2022-2023学年高二物理竞赛课件：光的自发辐射 受激辐射、光放大

光的自发辐射 受激辐射、光放大 光的自发辐射 受激辐射、光放大 一、原子在能级上的分布 热激发：原子间发生的频繁碰撞使一些原子从基态升到激发态。 常温下，原子在各能级上的分布遵守玻尔兹曼分布律 激发态En上的原子数与基态E1上的原子数之比 玻尔理论的成功与局限 成功：解释 了H光谱，尔后有人推广到类H原子 （ ）也获得成功（只要将电量换成Ze（Z为原子序数）。他的定态跃 迁的思想至今仍是正确的。并且它是导致新理论的跳板。1922年获诺贝尔奖。 局限：只能解释H及类H原子，也解释不了原子 的精细结构。 原因：它是半经典半量子理论的产物。还应用了 经典物理的轨道和坐标的概念. 1、把电子看作经典粒子，推导中应用了牛顿定律，使用了 轨道的概念， 所以玻尔理论不是彻底的量子论。 2、角动量量子化的假设以及电子在稳定轨道上运动时不辐 射电磁波的假设是十分生硬的。 30年代中期，开始出现了许多由中子诱发的核反应，迫切需要一种合用的核模型，玻尔提出了原子核的液滴模型，对一些类型的核反应作出了说明，相当好地解释了重核的裂变． 　　1943年，玻尔从德军占领下的丹麦逃到美国，参加了研制原子弹的工作，但对原子弹即将带来的国际问题深为焦虑．1945年二次大战结束后，玻尔很快回到了丹麦继续主持研究所的工作，并大力促进核能的和平利用．1962年11月18日，玻尔因心脏病突发而逝世． 当有人问他，为什么能吸引那么多科学家来到他身边工作时，他回答说：“因为我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢”。这种坦率和实事求是的态度是使当时他领导的哥本哈根理论研究所永远充满活力，兴旺发达的原因。爱因斯坦评价说：“作为一个科学的思想家玻尔具有那么惊人的吸引力；在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的结合” 解： 根据巴耳末系的波长公式，其最长波长应是n=3n=2跃迁的光子，即 最短波长应是n=n=2跃迁的光子，即 试计算氢原子中巴耳末系的最短波长和最长波长各是多少？ 例 解： （1）使一个氢原子从基态激发到n=4 激发态需提供能量为 （2）在某一瞬时，一个氢原子只能发射与某一谱线相应的一定频率的一个光子，在一段时间内可以发出的谱线跃迁如图所示，共有6条谱线。 （1）将一个氢原子从基态激发到n=4的激发态需要多少能量？（2）处于n=4的激发态的氢原子可发出多少条谱线？其中多少条可见光谱线，其光波波长各多少？ 例 由图可知，可见光的谱线为n=4和n=3跃迁到n=2的两条，辐射出光子相应的波数和波长为： 二、原子的自发辐射 光与原子体系相互作用，同时存在吸收、自发辐射和受激辐射三种过程。 在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时辐射出一光子。 满足条件：h =E2-E1 随机过程，用概率描述 n2—— t时刻处于能级E2上的原子数密度 ——单位时间内从高能级E2自发跃迁到低 能级E1的原子数密度 A21——自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个 原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率 自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是非相干光。 激励光强 比例系数 受激辐射系数（由原子本身性质决定） 受激辐射跃迁概率 ——单位时间内从高能级E2受激跃迁到低能 级E1的原子数密度 W21——表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射 跃迁到E1的概率 入射光强 比例系数 受激吸收系数 受激吸收跃迁概率 受激辐射 处在高能级E2的原子，受到能量为h=E2-E1的外来光子的激励，由高能级E2受激跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同(即频率、相位、偏振状态、传播方向等均同)的光子。 E2 E1 h E2 E1 h h (a)受激辐射 (b)受激辐射的光放大 $