光与物质的相互作用
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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：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“吸收”“反射”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～700nm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E1.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hv21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E1的原子在吸收hv21以后,就激发到激发态E2,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E2-E1称时,这样的光子才能被吸收。
设处于基态E1的原子密度为n1,光的辐射能量密度为u(v),则单位体积单位密度内吸收光子而跃迁到激发态E2去的原子数应该与n12和u(v)成正比,因而有
n12∝n1u(v)
即
n12=B12n1u(v)
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
n12=n1ω12
二、自发辐射
从经典力学的观点讲,一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10-8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(即外来电磁场)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
n21'=B21n2u(v)
其中n2为比例系数。B21称为受激辐射系数。B21u(v)称为受激辐射速率,用w21表示。它表明原子体系在外来光辐射作用下,产生E2到E1受激跃迁的本领。于是可写成
n21'=n2w21
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hv21正好满足hv21=E2-E1关系式时,才能引起受激辐射。而且受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率,相同的发射方向,相同的偏振态,相同的位相和速率。
现在我们以红色为例谈谈物体的颜色。组成物质的分子或原子具有不同的'能量状态(我们也叫能级)E1、E2、E3…En,当其中两能级间的能量差△E刚好等于入射白光中的红光光子的能量hv时,红光光子将被原子吸收,使原子从某一低能级En变化到某一较高能级En';经过一短暂时间后,原子又从较高能级En'回到原子低能级En,并将能量差△E以红光光子的形式重新发射出来,于是我们看到的就是再发射出来的红光光子。但它是经过一系列变化后重新产生的,而不是像乒乓球碰到墙壁上反弹回来那么简单,这就是我们所说的光的反射。
天空中的蓝色又是怎样形成的呢?天空的大气由多种气体组成,稀薄气体中的孤立原子(或分子)与光子作用时所发生的现象与固体、液体与光子作用时不一样.对绝大多数气体分子来说,例如O2、H2、CO2、H2O等,它们都具有与光子对应的红外区和紫外区的共振,但对可见光不发生共振。加之气体很稀薄,故对可见光来说,气体是透明的,我们的眼睛甚至感觉不到它的存在。但对红外区和紫外区的光来说就能发生共振,其中紫外区的共振机制决定于原子中的电子振荡,而红外区的共振机制决定于相当于原子核质量的电荷振荡。由此因素,原子对红外区共振的振幅较小,对紫外区共振的振幅较大。按电动力学原理:在辐射的强度正比于频率的4次方时,振光因频率高、振幅大,散射强度也大,故天空中的大气对入射的白光散射的主要是高频部分的蓝色成分的光,所以天空呈蓝色,这种散射也叫“瑞利散射”。