光学第七章光与物质相互作用

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1、光学2008年12月参考教材赵凯华编著：新概念物理学《光学》本章讨论的主要内容是：（1）介质中光的辐射经典理论，以及一些光和物质相互作用而产生的一些现象，比如光的吸收、色散、散射；（2）简要讨论了光与物质的相互作用研究领域在20世纪最重大的发现和发明——激光。本章所涉及到的问题大部分是光学甚至是物理学的前沿问题，尽管以经典的理论可以做一些解释，但对其本质的说话往往都是似是而非，比如光的波粒二象性。因而，本章不做深入的探讨，只介绍最基本的知识。感兴趣的话，希望大家进一步深造，通过光这个人眼可见的窗口去探索物理世界最深层的奥秘。第一节光辐射理论1.介质中

2、的光波设在介质中某点，光波的电场强度为：介质内的原子中的电子和质子构成一对偶极子，电场E与偶极子发生作用，并策动其振动，振动方程为：r是偶极子位移的大小，上述方程的一个稳定解为：第一节光辐射理论1.介质中的光波那么介质中电场强度E是如何传播的呢？先看极化强度大小，设介质电荷密度为N，则介质的极化强度为：已知介质中的电场强度与极化强度的关系为：比较可以得到：电极化率与相对介电常数之间的关系为：第一节光辐射理论1.介质中的光波从上面分析可以看出，电极化率是个复数，为了与实数介电常数相区别，定义复介电常数参照介电常数与折射率的关系，定义复折射率：第一节光辐

3、射理论1.介质中的光波这样介质中的最后电场的传播方程就可以写成：第一节光辐射理论2.辐射的量子理论量子理论认为，原子中的电子与核构成的能量值是不能连续取值的，能量只能取一些离散的值，形成一个能级系统，处于不同电子轨道上的电子处于不同的能级状态。在热平衡状态下，处于各个能级状态的粒子数是稳定的。满足所谓的波尔兹曼分布。NEkE1在量子力学中，光是以光子形式出现，频率为的光波其光子所具有的能量为：h称作普朗克常数第一节光辐射理论2.辐射的量子理论量子理论认为，光的辐射是由于原子从高能级向低能级跃迁时向外释放的能量。设原来的能级能量为Ei，跃迁到低能级E

4、k，则向外辐射的能量为这个能量就是一个光子的能量，光的频率为：光的辐射和吸收可以分为自发辐射、受激辐射和受激吸收。EiEk~~~~h第一节光辐射理论2.辐射的量子理论受激吸收：原子可以吸收一个光子跃迁到高的能级，显然，此时，介质内的原子能级状态也必须具有和外来光子能量一致的能级差。EiEk~~~~h自发辐射：原子在没有受到外界作用下，自发的从高能级跃迁到低能级而发射光子的辐射。h~~~~~~~~h受激辐射：原子在受到外来光子诱导下，发射一个与外来光子一模一样的光子。显然，介质内的原子能级状态必须具有和外来光子能量一致的能级差EiEkh~~~

5、~第二节光的吸收与色散1.光的线性吸收规律光是变化的电磁场，当光在介质中传播时，光的电磁场将和物质的基本结构中的微观粒子发生作用，这些粒子在交变电磁场作用下，通过能量的吸收和释放，形成新的发光源，并产生新的光波，这就是光波在介质中传播的本质，这一点类似于惠更斯原理。但是，光波与物质的作用是复杂的，产生的新的光波可能和原来入射的光一模一样，也可能面目全非。如果是一模一样，这就是线性的，如果面目全非，就有可能是非线性的。1.光的线性吸收规律如果物质对入射光某波长的光的吸收和释放的光能量相等，说明介质对光波没有吸收，如果释放的同一波长的光能减少了，就说介质

6、对这个波长有吸收。所谓线性吸收，指的是，物质在单位长度内对光能量的吸收正比于入射到这个长度内的光的强度，正比于光在物质内传播的距离。设光波经过厚度为dx的介质，在dx内光强为I，经过dx后，光强变为I+dI，则按照线性吸收的定义，可以写成数学表达式：dxx为什么有负号？这实际上是一个微分方程，光强从A端的I0传到B点，B点的光强I是多少？ABI0I第二节光的吸收与色散1.光的线性吸收规律比较可以得到：对上式两边进行积分得到：设B点的光波方程为对应的光强为因而，B点的光波方程可以表示成与介质中的光波方程比较，可得：第二节光的吸收与色散2.吸收光谱从吸收

7、系数可知，当入射光的频率与介质的共振频率0相同时，吸收系数迅速增大，介质表现出对频率为0的光强烈吸收。因为0仅与物质的性质有关，因为可以通过测量吸收的了那些波长的光来研究介质的性质。令具有连续波长的光通过介质后再经过光谱仪，即可将不同的波长的光被吸收的情况显示出来，形成吸收光谱。吸收光谱发射光谱第二节光的吸收与色散3.光的色散第二节光的吸收与色散通过光的辐射经典理论已经得到折射率与光的频率有关可以得到与波长的关系：n可见光吸收区正常色散区3.光的色散第二节光的吸收与色散称作科希公式，它实际上严格的折射率公式的幂级数展开后的近似。在正常色散区

8、，折射率可表示成一种近似的形式：在正常色散区，折射率随波长的增加而减少，而在吸收带，折射率随着波长的增加而急