光的量子性和激光简介(3)

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1、光的量子性和激光简介(3)制作者：赣南师范学院物理与电子信息学院：王形华1§3、玻尔原子模型与爱因斯坦辐射理论一、原子结构经典理论的困难1、经典原子模型卢瑟福粒子散射实验证明，原子中心有个很小的核，即原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成，它们之间存在着静电的吸引力。按照库仑定律，静电力服从平方反比律，这和天体间的万有引力服从的规律是一样的。所以由经典理论可知：2（1）原子中的电子应象太阳系中的行星绕日旋转那样，围绕着原子核沿圆或椭圆轨道不断地旋转。（2）电子绕核旋转，必须具有一定的动能。动能越大轨道的半径或半长轴就越大；没有动能时，它就会被静电力吸引

2、到原子核上去。（3）电子轨道运动的周期T正比与半径或半长轴a的3/2次方，即T∝a3/2（开普勒第三定律）。轨道越小，周期越短。32、经典理论的困境（1）任何作加速运动的带电粒子都要发射电磁波。而电子沿圆或椭圆的轨道旋转是一种加速运动，它必然要不断地发射电磁波。（2）电磁波要带走一部分能量，这能量来源于带电粒子本身，既然电子不断发射电磁波，其动能不断被消耗掉。如果没有能量补充，每个电子的轨道都要不断缩小，最后被吸引到原子核上去。4（3）若电子运动的周期是T，则它发射的电磁波的周期也是T，或者说，电磁波的频率υ=1/T。在电子轨道不断缩小的过程中周期不断减

3、小，从大量原子平均来看，它们发射的电磁波谱应是连续的。（4）事实上电子可以在核周围处于无辐射状态，此外原子的光谱不是连续谱，而是线状的分立谱。这和经典理论直接冲突。5二、氢原子光谱中的谱线学1、在长期的研究中人们发现氢原子光谱中可光波段内有一个谱线序列，它们的波长可用下列经验公式表示：672、氢原子谱线系893、结论10三、玻尔假说1、原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1，E2，，En，而不能采取其它值。这些定态能量的值勤叫做能级。2、只有当原子从一个定态跃迁到另一定态时，才发出或吸收电磁辐射。3

4、、玻尔频率条件：hv=En-Em或v=（En-Em）/h4、氢原子的能级应为：En=-hcT（n）=-hcRH/n2n叫做（主）量子数。5、原子能级中能量最低的叫做基态，其余的叫做激发态。11四、粒子数按能级的统计分布——玻耳兹曼正则分布律Nn∝e－En/kT在常温的热平衡态下，电气体中几乎全部处于基态.N1＞＞N212五、自发辐射、受激辐射和受激吸收13六、粒子数反转与光放大1、热平衡时，N1＞＞N2，光在介质中传播，总是受激吸收占优势,N1＜N2——反转分布（激活介质）。2、在处于反转分布的激活介质中，当有外来光信号输入时，其中v=（E2-E1）/h

5、的成分就放大了（受激辐射）。七、能级的寿命、稳态与亚稳态激发态τ:～10-8s亚稳态τ:～10-3s14§4、激光简介一、激光器原理产生激光有三个主要元素：（1）激活介质能经受激发射而使入射光强放大；（2）能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；（3）放置激活介质的诣振腔，它增加放大并实施发射频率的选择。15二、常见激光器的种类固体激光器（红宝石激光器）气体激光器（氦—氖激光器）染料激光器（用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂）半导体激光器16三、激光的主要特性1、能量高度集中；2、时间相干性高——谱线窄，单色性好；3、空间相干性好——波前上各点都

6、是相干的。即一方面激光是定向强光束，另一面是单色的相干光束。17四、激光的应用激光在各个技术领域中的有着广泛应用：激光通讯、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微光谱分析、激光受控热核反应等方面，主要是利用激光第一方面的特性；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光测流速等领域，主要是利用激光第二方面的特性。18