家长对孩子的评语-外墙保温施工方案

第一章
光与物质相互作用基础
1.1 光的波动理论与光子学说
1.2 热辐射的一般概念
1.3 黑体辐射
1.4 自发辐射、受激辐射和受激吸收
1.5 谱线形状与宽度
1.6 均匀加宽与非均匀加宽
1

1.1 光的波动理 论与光子学说
一光的波动学说
1.麦克斯韦方程组与波动方程
电磁波的形成：
空间某区域有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化
由近及远以有限的速度在空间传播，形成 电磁波。
的磁场（或变化电场），这种变化的电场和变化的磁场不断交替产生，
(光波是电磁波 )
2

一光的波动学说
1.麦克斯韦方程组与波动方程
麦克斯韦 方程组
的微分形式：
⎫
⎪
∇•
B
=
0
⎪< br>∂
B
⎪
∇×
E
=−
⎬
∂
t
⎪
∂
D
⎪
∇×
H
=
J
+
∂
t
⎪
⎭
∇•
D
=
ρ
若电磁场传播区域远离
辐射源、不存在自由电荷
和传导电流：
静止、线性和各向
∇•
D
=
0
⎫
同性介质中的物质方程：
⎪
∇•
B
=
0
⎪
∂
B
⎪
∇×
E
=−
⎬
D=< br>ε
E
⎫
∂
t
⎪
∂
D
⎪
⎪< br>∇×
H
=
B=
μ
H
⎬
∂
t
⎪
⎭
⎪
J=
σ
E
⎭
交变电场、
交变磁场以
速度
v
传播
1
∇
E
−
2
v1
2
∇
H
−
2
v
2
⎫
∂E
=
0
⎪
2
⎪
∂
t
⎬
2∂
H
⎪
=0
2
⎪
∂
t
⎭
3< br>2

一光的波动学说
2.电磁波的性质
¾电磁波是横波
¾ 偏振特性
¾在介质中不同频率电磁波具有不同传播速度（色散现象）
¾光在自由空间中以行波状 态传播
¾电场和磁场同相位，并满足：
ε
E=
μ
H
v
vv
¾能量密度：
S=E×H
¾时谐变电磁场
E(z,t)=E
m
cos(
ω
t−
β
z+
ϕ
0
)
E (z,t)=ReE
m
e
[
j
(
ω
t
−< br>β
z
+
ϕ
0
)
]
=Re
[
Ee
m
−
j
(
β
z
−
ϕ
0
)
e
j
ω
t
]
4

一光的波动学说
2.电磁波的性质
电磁波段的详细划分及用途
波段nm
名称用途
10
-5
~30
γ
射线
金属探伤、研究核结构
10
-4
~100
X射线
医用、探伤、分析晶体结构
1~390
紫外线医用、 照相制版
390~770
可见光
770~10
6
红外线
雷达 、光纤通信、导航
10
6
~10
9
微波电视、雷达、无线电导航10
9
~10
10
米波调频广播、电视、导航
10
10
~5×10
10
短波无线电广播、电报通信
5×10
10
~ 2×10
11
中短波电报通信
2×10
11
~3×10
12
中波无线电广播
3×10
12
~3×10
13
长波越洋长距 离通信和导航
5

二光子学说
1.光子的基本性质
(1)
E=hv
(2)
m=
E
c
2
(3)
P =hk
（4）光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个
独立偏振方向。
（ 5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。
6

二光子学说
2.光子的 状态描述
ΔxΔyΔzΔp
x
Δp
y
Δp
z
≤h< br>范围内，光子的状态不能完全确定
3
h
：相体积或相格
对应坐标空间体 积：
3
h
ΔxΔyΔz=
Δp
x
Δp
y
Δ p
z
3
4
π
p
2
dpV
空间体积V内的光 子的状态数：
G(p)dp
=
3
h
注：
一个相格代表一种量 子态，多个光子可处于同一量子态，该
现象称为简并。处于同一量子态的平均光子数称为光子简并度。< br>7

