大学物理课件：第16章早期量子论.ppt

1、1量子物理学量子物理学 19世纪末，经典物理学已发展到顶峰。世纪末，经典物理学已发展到顶峰。 牛顿力学牛顿力学 1846发现海王星发现海王星 电磁学电磁学 光的电磁性光的电磁性光学光学 热学热学 统计力学统计力学 在当时看来，已知的一切物理现象，都可以从在当时看来，已知的一切物理现象，都可以从现成的理论里得到解释。现成的理论里得到解释。 “物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要做些修补工作就行了。做些修补工作就行了。 ” J.J.汤姆孙汤姆孙2 相对论指出了经典物理学的第一个局限性相对论指出了经典物理学的第一个局限性不适用不适用高速高速运动领域。运动领

2、域。 量子量子物理学指出了经典物理学的第二个局限物理学指出了经典物理学的第二个局限性性不适用于电子、原子、分子等不适用于电子、原子、分子等微观微观领域。领域。 相对论和量子物理学统称相对论和量子物理学统称近代物理学近代物理学。“物理学晴朗的天空中漂浮着两朵小乌云物理学晴朗的天空中漂浮着两朵小乌云”开尔文开尔文 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪实验实验 相对论相对论 黑体辐射黑体辐射 量子论量子论3第第 16 章章 ( (Early quantum theory) 早期量子论早期量子论416.1 量子论的提出量子论的提出一一.黑体辐射黑体辐射 任何物体在任何温度下，都会发出电磁辐射，任何物体在任何温

3、度下，都会发出电磁辐射，称为称为热辐射热辐射。 温度不同时，辐射的波长（或频率）也不同。温度不同时，辐射的波长（或频率）也不同。热辐射波谱是连续谱，各种波长都有，热辐射强度热辐射波谱是连续谱，各种波长都有，热辐射强度按波长的分布和温度有关。按波长的分布和温度有关。 黑体：黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射的能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体。（如只开一个小孔的空腔）物体。（如只开一个小孔的空腔） 与材料性质无关，方便研究普遍规律。与材料性质无关，方便研究普遍规律。5 用用经典物理经典物理研究黑体辐射：研究黑体辐射： 维恩公式：维恩公式：从热力学出发，假设黑体辐射是由一些从热力学出发，假

4、设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来。服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来。 高频符合，低频明显偏离高频符合，低频明显偏离 瑞利瑞利-金斯公式：金斯公式：从电动从电动力学和统计物理出发。力学和统计物理出发。 低频符合，高频发散趋低频符合，高频发散趋向无穷（向无穷（紫外灾难紫外灾难）“紫外灾难紫外灾难”),(0TM 实验实验T=1646k维恩维恩瑞利瑞利-琼斯琼斯普朗克理论值普朗克理论值普朗克公式：普朗克公式：完全符合完全符合6二二.普朗克能量子假说普朗克能量子假说(1918年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖) “必须假定，能量在发射和吸收的时候，必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连

5、续不断，而是分成一份一份的。不是连续不断，而是分成一份一份的。” 能量以能量以 h 为基本单位为基本单位能量子能量子 1900年，普朗克年，普朗克凑凑出来一个在全波段都和实验结出来一个在全波段都和实验结果相符合的公式果相符合的公式普朗克公式。普朗克公式。 为了解释这个公式，他提出了为了解释这个公式，他提出了“量子量子”的概念。的概念。sJ1063. 6 34h普朗克常量7一一.汤姆孙原子模型汤姆孙原子模型*16.2 卢瑟福原子模型结构卢瑟福原子模型结构二二. 粒子散射实验粒子散射实验三三.卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型8 光照射某些金属时，从金属表面释放出电子的光照射某些金属时，从金属表面释放出

6、电子的效应，产生的电子称为效应，产生的电子称为“光电子光电子”。一一.光电效应光电效应16.3 爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论 光电效应现象早在光电效应现象早在1887年就由赫兹发现，直到发年就由赫兹发现，直到发现电子后，人们才知道发出的粒子是电子。现电子后，人们才知道发出的粒子是电子。 量子的概念和经典物理格格不入，普朗克本人都量子的概念和经典物理格格不入，普朗克本人都只把它当做是处理问题的数学手段。只把它当做是处理问题的数学手段。 最早对量子论做出进一步发展的是爱因斯坦。最早对量子论做出进一步发展的是爱因斯坦。91.当入射光频率一定时当入射光频率一定时,饱和电流饱和电流Is和光强成正

