光量子性和激光ppt课件

1、第九章第九章 光的量子性和激光光的量子性和激光 1 热辐射热辐射1热辐射和光的非热发射热辐射和光的非热发射1辐射的定义：不靠对流、碰撞传导，辐射的定义：不靠对流、碰撞传导， 依托发射电磁波传送能量。依托发射电磁波传送能量。2辐射光的发射的分类：辐射光的发射的分类： 按能量的补给方式不同，按能量的补给方式不同， 辐射分为热辐射和非热发射。辐射分为热辐射和非热发射。3热辐射热辐射1热辐射：不断加热，维持物体温度，热辐射：不断加热，维持物体温度， 坚持继续发光。坚持继续发光。2平衡热辐射温度辐射：平衡热辐射温度辐射： 吸收的热量恰好等于发射减少的能量，吸收的热量恰好等于发射减少的能量， 可以用恒定的

2、温度来描画。如太阳、可以用恒定的温度来描画。如太阳、 白炽灯的辐射。白炽灯的辐射。4非热发射非热发射1电致发射：电能转化为光能的发光。电致发射：电能转化为光能的发光。 如日光灯、水银灯的发光过程。如日光灯、水银灯的发光过程。2光致发光：光致发光： 用光激发发光体的发光。如荧光粉用光激发发光体的发光。如荧光粉 发出的荧光，磷光物质发出的磷光。发出的荧光，磷光物质发出的磷光。3化学发光：化学发光： 由化学反响释放能量引起的发光。由化学反响释放能量引起的发光。 如磷缓慢氧化发出的光。如磷缓慢氧化发出的光。4生物化学发光：生物化学发光： 生物体内的发光，如萤火虫体内生物体内的发光，如萤火虫体内 荧光素

3、氧化反响的发光。荧光素氧化反响的发光。5热辐射和非热发射的区别热辐射和非热发射的区别1能量补给方式不同：能量补给方式不同： 热辐射依托加热补给能量，非热发射热辐射依托加热补给能量，非热发射 依托电能、光能、化学能补给能量。依托电能、光能、化学能补给能量。2能量转化的方式不同：能量转化的方式不同：热辐射：辐射能来自原子或分子的无规热辐射：辐射能来自原子或分子的无规 热运动能量，不发生内部形状的改动。热运动能量，不发生内部形状的改动。非热发射：辐射能来自原子或分子内部非热发射：辐射能来自原子或分子内部 形状的改动、即能级间的跃迁辐射。形状的改动、即能级间的跃迁辐射。1只需物体的温度只需物体的温度

4、， 就有热辐射。就有热辐射。6热辐射的特点热辐射的特点KT02热辐射谱是延续谱。热辐射谱是延续谱。3在固、液和气体中均可发生。在固、液和气体中均可发生。4黑体辐射谱线的外形仅由温度决议。黑体辐射谱线的外形仅由温度决议。5是平衡形状下的辐射，也称温度辐射。是平衡形状下的辐射，也称温度辐射。2描画辐射场的物理量描画辐射场的物理量1辐射场的能量密度及其谱密度辐射场的能量密度及其谱密度：单位体积内一切频率的总辐射能，：单位体积内一切频率的总辐射能，单位：焦耳单位：焦耳/立方米立方米 。3/mJU：单位体积内在频率：单位体积内在频率 附近附近单位频率间隔中的辐射能，单位频率间隔中的辐射能，)(u单位：焦

5、耳单位：焦耳/立方米赫兹立方米赫兹 3/J mHzduU0)(2辐射通量及其谱密度：辐射通量及其谱密度：单位时间内经过辐射场中某一截面：单位时间内经过辐射场中某一截面的辐射能，即经过该截面的辐射功率，的辐射能，即经过该截面的辐射功率，单位：瓦单位：瓦 W。：单位波段内的辐射通量，：单位波段内的辐射通量，单位：瓦单位：瓦/赫兹赫兹 。HzW /dd)( ) 其中：其中： 是从面元是从面元 发出的发出的 辐射通量的谱密度。辐射通量的谱密度。：单位波段内的辐射身手，：单位波段内的辐射身手， 单位：瓦单位：瓦/平方米赫兹平方米赫兹 。3辐射身手及其谱密度：辐射身手及其谱密度：辐射源单位外表积向半球空间

6、发出的：辐射源单位外表积向半球空间发出的辐射通量，单位：瓦辐射通量，单位：瓦/平方米平方米 。HzmW2/2/W mR( )rdSdr)()()(ddSdrR0)(4辐射照度及其谱密度：辐射照度及其谱密度：照射到物体单位外表积上的辐射通量，：照射到物体单位外表积上的辐射通量，单位：瓦单位：瓦/平方米平方米 。)( )(dSde：单位波段内的辐射照度，：单位波段内的辐射照度，单位：瓦单位：瓦/平方米赫兹平方米赫兹 。其中：其中： 是投射到面元是投射到面元 上的上的 辐射通量的谱密度。辐射通量的谱密度。deE0)(E2/W m( )eHzmW2/)( ddS5 与与 的关系式的关系式)(e)(u可

