当前位置:首页 >> 其它课程 >> 人体生物学之人体结构课件2

人体生物学之人体结构课件2


§1.2 光的受激辐射基本概念 光与物质的共振相互作用,特别是这种相互作用中的受激 辐射过程是激光器的物理基础。
在普朗克(Max Planck)于1900年用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐 射能量分布规律。

波尔(Niels Bohr)在1913年提出原子中电子运动状态量子化假设。
在上述基础上, 1917年爱因斯坦从光量子概念出发,

重新推导了黑体辐 射的普朗克公式,并在推导中提出了两个极为重要的概念:自发辐射和 受激辐射。四十年后,受激辐射概念在激光技术中得到了应用。

§1.2 光的受激辐射基本概念 一、黑体辐射的普朗克公式 1. 处于某一温度T的物体能够发出和吸收电磁辐射,称为热 辐射或温度辐射。如果某一物质能够完全吸收任何波长 的电磁辐射,则称此物体为绝对黑体,简称黑体。

2. 处于某一温度T的黑体在热平衡情况下,吸收的辐射能量 等于发出的辐射能量,即黑体与辐射场之间处于能量(热) 平衡状态
3. 这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐 射场称为黑体辐射或平衡辐射(blackbody radiation) 。 4. 黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率?的函数,用单色能 量密度??来描述:在单位体积内,频率处于?附近的单位 频率间隔中的电磁辐射能量(J?m-3?s)

普朗克提出辐射能量量子化假设:在温度T的热平衡情况下, 黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量为
E? e h?
h? kT

?1

腔内单位体积中频率处于?附近的单位频率间隔内的光波模 式数为
P 8? ? 2 n? ? 3 Vd? c

黑体辐射的普朗克公式

8?h? 3 ?? ? En ? c3

1 e
h? kT

K=1.38062×10-23J/oC

?1

二、受激辐射和自发辐射 黑体辐射实质上是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的 结果。 原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发出量子跃迁, 或称能级跃迁。 热跃迁:交换的能量是热运动的能量。 光跃迁:交换的能量是光能。
假设: 1)物质是同类原子(粒子)组成的体系; 2)参与相互作用的原子只有两个能级E2、E1,且 两能级的原子数分别为n2、 n1

。单位体积内处于 E2 ? E1
E2,n2 E1,n1

1,自发辐射 如果有原子处于高能级E2

E2 ? E1

到低能级E1

h? 21 ? E2 ? E1

E2,n2
E1,n1
h? 21 ? E2 ? E1

特点:1)自发产生;2)辐射是独立的

自发发射系数A21:设在高能级E2上的粒子数密度为n2,在t~t+dt时间内, 由高能级E2自发跃迁到低能级E1的粒子数dn21:

(dn21 ) sp ? A21n2dt

A21 ? (

dn21 1 ) sp dt n2

自发跃迁爱因 斯坦系数

A21的物理意义: 每一个处于E2能级的粒子在单位时间内自发向E1能级跃迁 的几率:自发跃迁概率, a)只与原子自身的性质有关,而与辐射场ρν无关的自发过程。 b)是原子在E2能级上的平均寿命的倒数。

高能级上粒子数随时间的变化规律: 单位时间内能级E2所减少的粒子数:

dn2 dn21 ? ?( ) sp ? ? A21n2 dt dt t n2 ( t ) ? n20 exp(? A21t ) ? n20 exp(? ) ?s 高能级E2上粒子数随时间t按指数律衰减。
自发发射光功率q(t) (即光强与时间)t的关系:

只有E1、E2两个能级, dn2=dn21

? A21 ?

