分布服從熱平衡狀態(tài)下的波耳茲曼分布:式中f2
和f1
分別為能級(jí)E2
和E1
的統(tǒng)計(jì)權(quán)重。(3)、在熱平衡狀態(tài)下,n2(或n1)應(yīng)保持不變:--=KTEEffnn121
212exp或第二部分光與物質(zhì)的相互作用目前九頁\總數(shù)十頁\編于十七點(diǎn)激光的基本原理及特性2211123321218fBfBhnchBA=n=np=nf1=f2愛因斯坦關(guān)系5、受激輻射的相干性受激輻射和自發(fā)輻射的異同:共同點(diǎn):發(fā)射光子E2
-E1E=hn
n=E2
-E1h
不同點(diǎn):起因
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