1.2 热辐射的一般概念
一热辐射现象
任何温度高于绝对零 度的物体都能产生辐射，该辐射称为热辐
射（或温度辐射）。热辐射是物体以电磁波形式向外发射能量的 过程。
辐射度单位体系：
只与辐射客体有关的物理量，只用于整个电磁波段。
基本物理 量：辐射通量；基本单位：瓦特(W)或焦秒(Js)。
光度学单位体系：
反映视觉亮暗特性的 光辐射计量单位，适用于可见光波段。
基本物理量：发光强度；基本单位：坎德拉(cd)
8< /p>

二描述辐射场的物理量
1.辐射能
Qe
：以辐射形式发射或传输 的电磁波能量。
单位：焦耳（J）。
2.辐射通量
Φe
：单位时间内流过的辐 射能量，又称辐射功率。
单位：瓦特（W）或焦秒(Js)。
Φ
dQ
e
=
e
dt
3.辐射照度：照射在面元上的辐射通量与该面元的面积之比。
单 位：
Wm
2
E
e
=
d
Φ
e
dA< br>9

二描述辐射场的物理量
4.辐射强度：点辐射源在给定方向上发射的在 单位立体角内的辐射通量。
单位：瓦特球面度（Wsr）
I
e
=
dΦ
e
dΩ
辐射强度示意图
10

二描述辐射场的物理量< br>5.辐射出射度
M
e
：辐射体表面单位
面积向空间发射的辐射通量。< br>单位：Wm
2
M
e
=
d
Φ
e
dS< br>辐射出射度示意图
11

二描述辐射场的物理量
6.辐射亮度：面 辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的
辐射通量。
单位：瓦特球面度·米
2
（Wsr·m
2
）
L
e
=
d
Φe
2
d
Ω
dAcos
θ
=
dI
edAcos
θ
辐射亮度示意图
12

三光度量
相等 的辐射通量，波长不同，人眼主观亮暗感觉不同！
在引起强度相等的视觉情况下，若所需的某一单色光的 辐射通量
越
小
，则说明人眼对该单色光的视觉灵敏度越高。
1.光谱光视效能
K(
λ
)
同一波长下所测出的光通量与辐射通量之比。
单位：lmW
Φ
v
λ
K(
λ
)=
Φ
e
λ
13

三光度量
V(
λ
)
2.光谱光视效率（视见函 数）
某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能K
m
之比。
K
(< br>λ
)
K
(
λ
)
V
(
λ
)< br>==
K
m
683
(
λ
=555nm)
视见函 数的另一描述方法：
设任一波长为
λ
的光和波长为555nm的光，产生相同亮暗视觉 所需
的辐射通量分别为
ΔΦ
e
λ
和
ΔΦ
e555< br>，则其比值称为视见函数。即
V(
λ
)=
ΔΦ
e
55 5
ΔΦ
e
λ
14

三光度量
视见函数：
例：对于600nm的光波，为
使它引起和555nm光波相等
的视觉亮暗程度，所需的辐射通量为555nm 光波的
1.6倍。
夜间视觉日间视觉
0.63
5 55nm
光谱视见函数实验曲线
15

三光度量
1.光通量Φ
v
：表示光源表面客观辐射通量对人眼所引起的视觉强
度。计算方法：等于辐射 通量与光谱光视效能的乘积。
单位：流明(lm)
2.发光强度
I
v
：光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布，
可用点光源在单位立体角中发出的光通量数值度量。
单位：坎德拉（cd）
I
v
=
d
Φ
v
dΩ
3. 照度
E
v
：表征受照面被照明程度，可用落在受照物体单位面
积上的光通量数值表度量。单位：勒克斯(lx)
E
v
=
d
Φ
v
dA
16