7、比。和光强成正比。-IAV电源电源KA二二.光电效应的实验定律光电效应的实验定律-UaUIo光强光强较大较大光强光强较小较小Is(入射光频率一定入射光频率一定)10 Ua截止电压截止电压(又称又称遏止电压遏止电压)。aeUm 221-IAV电源电源KA-UaUIo光强光强较大较大光强光强较小较小Is(入射光频率一定入射光频率一定)114.06.08.010.0 (1014Hz)0.01.02.0Ua(V)CsNaCa 实验发现实验发现: :Ua= K - Uo( (与入射光强无关与入射光强无关) )-IAV电源电源KAaeUm 221 221me(K - Uo) 2.光电子的初动能随入射光的频

8、率线性增加，光电子的初动能随入射光的频率线性增加，与入射光的强度无关。与入射光的强度无关。123.存在红限存在红限-IAV电源电源KA 对一给定的金属对一给定的金属, 当入射光的频率小于某一频率当入射光的频率小于某一频率 o(红限频率红限频率)时时, 就没有光电子逸出就没有光电子逸出(即没有光电流即没有光电流)。 不同物质具有不同的不同物质具有不同的红限频率。红限频率。 4.立即发射，驰豫时立即发射，驰豫时间不超过间不超过10-9s。 波动说的困难波动说的困难)(212KUeKmo 0)(oeK 13三三.爱因斯坦光子说爱因斯坦光子说(1921年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖)逸出功：逸出功：oo

9、hchA 光不仅在吸收和辐射时是以光不仅在吸收和辐射时是以能量为能量为h 的的粒子粒子( (光子光子) )形式进行的形式进行的, 而且以这种粒子的形式以光速而且以这种粒子的形式以光速c在空间传播。在空间传播。 一束光就是一束以光速一束光就是一束以光速c运动的粒子运动的粒子( (光子光子) )流。流。Amh 221 光电效应方程光电效应方程: :（普朗克常量（普朗克常量h=6.63 10-34J.s）14小结小结：光子的特性：光子的特性(1)光子的能量光子的能量 E =h =hc/ (2)光子的质量光子的质量 chchcEm 22动质量：动质量：静质量：静质量：221cmmo (光子的速度光子的

10、速度 =c)Amh 221 2mcE (3)光子的动量光子的动量 hmcpc =mo=015 解解 (1)Amh 221 ohchcm 221c =311011. 9 mh= 6.6310-34 =6.5105(m/s) 例题例题16-1 真空中一孤立金属球的红限波真空中一孤立金属球的红限波长长 o=6500，入射光，入射光波长波长 =4000，试求，试求: (1)发射出的光电子的初速度；发射出的光电子的初速度； (2)若金属球半径若金属球半径R=30cm，该球能放出多，该球能放出多少个光电子？少个光电子？16 金属球发出光电子后，电势就会升高，升金属球发出光电子后，电势就会升高，升高到遏止电

11、压高到遏止电压Ua时就不再发射光电子了。时就不再发射光电子了。RqUoa 4 aeUm 221 Ua=1.19 (V)RNeo 4 eRUNao 4 =2.48 108个个 (2)若金属球半径若金属球半径R=30cm，该球最多能放，该球最多能放出多少个光电子？出多少个光电子？17 例题例题16-2 波长为波长为 的光投射到一金属表面，发的光投射到一金属表面，发射出的光电子在匀强磁场射出的光电子在匀强磁场B中作半径中作半径R的圆运动，求的圆运动，求: (1)入射光子的入射光子的能量、质量和动量；能量、质量和动量； (2)此金属的逸出功及遏止电势差。此金属的逸出功及遏止电势差。 解解 (1)eBm

