光與物質的相互作用
以下是小編整理的關于光與物質的相互作用的論文，歡迎大家借鑒!
摘要：當固體和氣體加熱到很高溫度時就會發光,它們是主要的人造光源。太陽和遙遠的星球,處在高溫等離子狀態,是宇宙中卓越的光源。本文從光與原子的相互作用的方面對這一問題進行說明。
關鍵詞：基態;激發態;能級;受激輻射;自發輻射
天空為什么是藍色的?花兒為什么是紅色的?霓虹燈會發出紅光?人們會提出這樣的問題已絕非少數。回答類似的問題,只憑“吸收”“反射”兩詞來解釋,并不能使人感到滿意,他們更想知道光與物質相互作用的內部機制,即光與物質是如何作用的。
可見光的波長范圍在400nm～700nm之間,其長波是接近紅顏色的,即低頻部分;而短波是接近紫顏色的,即高頻部分。我們看到的紅色就是接近于紅顏色那部分的低頻光;而藍色就是接近于紫顏色那部分的高頻光。紅色的物體看上去之所以是紅色的,是因為紅色物體將照到它上面的紅色成份的光反射了出來,使我們能夠看到它。那么物體對光的這種反射作用是否就像乒乓球碰到墻壁上被反彈回來一樣簡單呢?了解了物質的微觀機制后,我們會清楚,并不是那么簡單。
為了說明發光的機制,玻爾作了一個假定。他認為,當電子在某一個固定的有序軌道上運動時,并不發射光子。而只有當電子從一個能量較大的狀態跳躍到另一個能量較小的狀態時,電子的總能量才發生變化。這部分能量的改變值,就以光子的形式輻射出來。反之,當電子從一個能量較小的狀態跳遷到能量較大的狀態時,它一定要吸收光子。
人們對于光的種種性質的了解,都是通過觀察光與物質相互作用而獲得的。光與物質的相互作用,可以歸結為光與原子的相互作用。這種相互作用,有三種主要過程:吸收、自發輻射和受激輻射。
一、吸收
如果有一個原子,開始時處于基態E1.若沒有任何外來光子接近它,則它保持不變。如果有一個能量為hv21的光子接近這個原子,則他可能吸收這個光子,從而提高它的能量狀態。本來處于基態E1的原子在吸收hv21以后,就激發到激發態E2,在吸收過程中不是任何一個能量的光子都能被一個原子所吸收。只有當光子的能量正好等于院子的能級間隔E2-E1稱時,這樣的光子才能被吸收。
設處于基態E1的原子密度為n1,光的輻射能量密度為u(v),則單位體積單位密度內吸收光子而躍遷到激發態E2去的原子數應該與n12和u(v)成正比,因而有
n12∝n1u(v)
即
n12=B12n1u(v)
其中為比例系數,稱為吸收系數。稱為吸收率,用表示,于是可寫成
n12=n1ω12
二、自發輻射
從經典力學的觀點講,一個物體如果勢能很高,他將是不穩定的。與此相類似,處于激發態的原子也是不穩定的,它的激發態停留的時間都非常短,大約在10-8秒的數量級。在不受外界影響時,它們會自發地返回到基態去,從而放出光子。這種自發地從激發態返回較低能態而放出光子的過程,叫做自發輻射過程。
自發輻射的特點是這種過與外界作用無關。各個原子的輻射都是自發地、獨立地進行的,因而各個原子發出來的光子在發射方向和初位相都是不相同的。除激光器光源外,普通光源的發光都屬于自發輻射。例如霓虹燈,當燈管內的低氣壓氖原子,由于加上了高電壓而放電時,部分氖原子被激發到各個激發態能級。當它們從激發態躍遷回到基態時,便發出多種頻率的紅色光。從這里可以看到,普通光源發出來的光,其頻率成分極為復雜,發射方向各向都有,初位相也各不相同,因而不是相干光。
三、受激輻射
愛因斯坦于1905年推廣了普朗克的能量子概念,提出了光量子的假設,因而成功地解釋了光電效應。1917年愛因斯坦又從純粹的熱力學出發,用具有分立能級的原子模型來推導普朗克輻射公式。在這一工作中,愛因斯坦預言了受激輻射的存在,四十年以后,由于第一臺激光器開始運轉,愛因斯坦的這一預言得到了有力證實。
處于激發態的原子,如果在外來光子(即外來電磁場)的影響下,引起從高能態向低能態的躍遷,并把兩個狀態之間的能量差以輻射光子的形式發射出去,那么這種過程就叫做受激發射。
單位體積單位時間內受激發射原子數可以寫為
n21'=B21n2u(v)
其中n2為比例系數。B21稱為受激輻射系數。B21u(v)稱為受激輻射速率,用w21表示。它表明原子體系在外來光輻射作用下,產生E2到E1受激躍遷的本領。于是可寫成
n21'=n2w21
這里,應特別注意自發輻射與受激輻射的區別。同時要注意,只有當外來光子的能量hv21正好滿足hv21=E2-E1關系式時,才能引起受激輻射。而且受激輻射發出來的光子與外來光子具有相同的頻率,相同的發射方向,相同的偏振態,相同的位相和速率。
現在我們以紅色為例談談物體的顏色。組成物質的分子或原子具有不同的能量狀態(我們也叫能級)E1、E2、E3…En,當其中兩能級間的能量差△E剛好等于入射白光中的紅光光子的能量hv時,紅光光子將被原子吸收,使原子從某一低能級En變化到某一較高能級En';經過一短暫時間后,原子又從較高能級En'回到原子低能級En,并將能量差△E以紅光光子的形式重新發射出來,于是我們看到的就是再發射出來的紅光光子。但它是經過一系列變化后重新產生的,而不是像乒乓球碰到墻壁上反彈回來那么簡單,這就是我們所說的光的反射。
天空中的藍色又是怎樣形成的呢?天空的大氣由多種氣體組成,稀薄氣體中的孤立原子(或分子)與光子作用時所發生的現象與固體、液體與光子作用時不一樣.對絕大多數氣體分子來說,例如O2、H2、CO2、H2O等,它們都具有與光子對應的紅外區和紫外區的共振,但對可見光不發生共振。加之氣體很稀薄,故對可見光來說,氣體是透明的,我們的眼睛甚至感覺不到它的存在。但對紅外區和紫外區的光來說就能發生共振,其中紫外區的共振機制決定于原子中的電子振蕩,而紅外區的共振機制決定于相當于原子核質量的電荷振蕩。由此因素,原子對紅外區共振的振幅較小,對紫外區共振的振幅較大。按電動力學原理:在輻射的強度正比于頻率的4次方時,振光因頻率高、振幅大,散射強度也大,故天空中的大氣對入射的白光散射的主要是高頻部分的藍色成分的光,所以天空呈藍色,這種散射也叫“瑞利散射”。
參考文獻:
1、《光學教程》,華東師大出版社,姚鈞,1981年6月第一版。
2、《物理學》第二卷第二分冊,上海科技出版社,李仲卿等譯,1978年。
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