第2章光谱原理-2.3 光与物质相互作用.ppt

第2章 光谱原理 2.3 光与物质相互作用 2.3.1 光的波粒二象性 2.3.2 光的发射 2.3.3 光的吸收 2.3.4 跃迁定律 2.3.5 光的散射 * * 2.1 原子结构 2.2 分子结构 2.3 光与物质相互作用 2.4 光谱线轮廓与线宽 2.3.1 光的波粒二象性 2.3.2 光的发射 2.3.3 光的吸收 2.3.4 跃迁定律 2.3.5 光的散射 光具有波动性和粒子性，在特定情况下会凸显某一方面的性质。 1、波动性：光的衍射 2、粒子性：光的反射 光量子假说的发展 “在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” 1900年 “在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----” 黑体辐射实验 迈克尔逊-莫雷实验 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 例子一：黑体辐射实验——普朗克量子假说 辐出度 实验曲线 经典电磁理论，瑞利-琼斯曲线 经典热力学理论，维恩曲线 经典理论无法解释黑体辐射实验！ 普朗克量子假说 分子或原子为谐振子，可吸收或发射能量 吸收或发射的能量分立，且为hν的整数倍 热平衡条件下，吸收和发射服从波尔兹曼分布，∝ 频率ν的平均能量 单位体积内频率ν~ν+dν的模数量 普朗克量子假说（Cont.） 频率ν~ν+dν的能量 频率ν的辐出度 能量密度 普朗克公式 （黑体辐射公式） 普朗克公式与瑞利-琼斯公式和维恩公式的关系？ 1.普朗克公式 2.维恩公式 3.瑞利-琼斯公式 例子二：光电效应——爱因斯坦光量子假说 实验现象：光照射到金属表面，金属会发射出电子 阳极 阴极 石英窗 与经典相悖的实验结果 (1) 截至频率：入射光频率大于它才有电子逸出 只要光强足够大就会有电子逸出 （×） (2) 遏制电动势：随入射光频率增大而增大 电子发射速度取决于光强 （×） (3) 瞬时性：迟滞时间不超过10-9秒 光要照射一段时间后才会发射电子 （×） 爱因斯坦光量子假说 光束是由光子构成的粒子流 它在真空中以光速c传播 频率为v的光子具有能量为hv 对光电效应的解释 当νW/h时，电子吸收一个光子可以克服逸出功逸出 电子的初动能随频率ν增加而增大，而Uq=1/2mvm2 电子吸收一个光子就可以逸出，不需要长时间的能量积累 光强I=Nhν越强，光子数就越多，则逸出的电子越多 光的波动性与粒子性的联系 粒子——光子 质量 m=0 运动速度 v=c 动量 p=E/c 波——光波 频率ν 波长λ=c/ν 量子假说 E=hν p=h/λ 1. 高频或短波长 2. 与物质相互作用 1. 低频或长波长 2. 传播过程中 微观粒子从高能级跃迁到低能级，将发射出光子， 包括自发辐射和受激辐射两种类型 自发辐射：处于高能级的粒子在没有外来光的影响下，自发跃迁到低能级而发出光子的过程，一般为非相干光 受激辐射：处于高能级的粒子在外来光的影响下，跃迁到低能级，辐射一个和外来光特性完全相同的光子，一般为相干光，激光形成原理 hv hv hv E2, n2 E1, n1 A21：自发跃迁几率，自发辐射爱因斯坦系数，与辐射场无关，与原子在能级2上的平均寿命成反比。 自发辐射 E2, n2 E1, n1 W21：受激辐射跃迁几率，与辐射场相关 B21：受激辐射爱因斯坦系数 受激辐射 受激辐射的应用——激光 Laser — Light amplified by stimulated emission of radiation 两个基本条件：粒子数反转和谐振腔 粒子数反转的实现：泵浦源，将粒子从低能级输送到高能级 工作物质存在亚稳态 受激辐射的应用——激光（Cont.） 谐振腔：使某一方向、某一频率的辐射不断加强。 微观粒子从低能级跃迁到高能级，将吸收一定频率的光子， 包括一般吸收和选择性吸收 一般吸收，吸收强度与波长无关，比如：白光被物体吸收后透射光仍是白光 选择性吸收，吸收强度与波长相关，某些波段吸收特强 选择性吸收在光谱中更有用 光吸收的能级理论解释 E2, n2 E1, n1 W12：受激吸收跃迁几率，与辐射场相关 B12：受激吸收爱因斯坦系数 光吸收的经典解释 1. 光源：振荡的