人体生物学之人体结构课件2.ppt

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1、§1.2光的受激辐射基本概念光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。在普朗克(MaxPlanck)于1900年用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射能量分布规律。波尔(NielsBohr)在1913年提出原子中电子运动状态量子化假设。在上述基础上，1917年爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，并在推导中提出了两个极为重要的概念：自发辐射和受激辐射。四十年后，受激辐射概念在激光技术中得到了应用。3.这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射（blackbodyradiation）。一、

2、黑体辐射的普朗克公式§1.2光的受激辐射基本概念2.处于某一温度T的黑体在热平衡情况下，吸收的辐射能量等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间处于能量(热)平衡状态1.处于某一温度T的物体能够发出和吸收电磁辐射，称为热辐射或温度辐射。如果某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体，简称黑体。4.黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率的函数，用单色能量密度来描述：在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量(Jm-3s）腔内单位体积中频率处于附近的单位频率间隔内的光波模式数为普朗克提出辐射能量量子化假设：在温度T的热平衡情况下，黑体辐射分配

3、到腔内每个模式上的平均能量为黑体辐射的普朗克公式K＝1.38062×10-23J／oC黑体辐射实质上是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的结果。原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发出量子跃迁，或称能级跃迁。热跃迁：交换的能量是热运动的能量。光跃迁：交换的能量是光能。二、受激辐射和自发辐射假设：1)物质是同类原子（粒子）组成的体系；2)参与相互作用的原子只有两个能级E2、E1，且。单位体积内处于两能级的原子数分别为n2、n1E1，n1E2，n2特点：1）自发产生；2）辐射是独立的1，自发辐射如果有原子处于高能级E2到低能级E1E1，n1E2，n2自发发射系数A21:设在

4、高能级E2上的粒子数密度为n2，在t~t+dt时间内，由高能级E2自发跃迁到低能级E1的粒子数dn21：A21的物理意义:每一个处于E2能级的粒子在单位时间内自发向E1能级跃迁的几率：自发跃迁概率，a）只与原子自身的性质有关，而与辐射场ρν无关的自发过程。b）是原子在E2能级上的平均寿命的倒数。自发跃迁爱因斯坦系数单位时间内能级E2所减少的粒子数:高能级E2上粒子数随时间t按指数律衰减。高能级上粒子数随时间的变化规律:只有E1、E2两个能级，dn2=dn21自发发射光功率q(t)(即光强与时间)t的关系:q0=hvA21n20是t=0时的自发发射光功率自发发射光功率随时间t

5、亦按指数律衰减按经典模型，原子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡∵参予自发发射的每个粒子发射一个光子hν2、受激吸收在t~t+dt时间内，由低能级E1受激吸收跃迁到高能级E2的粒子数dn12：特点：非自发的，有辐射场作用；减弱辐射的强度W12=B12，B12只与原子性质有关：受激吸收跃迁爱因斯坦系数E1，n1E2，n2E1，n1E2，n2W12意义：单位时间内，由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级总粒子数n1的百分比；也即E1能级上每一个粒子单位时间内发生受激吸收而跃迁到E2能级的几率。腔内黑体辐射场与物质原子相互作用的结果维持黑体处于温度为T的热平衡状

6、态热平衡条件下，n2（或n1）保持不变：从能级E2跃迁到能级E1的粒子数应等于从能级E1跃迁到能级E2上的粒子数。腔内存在着由普朗克公式表示的热平衡黑体辐射。物质原子数按能级的分布服从玻尔兹曼分布。3.受激辐射存在受激吸收跃迁的反过程：受激辐射跃迁。处于能级E2的原子在频率为ν的辐射场作用下，以一定的几率诱导粒子产生能级2→1的跃迁，能量（E2—E1）将以电磁波的形式辐射一个能量为hν的光子，并叠加于入射场。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。E1，n1E2，n2E1，n1E2，n2采用光子的概念，在受激发射过程中，入射光子激励处于激发态的粒子，实现能级2→1的跃迁，从而得

7、到两个光子:光放大过程。在t~t+dt时间内，由高能级E2受激辐射到低能级E1的粒子数dn21非自发的，有辐射场作用；增强辐射的强度；与原光子性质、状态完全相同W21与原子性质有关，与场有关，受激辐射跃迁概率；B21只与原子性质有关，受激辐射跃迁爱因斯坦系数。假定粒子之间，以及粒子与腔壁之间达到热平衡；考虑由大量粒子组成的原子系统与光作用时，同时存在自发发射、受激吸收和受激发射二种过程，并且粒子与光场之间以吸收和发射方式交换的能量达到平衡。这样，得到的结果再与普朗克公式比较，即得爱因斯坦关系式。三、爱因斯坦系数之间