12、R mReB Amhc 221mBeRhcA2222 E = h p =mc =h/ c ,= hc/ ,=h/ 2cEm (2)aeUm 221由由得得meBRUa222 18 例题例题16-3 一定频率的单色光照射到某金属表面一定频率的单色光照射到某金属表面,测出光电流曲线如实线所示；然后光强度不变、增大测出光电流曲线如实线所示；然后光强度不变、增大照射光的频率，测出光电流曲线如虚线所示。满足题照射光的频率，测出光电流曲线如虚线所示。满足题意的图是意的图是 (D)UIo(B)UIo(C)UIo(D)UIo(A)19 例题例题16-4 光的能流密度光的能流密度S=30(W/m2)，(1)求单

13、位求单位时间内投射到物体表面单位面积上的总动量时间内投射到物体表面单位面积上的总动量; (2)若物若物体表面的反射率为体表面的反射率为1, 求物体表面受的光压。求物体表面受的光压。 解解 单位时间内投射到物体表面单位面积上的光单位时间内投射到物体表面单位面积上的光子数为子数为 hSN 于是单位时间内投射该物体表面单位面积上的总于是单位时间内投射该物体表面单位面积上的总动量为动量为 hNp cS =1.010-7 (kgm-1s-2)cSpP22 =2.010-7 ( pa)由动量定理由动量定理: F t = p=2 p ,于是于是光压为光压为20 例题例题16-5 图为光电效应实验曲线。图为光

14、电效应实验曲线。(1)求证对不求证对不同材料的金属，同材料的金属，AB段的斜率相同；段的斜率相同；(2)由图上数据求由图上数据求出普朗克常数出普朗克常数h。 解解 (1)AB10.05.0 ( 1014Hz)2.0Ua(V)0,Amh 221 AeUha ddUeha aeUm 221ehddUa 可见，可见，AB段的斜率与材料种段的斜率与材料种类无关。类无关。 ddUeha =6.410-34Js求导求导21*16.4 固体的比热固体的比热 不同原子的辐射光谱完全不同，因此研究原子光不同原子的辐射光谱完全不同，因此研究原子光谱的规律是探索原子内部结构的重要方法。谱的规律是探索原子内部结构的重

15、要方法。 一一.氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 1.氢原子光谱是由一些分立的细亮线组成，即是氢原子光谱是由一些分立的细亮线组成，即是分立的线光谱分立的线光谱。65634863 4340 410116.5 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论22 2.谱线的波数谱线的波数(波长波长)由下式确定：由下式确定：)11(122nkR k=1, n=2,3, 赖曼系赖曼系(紫外区紫外区); k=2, n=3,4, 巴耳末系巴耳末系(可见光区可见光区); k=3, n=4,5, 帕邢系帕邢系(红外区红外区); (R=1.097107m-1里德伯常数里德伯常数) 3. 任何原子谱线的波数均可由下式确定：任

16、何原子谱线的波数均可由下式确定：)n(T)k(T T(k)、T(n), 称为光谱项。称为光谱项。23 1911年，卢瑟福通过年，卢瑟福通过 粒子散粒子散射实验证明射实验证明: 原子是由带正电的原子是由带正电的核核和在核外和在核外作轨道运动的作轨道运动的电子电子组成。组成。 卢瑟福原子模型的困难卢瑟福原子模型的困难: 不能解释原子的稳定性问题不能解释原子的稳定性问题; 不能解释原子为什么会发出分不能解释原子为什么会发出分立线状光谱。立线状光谱。 二二.卢瑟福原子核型结构及困难卢瑟福原子核型结构及困难24三三.玻尔氢原子假设玻尔氢原子假设 (1)定态假设定态假设 原子系统只能处于一系列不连续的能量

17、状态原子系统只能处于一系列不连续的能量状态(能级能级E1,E2,)；电子虽然在相应的轨道上绕核作圆；电子虽然在相应的轨道上绕核作圆周运动，但不辐射能量。这种状态称为周运动，但不辐射能量。这种状态称为定态定态。 (2)轨道角动量量子化假设轨道角动量量子化假设 电子绕核作圆周运动，其轨道角动量电子绕核作圆周运动，其轨道角动量:nrmL 量子数量子数n=1,2, 2h (3)量子跃迁假设量子跃迁假设 原子从原子从 En 跃迁到跃迁到 Ek 发出发出(或吸收或吸收)光的频率光的频率:hEEkn 25四四.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论rmreo2224 nrmL 得轨道半径：得轨道半径：onanr2