1

?s

∵ 参予自发发射的每个粒子发射一个光子hν

dn2 ? q( t ) ? h? ? h? A21n2 ( t ) ? h? A21n20e ? A21 t ? q0e ? A21 t dt
q0= h v A21n20 是 t =0 时的自发发射光功率 自发发射光功率随时间 t 亦按指数律衰减 按经典模型,原子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡

2、受激吸收
E2,n2
h? 21 ? E2 ? E1

E2,n2 E1,n1

E1,n1

在t~t+dt时间内,由低能级E1受激吸收跃迁到高能级E2的粒子数dn12:

(dn12 ) st ? W12n1dt
dn12 1 W12 ? ( ) st dt n1 W12意义:单位时间内,由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能 级总粒子数n1 的百分比;也即E1能级上每一个粒子单位时间内发生 受激吸收而跃迁到E2能级的几率。
特点:非自发的,有辐射场作用;减弱辐射的强度 W12=B12??, B12只与原子性质有关:受激吸收跃迁爱因斯坦系数

?腔内黑体辐射场??与物质原子相互作用的结果维持黑体处于温度为T 的热平衡状态

?腔内存在着由普朗克公式表示的热平衡黑体辐射。 ?物质原子数按能级的分布服从玻尔兹曼分布。
n2 g 2 ? ? e n1 g1
E 2 ? E1 kT

?热平衡条件下,n2(或n1)保持不变:从能级E2跃迁到能级E1的粒 子数应等于从能级E1跃迁到能级E2上的粒子数。

? ? n2 A21 ? n1 B12 ?? ? ? E ?E ? n2 g 2 ? 2kT 1 e ? ? ? n1 g1 ? 8?h? 3 1 ? ?? ? h? c3 ? e kT ? 1 ?

n A ?? ? 2 21 n1 B12

?? ?

A21 n2 B21 n1

A21 g 2 h? ? e kT B21 g1

3. 受激辐射
E2,n2
h? 21 ? E2 ? E1

E2,n2
h? 21 ? E2 ? E1

E1,n1

E1,n1

存在受激吸收跃迁的反过程:受激辐射跃迁。处于能级E2的原子在频 率为ν的辐射场作用下,以一定的几率诱导粒子产生能级2→1的跃迁, 能量(E2—E1)将以电磁波的形式辐射一个能量为hν的光子,并叠加 于入射场。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。 采用光子的概念,在受激发射过程中,入射光子激励处于激发态的粒子, 实现能级2 → 1的跃迁,从而得到两个光子:光放大过程。

在t~t+dt时间内,由高能级E2受激辐射到低能级E1的粒子数dn21 dn 1 (dn21 ) st ? W21n2dt W21 ? ( 21 ) st dt n2 ?非自发的,有辐射场作用;增强辐射的强度;与原光子性质、状态完 全相同 ?W21与原子性质有关,与场有关,受激辐射跃迁概率; W21 ? B21 ?? ?B21只与原子性质有关,受激辐射跃迁爱因斯坦系数。

三、爱因斯坦系数之间的关系
假定粒子之间,以及粒子与腔壁之间达到热平衡;考虑由大量粒子组成 的原子系统与光作用时,同时存在自发发射、受激吸收和受激发射二种 过程,并且粒子与光场之间以吸收和发射方式交换的能量达到平衡。这 样,得到的结果再与普朗克公式比较,即得爱因斯坦关系式。

腔内黑体辐射场?? 与物质原子相互作用的结果应该维持黑 体处于温度为T的热平衡状态。这种热平衡状态的特征是:
?腔内黑体辐射场??与物质原子相互作用的结果维持黑体处于温度为T 的热平衡状态 ?腔内存在着由普朗克公式表示的热平衡黑体辐射。 ?物质原子数按能级的分布服从玻尔兹曼分布。
n2 g 2 ? ? e n1 g1
E 2 ? E1 kT

?热平衡条件下,n2(或n1)保持不变:从能级E2跃迁到能级E1的粒 子数应等于从能级E1跃迁到能级E2上的粒子数。

? dn21 ? ? dn21 ? ? dn12 ? ? ? ?? ? ?? ? ? dt ? sp ? dt ? se ? dt ? sa



n2 A21 ? n2 B21 ?? ? n1 B12 ??

g2和g1分别为能级 E1和E2的统计权 重。

? ? n2 A21 ? n2 B21 ?? ? n1 B12 ?? ? ? E ?E ? n2 g 2 ? 2kT 1 e ? ? ? n1 g1 ? 8?h? 3 1 ? ?? ? h? c3 ? e kT ? 1 ?

?? ?
?

n2 A21 n1 B12 ? n2 B21

?