7、以证明，在各向同性条件下：可以证明，在各向同性条件下： )(4)(uce6吸收身手： 吸收的与照射的辐射通量的谱密度之比。( )( ),( )dad 1)(0a是无量纲量。是无量纲量。 3基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律1基尔霍夫基尔霍夫 热辐射定律热辐射定律)(),(),(TuTaTr平衡热辐射中任何物体的平衡热辐射中任何物体的与与 之比之比)(Tr，),(Ta等于普适函数等于普适函数 ，与物体的性质无关。与物体的性质无关。)(Tu2对基尔霍夫热辐对基尔霍夫热辐 射定律的解释射定律的解释1绝热腔中放置多个不同资料的物体绝热腔中放置多个不同资料的物体2容器内部抽成真空，物体间只能容器内部抽

8、成真空，物体间只能 经过热辐射交换能量。经过热辐射交换能量。3容器壁为理想反射体，整个体系容器壁为理想反射体，整个体系 成为孤立系。成为孤立系。T4系统热平衡后，系统热平衡后， 处处均匀处处均匀,不随不随 时间变化。时间变化。5且：且： ),(),(),(111TeTaTr),(),(),(222TeTaTr， 平衡态下，腔内辐射场应是均匀、稳定平衡态下，腔内辐射场应是均匀、稳定且各向同性，且各向同性，因此系统中的各个物体得到的辐射照度因此系统中的各个物体得到的辐射照度的谱密度该当相等。的谱密度该当相等。即：即： )(4),(),(),(21TucTeTeTe 规范能谱规范能谱 ：与物质无关的

9、普适函数：与物质无关的普适函数( )Tu因此有：因此有： 1212( , )( , )( )( , )( , )TrTrTuaTaT3基尔霍夫热辐射定律对热辐射景象的解释基尔霍夫热辐射定律对热辐射景象的解释阐明如下的热辐射景象：阐明如下的热辐射景象：KT1000白底黑三角磁盘加热到白底黑三角磁盘加热到 时，时，白底处变暗了，黑三角处变亮了。白底处变暗了，黑三角处变亮了。加加热热前前加加热热后后 黑三角处辐射身手更大，显得更亮。黑三角处辐射身手更大，显得更亮。白底处特点：白底处特点： 小小 也就小，也就小， 但反射率高。但反射率高。),(Ta)(Tr，黑三角处特点：黑三角处特点： 大大 也大，也

10、大， 反射率低。反射率低。),(Ta)(Tr，常温下：常温下： 很低，看到的主要是反射光，很低，看到的主要是反射光，)(Tr， 白底处反射率高，白底显得较亮。白底处反射率高，白底显得较亮。高温下：高温下： 明显增大，辐射占主导位置，明显增大，辐射占主导位置，)(Tr，2但但 ， 4绝对黑体和黑体辐射绝对黑体和黑体辐射1绝对黑体的含义：绝对黑体的含义：1),(0Ta的物体，简称黑体。的物体，简称黑体。2绝对黑体的基尔霍夫定律和性质：绝对黑体的基尔霍夫定律和性质：)(4),(0TucTr留意：留意：1绝对黑体不反射能量绝对黑体不反射能量0)(4),(0TucTr辐射身手最大，可以辐射能量辐射身手最

11、大，可以辐射能量 。3绝对黑体的制造绝对黑体的制造绝对黑体是理性化的物体，自然界的绝对黑体是理性化的物体，自然界的任何物体都不是真正的绝对黑体。任何物体都不是真正的绝对黑体。把侧面带孔的空腔内部涂黑，器壁上把侧面带孔的空腔内部涂黑，器壁上安装很多黑色带孔的横壁，就制成了安装很多黑色带孔的横壁，就制成了非常理想的非常理想的“绝对黑体。绝对黑体。留意：小孔才是留意：小孔才是“绝对黑体绝对黑体 4黑体辐射谱的丈量及其实验规律黑体辐射谱的丈量及其实验规律1实验安装和光路实验安装和光路2黑体辐射的实验曲线黑体辐射的实验曲线3实验曲线的特点实验曲线的特点)0(a呈中间凸起的曲线形，呈中间凸起的曲线形， 及