18、 n=1,2,22mehaoo 玻尔半径玻尔半径:=5.2910-11m三条基本假设经典理论三条基本假设经典理论(牛顿定律牛顿定律)r26onanr2 nokremE 82122 氢原子系统的动能：氢原子系统的动能：rmreo2224 氢原子系统的势能：氢原子系统的势能：nopreE42 氢原子系统的能量：氢原子系统的能量：nopkreEEE82 22mehaoo )hme(nEon224281 n=1,2,即即27氢原子氢原子系统的系统的能量能量为为26 .13neVEn n=1,2,.(1)能量是能量是量子化量子化的的负值负值。 n=1, 基态基态， E1=- -13.6eV, r1=ao

19、 ; n=2, 第第1激发态激发态， E2=- - 3.4eV, r2=4ao ; n=3, 第第2激发态，激发态， E3=- -1.51eV, r3=9ao ; n=4, 第第3激发态，激发态， E4=- - 0.85eV, r4=16ao ; 能量为负值能量为负值表示原子中的电子处于表示原子中的电子处于束缚态束缚态。onanr2 28 (2)电离电离能能(使基态氢原子中的电子远离核所需作使基态氢原子中的电子远离核所需作的功的功)为为 E电离电离 =13.6eV, 与实验很好符合。与实验很好符合。 (3)当原子从能态当原子从能态En跃迁到跃迁到Ek时，发射光子的频时，发射光子的频率为率为hE

20、Ekn )8(12242hmenEon )11(822324nkhmeo )11(22nkRc chmeRo3248 =1.097107m-1(里德伯常数里德伯常数)11(122nkR 29-13.6eV-3.4eV-1.51eV-0.85eV)11(122nkR hEEckn 26 .13neVEn n=1,2,.n=1(基态基态)n=2(第第1激发态激发态)n=3 (第第2激发态激发态)n=4 (第第3激发态激发态)赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系30五五.玻尔理论的成就与缺陷玻尔理论的成就与缺陷 成功成功: 玻尔理论成功地解释了玻尔理论成功地解释了氢氢原子的光谱规律。原子的光谱规

21、律。定态、能级、电子跃迁等概念是普遍成立的。定态、能级、电子跃迁等概念是普遍成立的。 不足不足：无法解释氢原子光谱的精细结构以及强：无法解释氢原子光谱的精细结构以及强度和能带性质，更无法解释其它原子的光谱规律度和能带性质，更无法解释其它原子的光谱规律。 玻尔理论实际上是经典理论与量子理论的大杂玻尔理论实际上是经典理论与量子理论的大杂烩（烩（半经典理论半经典理论）。）。 但玻尔理论给人们指明了一个方向，只有用完但玻尔理论给人们指明了一个方向，只有用完整的量子理论才能正确地描述原子世界的规律。整的量子理论才能正确地描述原子世界的规律。 鉴于玻尔对原子结构和原子辐射的贡献，他被鉴于玻尔对原子结构和原

22、子辐射的贡献，他被授予授予1922年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。31*玻尔研究所和哥本哈根学派玻尔研究所和哥本哈根学派 玻尔不仅是伟大的科学家，还是大名鼎鼎的哥玻尔不仅是伟大的科学家，还是大名鼎鼎的哥本哈根学派的本哈根学派的“掌门人掌门人”。 坐落在哥本哈根的波尔研究所，被视为是坐落在哥本哈根的波尔研究所，被视为是“量量子力学的圣地子力学的圣地”。玻尔和海森堡、泡利玻尔和海森堡、泡利父子诺贝尔父子诺贝尔32 例题例题16-6 可见光能否使基态氢原子受到激发？可见光能否使基态氢原子受到激发？要使基态氢原子发出可见光要使基态氢原子发出可见光, 至少应供给多少能量？至少应供给多少能量？ 解解 激发