A21 1 B21 n1 B12 ?1 n2 B21

A21 1 B21 g1 B12 h? e kT ? 1 g 2 B21

h? ? B21 ? g1 B12 kT ? ? e ? 1? ? ?? A21 ? g2 B21 ? ?

1

h? ? B21 B12 g1 ? h? ? c 3 ? kT kT ? e ? 1? ? ? ? 3 ? ? A B g ? e ? 1? 8?h? ? 21 21 2 ? ? ?

在T?∞时,该式也成立,得出:爱因斯坦系数的基本关系 式

B21 c3 ? A21 8?h? 3

注意:

B12 g1 ? B21 g2

A21 8?h? 3 ? ? n? h? 3 B21 c

(1)三个系数A21、B12、 B21: 均是粒子能级结构的特征量,和外电磁场 ρν无关。 (2)三种几率: A21 和外电磁场无关; 而W12、W21 与外电 磁场ρv有关。

四、受激辐射的相干性
自发发射与受激发射,虽然都是实现能级2→1的跃迁,但两者有看 本质的区别。 自发辐射特点:各个处于高能级的粒子都是自发地、独立地进行跃迁, 不受外界辐射场的控制;大量原子的自发辐射光波可以有不同的相位 和不同的偏振方向,它们可以向空间各个方向传播。所以自发辐射光 是非相干光。

受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程,应具有和外界辐射场相 同的相位。 量子电动力学证明: 受激辐射光子与入射(激励)光子属于同一光子态;或者说,受激辐 射场与入射辐射场有相同的频率、相位、偏振态、传播方向,因而属 于同一模式(称为全同光子)。受激辐射发出的光为相干光。 激光就是一种受激辐射相干光。

讨论 a) 如果g1
?

? g 2 ,则有 B12 ? B21

当高低能级的简并度相同时,受激辐射与受激吸收系数相等。外来 光子被吸收和激发受激辐射的机会相同。 一般讲高能级的简并度总比低能级的简并度要高,因此受激辐射比 受激吸收系数要小。

?

b) 在折射率为m的介质中,自发辐射系数与受激辐射系数之间关系为

A21 8? ?3 h? 3 ? B21 c3

B12=B21说明了原子的吸收谱与发射谱相同
若对应于同一个辐射场ρv有:W 12=B12 ρv=B21 ρv= W21 推出重要结论:W12=W21 对相同的 dt , W12= W21
,



W12 ?

1 dn2 n1 dt

W21 ? ?

1 dn2 n2 dt

而 n 1>> n2 则 (-dn2)<<(dn2)
单位时间内受激辐射的原子数 单位时间内受激吸收的原子数

因此,虽然在1916年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在,但在一般热平衡情况 下,物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖,未能在实验中观察到。

自发辐射光功率与受激辐射光功率比较 对于发光介质中某一单位体积,自发辐射的光功率体密度:

q自( t ) ? h? ? n2 (t ) A21
同理,受激辐射的光功率体密度可表示为

q激 ( t ) ? h? ? n2 (t ) B21 ??
受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比:

q(t) h? ? n2 ( t ) B21 ?? B21 ?? c3 激 ? ? ? ? 3 ? q自( t ) h? ? n2 ( t ) A21 A21 8?h?
对于平衡热辐射光源:

q激 ( t ) c3 ? ? ? 3 ? q自( t ) 8?h?

1 e
h? kT

?1

普通热光源与激光光源比较

温度T=3000K的热辐射光源,发射的波长为500nm时受激辐射光功率体 密度与自发辐射光功率体密度之比为

q激 (t ) q自 (t )

?

