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大学物理学电子教案 海大理学院教学课件 量子物理（6） 19－11 激光 19－12 半导体 19－13 超导电性 。。 复 习 氢原子的量子理论简介 氢原子的定态薛定谔方程 三个量子数 氢原子在基态时的径向波函数和电子的分布概率 多电子原子中的电子分布 电子自旋 自旋磁量子数 四个量子数 多电子原子中的电子分布 。。 引言 1．物理学的三次大突破导致了生产力的大飞跃 力学、热力学的研究（18世纪下半叶） ——蒸汽机的发明和广泛应用 ——第一次工业革命 电磁学的研究和电磁理论的建立 ——发电机、电动机、无线电 ——第二次工业革命（工业电气化） 相对论、量子力学的建立——高速、微观 核物理 ——核能 原子、分子物理 ——激光 半导体、固体物理 ——新材料 ——第三次工业革命（信息化） 。。 当前的物理学正处于第四次大突破的前夜 19世纪末：开尔文：物理学晴朗天空有两朵淡淡的乌云 迈克尔逊—莫雷实验 相对论的建立 紫外灾难 量子力学的建立 20世纪末：李政道：两朵乌云 对称性破缺 ——宇称不守恒 夸克的禁闭 ——找不到自由的夸克 ——预示着新的有重大意义的物理规律的诞生 大型强子对撞机LHC 8+8TeV(CERN) 相对论重离子对撞机RHIC 100GeV/每个核子 它们的运行有可能导致重大发现，导致物理学新的重大突破 1991年4月：我国：组织力量、抓住机遇、迎接挑战 。。 2．高新技术的主要内容与发展序列 以信息技术为先导 以新材料技术为基础 以新能源技术为支柱 在宏观上向空间及海洋技术发展 在微观上则向生物技术开拓 基础： 相对论 量子力学 内容： 信息技术 新材料技术 新能源技术 。。 19－11 激光 激光： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 缩写为Laser，它表示“辐射的受激发射的光放大”。 激光是20世纪的四项重大的发明之一 。。 一、激光的发明 1916年，爱因斯坦提出受激辐射概念 1946年，布洛赫提出粒子数反转概念 1947年，兰姆和雷瑟福指出通过粒子数反转可以实现受激辐射 1948年，柏塞尔发现粒子数反转现象，提出负温度的概念，1952年，与布洛赫获得诺贝尔奖 1949年，卡斯特勒发明光泵，1971年获得诺贝尔奖 1951年，核自旋能级反转 1952年，韦伯提出微波激射器原理 。。 1954年，汤斯、肖洛和普洛霍洛夫、巴索夫发明氨Maser(微波激射放大器) 1957年，汤斯和肖洛最先发表激光器的详细方案，引人激光的概念 l 958年l 2月，肖洛和汤斯在《物理评论》上发表《红外区和光学激射器》，论证将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性。这是激光文上有重要意义的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理奖 1960年，梅曼发明第一台激光器——红宝石激光器 。。 二、光与原子的相互作用 1、自发辐射 原子自发地从高能级返回到低能级并放出光子的过程，称为自发辐射。光子的能量为 hn =E2-E1 特点： 原子的跃迁是自发的、独立的，与外界作用无关； 光的振动方向、相位都不一定相同，不是相干光。 hn E2 E1 hn E2 E1 2、受激吸收 原子吸收能量为hn =E2-E1的光子，从低能级E1跃迁到高能级E2的过程称为光的吸收，又称为受激吸收。 特点： 不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激”才会产生 外来光子必须符合hn =E2-E1的条件。 。。 hn E2 E1 3、受激辐射 hn hn 原子因受外来光子的刺激而从高能级状态向低能级状态跃迁并辐射光子的过程，称为受激辐射。 特征： 不是自发产生的，必须有外来光子的刺激，且外来光子的频率必须满足hn =E2-E1的条件； 受激辐射出的光子与外来刺激的光子在频率、发射方向、相位及偏振状态等方面完全相同。 在一个入射光子的作用下，获得大量的状态完全相同的光子，即形成了光放大。 。。 三、激光原理 1、粒子数正常分布和粒子数布居反转分布 在温度为T的平衡态时，原子中的电子处于能级Ei的数目Ni为 原子中处于N2和N1的电子数目之比为 处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做粒子数的正常分布。 为了实现光放大，必须使处于高能级上的电子数大于低能级上的电子数，这种分布与正常分布相反，故叫做