23、激发使处于基态的氢原子跃迁到激发态。使处于基态的氢原子跃迁到激发态。可见光光子的能量可见光光子的能量(取取 =4000 7600)： hcE 3.1eV可见光不能使基态氢原子受到可见光不能使基态氢原子受到激发。激发。 要使基态氢原子发出可见要使基态氢原子发出可见光光, 至少应供给的能量为至少应供给的能量为 -13.6-3.4-1.51-0.851234巴耳末系巴耳末系 最低激发能量为最低激发能量为13.6-1.51=12.09 eV1.6eV m光子光子，入射光子几乎不损失能量。，入射光子几乎不损失能量。 几个问题：几个问题：41 根据计算得知，自由电子若吸收光子，就无法根据计算得知，自由电子

24、若吸收光子，就无法同时满足能量守恒和动量守恒。同时满足能量守恒和动量守恒。 2.为什么康普顿效应中的电子不能像光电为什么康普顿效应中的电子不能像光电效应一样吸收光子而是散射光子？效应一样吸收光子而是散射光子？ 3. 为什么在光电效应中不考虑动量守恒？为什么在光电效应中不考虑动量守恒？ 在光电效应中，入射光子能量低，电子与整个原在光电效应中，入射光子能量低，电子与整个原子的联系不能忽略，光子子的联系不能忽略，光子电子系统动量不守恒。电子系统动量不守恒。 又原子质量大，能量交换可忽略，能量守恒。又原子质量大，能量交换可忽略，能量守恒。 4.为什么可见光观察不到康普顿效应？为什么可见光观察不到康普顿

25、效应？ 因可见光的光子能量不够大，原子内的电子不能因可见光的光子能量不够大，原子内的电子不能视为自由，所以可见光不能产生康普顿效应。视为自由，所以可见光不能产生康普顿效应。42 例题例题16-9 用波长用波长 o =0.014的的X射线作康普顿散射线作康普顿散射实验射实验, 反冲电子的最大动能是多小？反冲电子的最大动能是多小？ 解解 根据能量守恒根据能量守恒, 反冲电子的动能为反冲电子的动能为 hchcEok 事实上事实上 的最大值只为的最大值只为 max= o +2 c ，由此得，由此得反冲反冲电子的最大动能为电子的最大动能为 上式有极上式有极值的条件是一阶导数为零，由此得值的条件是一阶导数

26、为零，由此得 ，最大动能是最大动能是okhcE cokhchcE 2=1.110-13 J43 例题例题16-10 康普顿散射中，入射波长康普顿散射中，入射波长 o =0.1。在与入射方向成在与入射方向成90 角的方向上，散射波长为多大角的方向上，散射波长为多大? 反冲电子的动能和动量如何反冲电子的动能和动量如何? 解解 将将 =90代入代入:2sin22co散射波长为散射波长为 = o + =0.1+0.024=0.124反冲电子的动能：反冲电子的动能： hchcEok=3.810-15 Jc44 coscosmhho x:y: sinsin0mh 将将 =90代入得代入得,cos pho

27、sinph 2211 ohp=8.510-23 (SI)4438)78. 0(cos)(cos11pho由动量由动量守恒：守恒：xyoohch m hch45 例题例题16-11 X射线射线( o =0.03)投射到石墨上投射到石墨上, 测得测得反冲电子速度反冲电子速度 =0.6c, 求求: (1)电子因散射而获得的能量电子因散射而获得的能量是静能的几倍是静能的几倍? (2)散射光子的波长散射光子的波长 =?散射角散射角 =? 解解 (1)电子因散射而获得的能量电子因散射而获得的能量:)c/(cmcmmcEook11122222 =0.25moc2(2)又又225. 0cmEok = 0.04

28、342sin22 cmhoo 由由得：得： =63.4, hchco46 例题例题16-12 康普顿散射中，入射光子能康普顿散射中，入射光子能量为量为0.5Mev。若反冲电子能量为。若反冲电子能量为0.1Mev，求，求散射光子波长的改变量散射光子波长的改变量 与与入射光子波长入射光子波长 o之比。之比。解解 oohcE hcEEok kokoooEEE 411 . 05 . 01 . 0ooEhc koEEhc 4716.8 激光原理激光原理 激光激光 (Laser)，是，是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写

