光與物質(zhì)的相互作用

　　以下是小編整理的關(guān)于光與物質(zhì)的相互作用的論文，歡迎大家借鑒!

　　摘要：當(dāng)固體和氣體加熱到很高溫度時(shí)就會(huì)發(fā)光,它們是主要的人造光源。太陽和遙遠(yuǎn)的星球,處在高溫等離子狀態(tài),是宇宙中卓越的光源。本文從光與原子的相互作用的方面對(duì)這一問題進(jìn)行說明。

　　關(guān)鍵詞：基態(tài);激發(fā)態(tài);能級(jí);受激輻射;自發(fā)輻射

　　天空為什么是藍(lán)色的?花兒為什么是紅色的?霓虹燈會(huì)發(fā)出紅光?人們會(huì)提出這樣的問題已絕非少數(shù)�；卮痤愃频膯栴},只憑“吸收”“反射”兩詞來解釋,并不能使人感到滿意,他們更想知道光與物質(zhì)相互作用的內(nèi)部機(jī)制,即光與物質(zhì)是如何作用的。

　　可見光的波長(zhǎng)范圍在400nm～700nm之間,其長(zhǎng)波是接近紅顏色的,即低頻部分;而短波是接近紫顏色的,即高頻部分。我們看到的紅色就是接近于紅顏色那部分的低頻光;而藍(lán)色就是接近于紫顏色那部分的高頻光。紅色的物體看上去之所以是紅色的,是因?yàn)榧t色物體將照到它上面的紅色成份的光反射了出來,使我們能夠看到它。那么物體對(duì)光的這種反射作用是否就像乒乓球碰到墻壁上被反彈回來一樣簡(jiǎn)單呢?了解了物質(zhì)的微觀機(jī)制后,我們會(huì)清楚,并不是那么簡(jiǎn)單。

　　為了說明發(fā)光的機(jī)制,玻爾作了一個(gè)假定。他認(rèn)為,當(dāng)電子在某一個(gè)固定的有序軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí),并不發(fā)射光子。而只有當(dāng)電子從一個(gè)能量較大的狀態(tài)跳躍到另一個(gè)能量較小的狀態(tài)時(shí),電子的總能量才發(fā)生變化。這部分能量的改變值,就以光子的形式輻射出來。反之,當(dāng)電子從一個(gè)能量較小的狀態(tài)跳遷到能量較大的狀態(tài)時(shí),它一定要吸收光子。

　　人們對(duì)于光的種種性質(zhì)的了解,都是通過觀察光與物質(zhì)相互作用而獲得的。光與物質(zhì)的相互作用,可以歸結(jié)為光與原子的相互作用。這種相互作用,有三種主要過程:吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。

　　一、吸收

　　如果有一個(gè)原子,開始時(shí)處于基態(tài)E1.若沒有任何外來光子接近它,則它保持不變。如果有一個(gè)能量為hv21的光子接近這個(gè)原子,則他可能吸收這個(gè)光子,從而提高它的能量狀態(tài)。本來處于基態(tài)E1的原子在吸收hv21以后,就激發(fā)到激發(fā)態(tài)E2,在吸收過程中不是任何一個(gè)能量的光子都能被一個(gè)原子所吸收。只有當(dāng)光子的能量正好等于院子的能級(jí)間隔E2-E1稱時(shí),這樣的光子才能被吸收。

　　設(shè)處于基態(tài)E1的原子密度為n1,光的輻射能量密度為u(v),則單位體積單位密度內(nèi)吸收光子而躍遷到激發(fā)態(tài)E2去的原子數(shù)應(yīng)該與n12和u(v)成正比,因而有

　　n12∝n1u(v)

　　即

　　n12=B12n1u(v)

　　其中為比例系數(shù),稱為吸收系數(shù)。稱為吸收率,用表示,于是可寫成

　　n12=n1ω12

　　二、自發(fā)輻射

　　從經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)講,一個(gè)物體如果勢(shì)能很高,他將是不穩(wěn)定的。與此相類似,處于激發(fā)態(tài)的原子也是不穩(wěn)定的,它的激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間都非常短,大約在10-8秒的數(shù)量級(jí)。在不受外界影響時(shí),它們會(huì)自發(fā)地返回到基態(tài)去,從而放出光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)返回較低能態(tài)而放出光子的過程,叫做自發(fā)輻射過程。

　　自發(fā)輻射的特點(diǎn)是這種過與外界作用無關(guān)。各個(gè)原子的輻射都是自發(fā)地、獨(dú)立地進(jìn)行的,因而各個(gè)原子發(fā)出來的光子在發(fā)射方向和初位相都是不相同的。除激光器光源外,普通光源的發(fā)光都屬于自發(fā)輻射。例如霓虹燈,當(dāng)燈管內(nèi)的低氣壓氖原子,由于加上了高電壓而放電時(shí),部分氖原子被激發(fā)到各個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)。當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)時(shí),便發(fā)出多種頻率的紅色光。從這里可以看到,普通光源發(fā)出來的光,其頻率成分極為復(fù)雜,發(fā)射方向各向都有,初位相也各不相同,因而不是相干光。