12、及 处趋于零。处趋于零。b温度升高时曲线整体上升温度升高时曲线整体上升c随温度升高曲线极大值对应的波长随温度升高曲线极大值对应的波长 向短波方向挪动向短波方向挪动5斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律1斯特藩玻耳兹曼定律：斯特藩玻耳兹曼定律：4TRT)/(1067. 54212KcmW斯特藩玻耳兹曼常数斯特藩玻耳兹曼常数 2维恩位移定律维恩位移定律bTM；T增高，曲线峰值左移。增高，曲线峰值左移。维恩常数：维恩常数： Kcmb288. 03由维恩位移定律得到的一些结论由维恩位移定律得到的一些结论1温度不太高时，热辐射的温度不太高时，热辐射的 绝大部分是红外线绝大部分

13、是红外线K380007600AM2 时，时， K60003 太阳外表的温度时，太阳外表的温度时，04600AM，这是青色光的波长。，这是青色光的波长。此时全部可见光都较强，此时全部可见光都较强，人眼的觉得是白色光，人眼的觉得是白色光，因此，这个温度的光谱称为白光光谱，因此，这个温度的光谱称为白光光谱，所以太阳光是白光。所以太阳光是白光。6黑体辐射的经典实际及其与实验的矛盾黑体辐射的经典实际及其与实验的矛盾1维恩公式维恩公式维恩假设：维恩假设： 黑体辐射由许多可视为谐振子的黑体辐射由许多可视为谐振子的 分子的辐射构成，频率为分子的辐射构成，频率为 的的 辐射只与速率辐射只与速率 为的辐射物质的为

14、的辐射物质的 分子有关，频率正比于分子的动能：分子有关，频率正比于分子的动能： 21v2mv，由此推导出由此推导出 按频率的辐射分布公式：按频率的辐射分布公式：)/exp(),(230TcTr)/exp(),(520TccTr维恩公式在短波区与实验曲线符合得较好，维恩公式在短波区与实验曲线符合得较好，在长波区那么偏离实验曲线较大。在长波区那么偏离实验曲线较大。)(Tr，2瑞利金斯公式瑞利金斯公式从能量按自在度均分定律出发，从能量按自在度均分定律出发，得到黑体辐射身手为：得到黑体辐射身手为：),(2)(4),(220TcucTrT瑞利以为谐振子的能量延续分布，瑞利以为谐振子的能量延续分布，根据玻

15、耳兹曼分布率，在热平衡态下，根据玻耳兹曼分布率，在热平衡态下，)/exp(kT振子具有能量振子具有能量 的概率正比于的概率正比于KJk/1038. 123是玻耳兹曼常数。是玻耳兹曼常数。 那么：那么： kTdkTdkT00)/exp()/exp(得到如下的辐射分布公式：得到如下的辐射分布公式：2022( , ),rTkTckTcTr402),(瑞利金斯公式在长波区与实验曲线瑞利金斯公式在长波区与实验曲线符合得很好符合得很好0),(0Tr但但 时，时， 历史上有人称为历史上有人称为“紫外灾难。紫外灾难。阐明经典物理学无法解释黑体辐射，阐明经典物理学无法解释黑体辐射，预示着物理学面临一场革命性的变

16、革！预示着物理学面临一场革命性的变革！假设处于辐射场中的系统由大量包含各种假设处于辐射场中的系统由大量包含各种固有频率的谐振子组成，频率为固有频率的谐振子组成，频率为 的谐振子的谐振子能量能量 的取值只能是根本单元的取值只能是根本单元的整数倍。的整数倍。7能量子假说与普朗克公式能量子假说与普朗克公式1能量子假说能量子假说1900年普朗克大胆提出了普朗克能量子假设：年普朗克大胆提出了普朗克能量子假设：h0nhn0(1,2,3,)n sJh3410626. 6称为普朗克常数称为普朗克常数谐振子只能以离散方式，谐振子只能以离散方式，一份一份的发射或吸收能量。一份一份的发射或吸收能量。2普朗克公式普朗

17、克公式根据普朗克能量子假设可以得到：根据普朗克能量子假设可以得到：00000)/exp()/exp(nnkTnkTnn令：令： 利用：利用： kT/1000)/exp(11)exp(nkTn),(2)(4),(220TcucTrT1)/exp(1)exp(000kTh)exp(1ln(0) )exp(ln(00nn可求得：可求得： 即：即： 带入前面的黑体辐射公式：带入前面的黑体辐射公式： 就得到：就得到：称为黑体辐射的普朗克公式。称为黑体辐射的普朗克公式。 1)/exp(12),(520TkhchcTr1)/exp(2),(320kThchTr3讨论讨论3经过长波近似经过长波近似 1普朗克公式与黑体辐射实验曲线完全吻合普朗克公式与黑体辐射实验曲线完全吻合kTh1)/exp(kTh， 2经过短波近似经过短波近似 普朗克公式化为维恩公式普朗克公式化为维恩公式kTh1)/exp(kTh 普朗克公式化为瑞利金斯公式普朗克公式化为瑞利金斯公式4求