29、。的缩写。 激光具有以下特性：激光具有以下特性： 1. 方向性好（发散角方向性好（发散角10 -4弧度）弧度） 2. 相干性好（时间相干性、空间相干性、单色性）相干性好（时间相干性、空间相干性、单色性）3. 脉冲瞬时功率大（可达脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）瓦） 自自1960年问世以来，激光已经被广泛的用于现代科年问世以来，激光已经被广泛的用于现代科技的各个领域当中。技的各个领域当中。 我国的激光技术在世界上处于先进行列。我国的激光技术在世界上处于先进行列。48一一.光的吸收和辐射光的吸收和辐射E2E1光的吸收光的吸收-E2E1光的辐射光的辐射hv=E2 -E1E2 -E1=hv 根据波尔

30、模型的跃迁假设，能级的跃迁伴随根据波尔模型的跃迁假设，能级的跃迁伴随着光子的吸收和辐射。着光子的吸收和辐射。49二二.自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射 没有外界作用、没有外界作用、 原子自发的从激发态返回基态原子自发的从激发态返回基态自发辐射自发辐射。 特点特点: 自发辐射出的自发辐射出的光子特性光子特性(频率、相位、偏频率、相位、偏振状态、传播方向振状态、传播方向)各不相同各不相同，所以自发辐射的光是，所以自发辐射的光是不相干的。普通光源发光就属于自发辐射。不相干的。普通光源发光就属于自发辐射。-E2E1自发辐射自发辐射E2 -E1=hv50 原子在外来光子原子在外来光子(hv=E2-E

31、1)的剌激下，从的剌激下，从E2跃跃迁到迁到E1受激辐射受激辐射。 特点特点:受激辐射辐射发出的受激辐射辐射发出的光子特性光子特性(频率、相频率、相位、偏振状态以及传播方向位、偏振状态以及传播方向)完全完全相同相同。 hv=E2 -E1-E2E1E2 -E1=hv受激辐射（爱因斯坦提出）受激辐射（爱因斯坦提出）51 一个光子的输入一个光子的输入, 由于受激辐射而得到两个完由于受激辐射而得到两个完全相同的光子全相同的光子,这两个又可变为四个这两个又可变为四个这就形成这就形成了雪崩式的了雪崩式的光放大光放大过程。过程。 由于受激辐射出的大量光子特性相同，即光子由于受激辐射出的大量光子特性相同，即光

32、子简并度大，所以受激辐射发出的光相干性好，亮度简并度大，所以受激辐射发出的光相干性好，亮度极高极高, 从而出现光源的质的飞跃。从而出现光源的质的飞跃。 因此，因此，受激辐射是形成激光的基础。受激辐射是形成激光的基础。52 有了受激辐射，是否就能得到激光输出呢？有了受激辐射，是否就能得到激光输出呢？ 否！要知道，光通过工作物质时，不仅有受激否！要知道，光通过工作物质时，不仅有受激辐射形成的光放大，还有光的吸收。辐射形成的光放大，还有光的吸收。 根据玻耳兹曼分布律，通常温度下，处于低能根据玻耳兹曼分布律，通常温度下，处于低能态的原子数总是多于高能态的原子数态的原子数总是多于高能态的原子数(正常分布

33、正常分布)。光。光通过这种介质时，吸收光子的原子多，辐射光子的通过这种介质时，吸收光子的原子多，辐射光子的原子少，因此总的效果是光强减弱。原子少，因此总的效果是光强减弱。 要获得真正的光放大，就要求辐射光子的原子要获得真正的光放大，就要求辐射光子的原子多，吸收光子的原子少多，吸收光子的原子少， 这就必须使处于高能态上这就必须使处于高能态上的原子数的原子数N2多于低能态原子数多于低能态原子数N1, 这种分布称为这种分布称为粒子粒子数反转数反转分布。分布。 实现实现粒子数反转粒子数反转是产生激光的必要条件。是产生激光的必要条件。三三.粒子数反转粒子数反转53 实现粒子数反转的两个条件是：实现粒子数