1 eh?
kT

1 ? ? 1 20000

激光光源打破了热平衡且单色能量密度比普通光源大1010 倍,受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之 比为
q激 (t ) c3 c3 1 ' ? ?? ? ?? ?1010 ? ?1010 ? 5 ?105 q自 (t ) 8?h? 3 8?h? 3 20000

普通光源主要是自发辐射,而激光光源主要是受激辐射

特别是,大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射处于同一光波模或同一 光子态,因而是相干的。受激辐射的这一重要特性就是现代量子电子学 (包括 激光与微波激励)的出发点。以后将说明,激光就是一种受激辐射相干光。 受激辐射的这一特性在上述爱因斯坦理论中是得不到证明的,因为那里使用的 是唯象方法.没有涉及原子发光的具体物理过程。严格的证明只有依靠量子电 动力学。但是,原子发光的经典电子论模型可以帮助我们得到一个定性的粗略 理解。按经典电子论模型,原子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡,没 有任何外加光电场来同步各个原子的自发阻尼振荡,因而电子振荡发出的自发 辐射是相位无关的。而受激辐射对应于电子在外加光电场作用下作强迫振荡时 的辐射,电子强迫振荡的频率、相位、振动方向显然应与外加光电场一致。因 而强迫振动电子发出的受激辐射应与外加光辐射场 具有相同的频率、相位、传 播方向和偏振状态。

自发发射与受激发射,虽然都是实现能级2→1的跃迁,但两者有看本质的 区别。前者是自发的随机过程,辐射电磁被在方向、偏振、相位方面都无 确定的关系,是非相干光;而受激发射出外场所诱导,因而任何粒子的发 射都同相地叠加于外来场,是相干叠加。从不同的概念上可以说,受激发 射产生的光,与诱导场处于同一个光波模式。或者受激发射产生的光子与 引起受激发射的光子属于同一光量子态。


更多相关文档:

身体的结构

百度文库 专业资料 自然科学 生物学上传文档...15页 2财富值 身体结构 10页 5财富值 1、身体的...另外我借助课件,简笔画,系红领巾等生 动有趣的...

初中生物 人体器官结构1

初中生物 人体器官结构1_理化生_初中教育_教育专区。1、心脏的结构 请把各个部分的名称写出来 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 11、 答案: 1...

第2节 人体和动物体的组成

2.学生在教师的指导下能描述人体结构层次:细胞、组织、器官、系统、个体。 3.学生会使用显微镜观察人体四种基本组织切片。 4.学生通过本课的学习能初步形成生物...

人体结构机能-课标

概述 (一)课程性质《人体结构与机能》是研究正常人体形态和生命活动规律的科学...2. 能独立制作坐骨神经腓肠肌标本,能理解细胞静息电位、动作电位的生物学意义。 ...

人体微生物 人类的第二基因组

人体微生物 人类的第二基因组_生物学_自然科学_专业资料。人体微生物 人类的第二基因组 人体微生物:人类第二基因组江海燕 钱万强 朱庆平《 光明日报 》( 2014...

高中生物《人体稳态的调节》课程设计 (2)

高中生物: 《人体稳态的调节》课程设计 目第四部分第1节 第2节 第3节 录 ...(三)媒体选择 多媒体课件: 用 PowerPoint 制作的演示文稿(磷酸缓冲液的制备过程...

人体的生物活需要营养2

章_人体的营养复习课件... 34页 免费如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出功能问题或意见建议,请点击此处进行反馈。 ...

6--细胞的结构和功能2--叶环

星期 三 ,第相关的课程标准: 生物体有一定的结构...课前准备: 1、制作多媒体课件 2、分小组准备好:...(6) 人体细胞和植物细胞都具有的 结构是 、和 1...

10.2 人体的血液循环 教学设计

五、教学工具和手段观察、讨论、交流并利用多媒体课件以及生物教学模型和视频教学...【预测性问题 2】在学习心脏的结构基础上,看图 54 页 10-10(人体的血液循环...

生物体的结构层次教案

、教学重点 1.生物体的各种组织是由细胞分裂、分化形成的。 2.人体的结构...【设计意图】认同人体结构层次的组成以及由部分到整体的学科观念。 (六)小结 1...
更多相关标签:
分子生物学课件 | 人体生物学 | 细胞生物学课件 | 七年级生物学上册课件 | 翟中和细胞生物学课件 | 现代分子生物学课件 | 发育生物学课件 | 生物学八年级上册课件 |
网站地图

文档资料共享网 nexoncn.com copyright ©right 2010-2020。
文档资料共享网内容来自网络,如有侵犯请联系客服。email:zhit325@126.com