輻射理論基礎(chǔ)概要.ppt

第一章 輻射理論基礎(chǔ)概要 與激光產(chǎn)生 的條件,實(shí)驗(yàn)中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器,核聚變實(shí)驗(yàn)的六路真空靶室,11 光的波粒二象性,一. 光的發(fā)展簡(jiǎn)史,1. 牛頓和惠更斯與光的理論學(xué)說,牛頓在1669年提出光的“微粒說”.他認(rèn)為光是從光源發(fā) 出的一種光微粒流,具有直線傳播的性質(zhì).光微粒流有彈性,并且能被某些物質(zhì)吸收.光微粒流遇到物質(zhì)時(shí),如果不被吸收,就會(huì)被彈回來(lái).,惠更斯在1678年提出光的“波動(dòng)說”.他認(rèn)為光從一處傳播到另一處,是和水波類似的波.,這兩學(xué)說在相互爭(zhēng)論中發(fā)展,一直持續(xù)了200多年,牛頓的微粒說能圓滿地解釋光的直線傳播、反射等現(xiàn)象,因而在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)占統(tǒng)治地位.但后來(lái)人們又在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),微粒說不能解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象.這就促使科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌拇鸢?,2. 麥克斯韋建立了光的電磁理論,19世紀(jì)初,電的發(fā)明和應(yīng)用,將人類帶進(jìn)了電器時(shí)代。1863年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋，以庫(kù)侖、安培、法拉第在電學(xué)上的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)作了進(jìn)一步發(fā)展，創(chuàng)立了電磁波理論。其要點(diǎn)是：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，二者交替產(chǎn)生由近及遠(yuǎn)的傳播，既電磁波。并建立了著名的麥克斯韋方程。1887年赫茲用實(shí)驗(yàn)的方法產(chǎn)生了電磁波，證實(shí)了麥克斯韋的電磁波理論。1901年俄國(guó)物理學(xué)家列別捷夫用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了光壓，結(jié)果與電磁理論十分相互，從而進(jìn)一步鞏固了光的電磁理論，麥克斯韋電磁波的傳播速度上有限的 ，其速度在真空中為每秒30萬(wàn)公里，與光速一樣，從而確認(rèn)了光波也是電磁波。 應(yīng)用光的電磁波理論,基本上能比較完滿地解釋光的發(fā)射、折射、干涉、衍射、偏振、雙折射等與光的傳播性有關(guān)的一系列重要現(xiàn)象。,電磁波理論雖然使光的波動(dòng)說一度占領(lǐng)了光學(xué)領(lǐng)域，但19世紀(jì)末，實(shí)踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許多 現(xiàn)象卻無(wú)法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)等。1905年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子學(xué)說。,光在本質(zhì)上是由一些具有確定能量和動(dòng)量的物質(zhì)微粒光量子或光子所組成，而光子的能量和動(dòng)量的數(shù)值，與一定的光的頻率或波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，即,愛因斯坦認(rèn)為光子既是粒子、同時(shí)又是波。光在與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子性明顯，光在傳播中則波動(dòng)性突出。光的這種粒子性和波動(dòng)性相互對(duì)立又并存的性質(zhì)，叫做光的“波粒二象性”。,二. 光的波粒二象性,1、光波波長(zhǎng)為4000埃7600埃的電磁波,電磁波-電磁場(chǎng)是E和B的振動(dòng)由近及遠(yuǎn)傳播的過程,電矢量叫做光矢量,光波是橫波.,對(duì)電磁場(chǎng)-用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的Maxwell方程組描述,（1） 線偏振光,偏振光（線偏振光）,光振動(dòng)只沿某一固定方向的光 .,(2)自然光,（3） 光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系,(a)波長(zhǎng):振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。,(b)光速,(c)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù),(d)三者的關(guān)系,在真空中,各種介質(zhì)中傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度 各不相同,（4） 單色平面波,波面相位相同的空間各點(diǎn)構(gòu)成的面,平波面波面是彼此平行的平面,且在無(wú)吸收介質(zhì)中傳播時(shí),波的振幅保持不變。,單色平波面具有單一頻率的平面波。,實(shí)際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。,當(dāng)vv0時(shí)，就叫準(zhǔn)單色波。,簡(jiǎn)諧波理想單色平面波,.簡(jiǎn)諧振子模型,兩式統(tǒng)一寫成,.簡(jiǎn)諧波方程,光波具有時(shí)間周期性和空間周期性,電磁波的傳播,.簡(jiǎn)諧波波矢空間角頻率,波矢k是一個(gè)矢量，方向沿著光線傳播的方向。,.光波模以某一波矢 為標(biāo)記的駐波,在激光理論中，光波模是一個(gè)很重要的概念。,麥?zhǔn)戏匠痰慕?特解：?jiǎn)紊矫娌ā?通解：一系列單色平面波的疊加。,自由空間中的電磁波:任意波矢的平面波均可以存在!,受邊界條件限制空間的電磁波：一系列獨(dú)立的具有特定波矢 的平面單色駐波。即只允許駐波光模式存在！,一種模式是電磁波運(yùn)動(dòng)的一種類型，不同模式以不同的k 區(qū)分。,2、 光子,引言：愛因斯坦斷言：光是由光子組成,（一）.光子的基本性質(zhì), 一定種類的光子的能量,與一定的光的頻率相對(duì)應(yīng),= h v,v 光的頻率 h 普朗克常數(shù),.一定種類的光子的質(zhì)量可表達(dá)為,考慮相對(duì)論要求,m0 光子的靜止質(zhì)量 光子的速度 對(duì)于光子 m0 = 0 =c,.一定種類的光子具有動(dòng)量P,與一定的光的頻率和傳播方向相聯(lián)系,n0 光子 行進(jìn)方向上的 單位矢量,k 平面波的波矢，它表示2長(zhǎng)度內(nèi)含有的“完整”波 的數(shù)目,. 一定種類的光子,具有一定的偏振狀態(tài).(同一狀態(tài)的 光子