三光度量
17

四基尔霍 夫辐射定律
M
1
(
λ
,T)M
2
(
λ,T)
==
L
=M
e
(
λ
,T)=恒量
α
1
(
λ
,T)
α
2
(
λ
,T )
在同样温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度和单
色吸收比的比值都相等。18

1.3 黑体辐射
一空腔热辐射
绝对黑体：在任何温度下都能 把照到其上的任何频率的辐射完
全吸收的物体。
黑体辐射的实验规律
1.斯忒藩－波耳 兹曼定律
M
4−8−2
e
,
B
(T)=
σ
T(
σ
=5.67×10W⋅m⋅K
−4
)
2.
维恩位移定 律
T
λ
m
=b(b=2.897×10
−3
m⋅K)
二
19

二黑体辐射的实验规律
2.维恩位移定律
T
λ
m
=b(b=2.897×10m⋅K)
−3
3.绝对黑体辐射出射度分布曲线的峰值定律
5
′
M
e
,
B
(
λ
m
,
T
)
=CT
−
15
−
2< br>−
1
−
5
′
(
C
=1.301×10
W
⋅
cm
⋅
μ
m
⋅
K
)
1-2 000K；
2-1800K；
3-1600K；
4-1400K；
5-120 0K；
6-1000K
黑体辐射功率谱
20

三维恩公式和瑞 利—金斯公式
1.维恩公式
2
M
α
c
−
β
c
e
,
B
(
λ
,T)=
λ
T
λ< br>5
e
2.瑞利－金斯公式
M
e,B
(
λ
,< br>T
)
=
2
π
c
λ
4
kT
2 1

四普朗克公式
黑体辐射的能量密度公式：
3
w(v,T)< br>=
8
π
h
ν
1
c
3
e
hv kT
−1
单色辐射出射度：
M
1
e
,
B
(
λ
,
T
)
=
2
π
hc
2
λ
−5
hc
e
kT
λ
−1
有关黑体辐射的三个公式 的比较
22

1.4 自发辐射、受激辐射和受激吸收
无辐射跃迁：跃迁 过程中没有吸收和发射光子。
辐射跃迁：原子能级的变化通过吸收和发射光而实现。
自发辐射< br>E
2
E
ε
=hv=E
1
2
−E
1< br>光的自发辐射
一
23

一自发辐射
自发辐射跃迁几率A< br>21
：数量级10
7
~10
8
s
A
⎛
⎜
dn
21
⎞
１
21
=
⎝
dt
⎟
⎠
自发
n
2
高能级原子数衰减规律：以指数规律衰减。
n
t
2
(
t
)
=n
20
exp(
− A
21
t
)
=n
20
exp(
−
τ
)
自发辐射功率：
以指数规律衰减，发射荧光。
I(t)=hv
dn
21
(t)
dt
=hvA
21
n
2
(t)=hv A
21
n
20
exp(−A
21
t)=I
0
exp(−A
21
t)
24

二受激辐射
E
2
E
2
hv
感应光子
hv
感应光子
hv
发 射光子
E
1
E
1
光的受激辐射
感应光子能量：
ε< br>=hv=E
2
−E
1
发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏 振方向和
传播方向都相同，即“相干”。
25

三受激吸收
2< br>hv
感应光子
E
1
光的受激吸收
四A
21
, B
12
,B
21
的关系
⎛
⎜
dn
21⎞
⎝
dt
⎟
⎠
+
⎛
⎜
dn
2 1
⎞
⎟
=
⎛
⎜
dn
12
⎞
⎝dt
⎟
自发辐射
⎝
dt
⎠
受激辐射
⎠
受激吸收
结论：
热平衡状态下虽然能级E
1
和E
2
上的粒子 不断变化，但n1或
n2总保持不变值。
26
E