　　三、受激輻射

　　愛因斯坦于1905年推廣了普朗克的能量子概念,提出了光量子的假設(shè),因而成功地解釋了光電效應(yīng)。1917年愛因斯坦又從純粹的熱力學(xué)出發(fā),用具有分立能級(jí)的原子模型來推導(dǎo)普朗克輻射公式。在這一工作中,愛因斯坦預(yù)言了受激輻射的存在,四十年以后,由于第一臺(tái)激光器開始運(yùn)轉(zhuǎn),愛因斯坦的這一預(yù)言得到了有力證實(shí)。

　　處于激發(fā)態(tài)的原子,如果在外來光子(即外來電磁場(chǎng))的影響下,引起從高能態(tài)向低能態(tài)的躍遷,并把兩個(gè)狀態(tài)之間的能量差以輻射光子的形式發(fā)射出去,那么這種過程就叫做受激發(fā)射。

　　單位體積單位時(shí)間內(nèi)受激發(fā)射原子數(shù)可以寫為

　　n21'=B21n2u(v)

　　其中n2為比例系數(shù)。B21稱為受激輻射系數(shù)。B21u(v)稱為受激輻射速率,用w21表示。它表明原子體系在外來光輻射作用下,產(chǎn)生E2到E1受激躍遷的本領(lǐng)。于是可寫成

　　n21'=n2w21

　　這里,應(yīng)特別注意自發(fā)輻射與受激輻射的區(qū)別。同時(shí)要注意,只有當(dāng)外來光子的能量hv21正好滿足hv21=E2-E1關(guān)系式時(shí),才能引起受激輻射。而且受激輻射發(fā)出來的光子與外來光子具有相同的頻率,相同的發(fā)射方向,相同的偏振態(tài),相同的位相和速率。

　　現(xiàn)在我們以紅色為例談?wù)勎矬w的顏色。組成物質(zhì)的分子或原子具有不同的能量狀態(tài)(我們也叫能級(jí))E1、E2、E3…En,當(dāng)其中兩能級(jí)間的能量差△E剛好等于入射白光中的紅光光子的能量hv時(shí),紅光光子將被原子吸收,使原子從某一低能級(jí)En變化到某一較高能級(jí)En';經(jīng)過一短暫時(shí)間后,原子又從較高能級(jí)En'回到原子低能級(jí)En,并將能量差△E以紅光光子的形式重新發(fā)射出來,于是我們看到的就是再發(fā)射出來的紅光光子。但它是經(jīng)過一系列變化后重新產(chǎn)生的,而不是像乒乓球碰到墻壁上反彈回來那么簡(jiǎn)單,這就是我們所說的光的反射。

　　天空中的藍(lán)色又是怎樣形成的呢?天空的大氣由多種氣體組成,稀薄氣體中的孤立原子(或分子)與光子作用時(shí)所發(fā)生的現(xiàn)象與固體、液體與光子作用時(shí)不一樣.對(duì)絕大多數(shù)氣體分子來說,例如O2、H2、CO2、H2O等,它們都具有與光子對(duì)應(yīng)的紅外區(qū)和紫外區(qū)的共振,但對(duì)可見光不發(fā)生共振。加之氣體很稀薄,故對(duì)可見光來說,氣體是透明的,我們的眼睛甚至感覺不到它的存在。但對(duì)紅外區(qū)和紫外區(qū)的光來說就能發(fā)生共振,其中紫外區(qū)的共振機(jī)制決定于原子中的電子振蕩,而紅外區(qū)的共振機(jī)制決定于相當(dāng)于原子核質(zhì)量的電荷振蕩。由此因素,原子對(duì)紅外區(qū)共振的振幅較小,對(duì)紫外區(qū)共振的振幅較大。按電動(dòng)力學(xué)原理:在輻射的強(qiáng)度正比于頻率的4次方時(shí),振光因頻率高、振幅大,散射強(qiáng)度也大,故天空中的大氣對(duì)入射的白光散射的主要是高頻部分的藍(lán)色成分的光,所以天空呈藍(lán)色,這種散射也叫“瑞利散射”。

　　參考文獻(xiàn):

　　1、《光學(xué)教程》,華東師大出版社,姚鈞,1981年6月第一版。

　　2、《物理學(xué)》第二卷第二分冊(cè),上�？萍汲霭嫔�,李仲卿等譯,1978年。

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