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光与物质的相互作用

散文选刊(理论版)2010年5月下旬刊第1期

光与物质的相互作用

张卫东(甘肃省漳县职业中学748300)

【摘要】当固体和气体加热到很高温度时就会发光,它们是主要的人造光源.太阳

和遥远的星球,处在高温等离子状态,是

宇宙中卓越的光源.本文从光与原子的相互作用的方面对这一问题进行说明.

【关键词l基态;激发态;能级;受激辐射;自发辐射

天空为什么是蓝色的?花儿为什么是红色的?霓虹灯会发

出红光?人们会提出这样的问题已绝非少数.回答类似的问题,

只凭只凭吸收吸收反反射射两词来解释,并不能使人感到满意,他们更

想知道光与物质相互作用的内部机制.即光与物质是如何作用

的.

可见光的波长范围在400nm~7OOnm之间.其长波是接近

红颜色的,即低频部分;而短波是接近紫颜色的,即高频部分.

我们看到的红色就是接近于红颜色那部分的低频光;而蓝色就

是接近于紫颜色那部分的高频光.红色的物体看上去之所以是

红色的.是因为红色物体将照到它上面的红色成份的光反射了

出来.使我们能够看到它.那么物体对光的这种反射作用是否

就像乒乓球碰到墙壁上被反弹回来一样简单呢?了解了物质的

微观机制后,我们会清楚,并不是那么简单.

为了说明发光的机制,玻尔作了一个假定.他认为,当电子

在某一个固定的有序轨道上运动时.并不发射光子.而只有当

电子从一个能量较大的状态跳跃到另一个能量较小的状态时,

电子的总能量才发生变化.这部分能量的改变值,就以光子的

形式辐射出来.反之,当电子从一个能量较小的状态跳迁到能

量较大的状态时,它一定要吸收光子.

人们对于光的种种性质的了解,都是通过观察光与物质相

互作用而获得的.光与物质的相互作用.可以归结为光与原子

的相互作用.这种相互作用,有三种主要过程:吸收,自发辐射

和受激辐射.

一

,吸收

如果有一个原子,开始时处于基态E.若没有任何外来光

子接近它,则它保持不变.如果有一个能量为蚴的光子接近

这个原子,则他可能吸收这个光子,从而提高它的能量状态.本

来处于基态E.的原子在吸收胁:.以后,就激发到激发态,在

吸收过程中不是任何一个能量的光子都能被一个原子所吸收.

只有当光子的能量正好等于院子的能级间隔ErE.称时,这样

的光子才能被吸收.

设处于基态的原子密度为n,光的辐射能量密度为u

),则单位体积单位密度内吸收光子而跃迁到激发态去的

原子数应该与i1.,.和u)成正比,因而有

即

n1Bl2nlu)

其中为比例系数,称为吸收系数.称为吸收率,用表示,于

是可写成

二,自发辐射

n1Fnl∞l2

从经典力学的观点讲,—个物体如果势能很高,他将是不稳

定的.与此相类似.处于激发态的原子也是不稳定的,它的激发

态停留的时间都非常短,大约在10{秒的数量级.在不受外界影

响时,它们会自发地返回到基态去,从而放出光子.这种自发地

从激发态返回较低能态而放出光子的过程,叫做自发辐射过程.

自发辐射的特点是这种过与外界作用无关.各个原子的辐

射都是自发地,独立地进行的,因而各个原子发出来的光子在

发射方向和初位相都是不相同的.除激光器光源外,普通光源

的发光都属于自发辐射.例如霓虹灯,当灯管内的低气压氖原

子.由于加上了高电压而放电时,部分氖原子被激发到各个激

发态能级.当它们从激发态跃迁回到基态时,便发出多种频率

的红色光.从这里可以看到.普通光源发出来的光,其频率成分

极为复杂,发射方向各向都有,初位相也各不相同,因而不是相

干光.

三受激辐射

爱因斯坦于1905年推广了普朗克的能量子概念,提出了

光量子的假设.因而成功地解释了光电效应.1917年爱因斯坦

又从纯粹的热力学出发.用具有分立能级的原子模型来推导普

朗克辐射公式.在这一工作中,爱因斯坦预言了受激辐射的存

在,四十年以后,由于第一台激光器开始运转,爱因斯坦的这一

预言得到了有力证实.

处于激发态的原子,如果在外来光子(eP~l-来电磁场)的影

响下,引起从高能态向低能态的跃迁,并把两个状态之间的能量

差以辐射光子的形式发射出去,那么这种过程就叫做受激发射.

单位体积单位时间内受激发射原子数可以写为

l,_l)

其中n:为比例系数..称为受激辐射系数.B:u)称为受

激辐射速率.用W!表示.它表明原子体系在外来光辐射作用

下,产生到受激跃迁的本领.于是可写成

这里,应特别注意自发辐射与受激辐射的区别.同时要注

意,只有当外来光子的能量砌正好满足hv:.=—E关系式

时,才能引起受激辐射.而且受