五受激辐射和 自发辐射的区别
奠定了产生激
光的物理基础
光的自发辐射
光的受激辐射
27

1.6
谱线形状与宽度
一谱线加宽与线型函数
谱线加 宽：跃迁所发出的电磁波不是单色波，而是分布在中心频
率附近一个小的频率范围的单色波的组合，在光 谱仪上表现为一定的
谱线宽度。
谱线加宽的原因：量子力学角度的能量—时间测不准关系
ΔEΔt≥h
辐射的基本线宽：
(E
2
±ΔE
2
)−(E
1
±ΔE
1
)=(E
2
−E
1
)±ΔE< br>′
=h(v±Δv)
E
2
hv
E
1
E
2
h(v
±△
v)
E
1
谱线加宽示意图
△
E
2
△
E
1
28

一谱线加宽与线型函数< br>线型函数
g(v)
定义：频率为横坐标、光强为
纵坐标的曲线函数。
物 理含义：表示辐射总功率为
I
0
的光谱中，其中落在频率
v~v+dv的辐射 功率与总功率
之比随频率的分布情况，
可表示为
g(v)=I(v)I
0半高
全宽
：
Δv=v
2
−v
1
线型函数
29

一谱线加宽与线型函数
：
两种线型函数的比较
30

二谱线加宽对原子与辐射场相互作用的影响
1. 自发辐射
高能级粒子数随时间的变化规律与没有考虑谱线加宽时结果一样。
2. 受激跃迁（1）外辐射光场为线宽极小的准单色光
(Δv
′
<<Δv)
原子线型函 数
外辐射场
原子与准单色光场作用
31

二谱线加宽对原子与辐 射场相互作用的影响
2. 受激跃迁
（2）外辐射光场为连续谱
外辐射场
原子 线型函数
原子与连续光场作用
32

1.6
均匀加宽与非均匀 加宽
一均匀加宽
均匀加宽：每个发光粒子所发光对谱线内的任一频率都有贡献。大量发
光粒子中的每一个粒子所处的地位相同，每个发光原子都以整个线型发射，
不能把某一特定频率和某些特 定粒子相联系。
¾自然加宽
原子存在固有的自发跃迁，导致能级寿命变短，或介质原子的热运动 使
能级的不确定度增大而引起的谱线加宽。
线型：洛仑兹型函数。
¾碰撞加宽
直接或间接的碰撞改变原子的能态，造成介质中上、下能级的原子密
度发生随机起伏而造成的谱线加宽。
线型：洛仑兹型函数。
33

1.6
均匀加宽与非均匀加宽< br>二非均匀加宽
非均匀加宽：每个发光粒子所发的光只对谱线内某些特定的频率
有贡献，宏 观上可以判断谱线的某一部分是介质哪部分原子的贡献。
主要因素：
¾晶体存在结构缺陷
¾气体分子存在热运动
¾辐射介质各处的激励条件不均匀
34

1.6
均匀加宽与非均匀加宽
二非均匀加宽
---多普勒频移引起的非均匀加宽
原子 所表现出来的中心频率：
感受电磁波的运动原子
v
z
光源
频率为v
的电磁波
运动原子与光波相互作用时
的多普勒频移
v
z
′
=
v
0
(1±)
v
0
c
′
v =v
0
运动原子与光波相互作用最强
线型：高斯型函数
35

< br>1.6
均匀加宽与非均匀加宽
二非均匀加宽
---多普勒频移引起的非均匀加 宽
注：
在多普勒加宽中，不同速度
感受电磁波的运动原子
v
z
光源
频率为
v
的电磁波
运动原子与光波相互作用时
的多普勒频移< br>的粒子光谱频率不同，引起非均
匀加宽。但对任一速度的粒子，
同时具有自然加宽和碰撞 加宽因
素，因而这一速度粒子的发光频
率要做均匀加宽。多普勒加宽总
体而言是非均匀 加宽，但其中包
含了许多均匀加宽。非均匀加宽
里的每个频率都可辐射一条均匀
加宽谱 线。
36