34、反转的两个条件是： 第一，外界向工作物质输入第一，外界向工作物质输入能量能量，把尽可能，把尽可能多的原子从低能级激发到高能级，这一过程称为多的原子从低能级激发到高能级，这一过程称为激励激励(也称为抽运或泵浦也称为抽运或泵浦)。 激励的方法激励的方法:光、放电、化学反应、核能。光、放电、化学反应、核能。 第二，第二， 工作物质要有工作物质要有(能发生粒子数反转的能发生粒子数反转的)适当的能级结构。适当的能级结构。 1 12 23 31 12 23 34 4三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统54 一个一个激光器激光器由三个基本部分由三个基本部分组成组成: 激光工作物质、激励激光工作物质、激励

35、(能源能源)装置和光学谐振腔。装置和光学谐振腔。 激光器的组成激光器的组成全反射全反射反射反射99%工作物质工作物质光学谐振腔光学谐振腔. .激励装置激励装置四四.激光器的结构激光器的结构55 其中其中光学谐振腔光学谐振腔的作用有三：的作用有三： 1.产生和维持光放大。产生和维持光放大。 2.改善方向性。改善方向性。3.提高单色性。提高单色性。2nkL k =1,2,.nLck2 . . 光学谐振腔光学谐振腔全反射全反射反射反射99%输出激光束输出激光束Lk=1k=2k=3L56 红宝石是一根掺有红宝石是一根掺有0.035%铬离子铬离子(Cr3+)的的Al2O3晶体棒。晶体棒。 最早的激光器，

36、脉冲式，功率高。最早的激光器，脉冲式，功率高。 铬的工作能级铬的工作能级E1基态基态E3激发态激发态E2亚稳态亚稳态光光抽抽运运 550nm入射光光泵入射光光泵快衰变快衰变(无辐射无辐射) 694.3nm激光激光1.红宝石激光器红宝石激光器五五.常见激光器常见激光器57 2.He-Ne激光器激光器6328碰撞交碰撞交换能量换能量亚稳态亚稳态E2基态基态E1HeNeE1E2E3电子碰电子碰撞激励撞激励 特点：连续式、寿命长、造价低、单色性好、相特点：连续式、寿命长、造价低、单色性好、相干性好、方向性好。干性好、方向性好。58特点：特点：能量转换率高，功率大、工作条件简便。波能量转换率高，功率大、

37、工作条件简便。波长为长为10.6微米的谱线正好处于大气传输窗口微米的谱线正好处于大气传输窗口应用：应用：材料加工、远距离目标识别，光纤传感，非材料加工、远距离目标识别，光纤传感，非线性光学，等离子体物理，医学光化学等。线性光学，等离子体物理，医学光化学等。其他激光器：氩离子激光器，染料激光器、其他激光器：氩离子激光器，染料激光器、钕玻璃激光器、半导体激光器等。钕玻璃激光器、半导体激光器等。 3. 二氧化碳激光器二氧化碳激光器59 六六.激光的应用激光的应用 1) 激光加工：主要应用光照射对物体局部激光加工：主要应用光照射对物体局部产生热效应，而使物质汽化、融化。产生热效应，而使物质汽化、融化。

38、 2) 激光计量：主要应用激光良好的相干性激光计量：主要应用激光良好的相干性测量距离，而进一步测量速度、流体的流速、角测量距离，而进一步测量速度、流体的流速、角速度等。速度等。 3) 军事应用：激光测距仪、激光雷达、激军事应用：激光测距仪、激光雷达、激光制导、激光武器。光制导、激光武器。 其中武器应用主要是利用激光干扰或破坏其中武器应用主要是利用激光干扰或破坏敌方的关键电子元件。敌方的关键电子元件。604) 激光信息存储激光信息存储 应用激光单色性好、相干性好的特点，可应用激光单色性好、相干性好的特点，可以使激光汇聚于一个非常小的点上。以使激光汇聚于一个非常小的点上。CDCD 5) 其他应用：其他应用：激光防伪标志、激光手术刀激光防伪标志、激光手术刀、激光通讯（光纤通讯）、激、激光通讯（光纤通讯）、激光光谱分析、激光全息术、干光光谱分析、激光全息术、干涉记录，衍射再现等。涉记录，衍射再现等。