第14章 光与物质相互作用
光与物质相互作用基本原理
P
2
2
CI0
0
2
1
g 0,
P
P
P
P d
/ 22 0 2
/
22
1
0
2
d
/ 22
1
0
2 d
1
g 0,
光与物质相互作用基本原理
4.1光场与物质的相互作用
• 4.1.1光场与物质相互作用的理论体系
– 经典理论 光场：Maxwell方程；原子体系：经典电偶极子； – 半经典理论 光场：Maxwell方程；原子体系：量子理论描述； – 量子理论 光场：量子理论；原子体系：量子理论； – 速率方程理论 简化的量子理论；
• •
引入谱线的线型函数g(ν,ν0)：
g( ,
其量纲为sec，其中的ν0是线型函
0
)
P(
P
)
•
数的中心频率；
根据线型函数的定义： g( , 0 )d
P( )d
1
P
• 得出结论：线型函数是归一化的； I( )
• 当ν=ν0时线型函数有最大值 g(ν0,ν0)，如果在 0 / 2 处其值下降到最大值的一半，则把
P max
P max / 2
此时的 称为谱线宽度。
0
4.2.1均匀加宽
• 1、自然加宽
– 现象：自发辐射谱线具有一定的宽度 E2
ΔνH。
E2 E1
电磁波谱知识：电磁波谱——光与物质的相互作用
电磁波谱知识：电磁波谱——光与物质的相互作用电磁波谱是一个非常重要的概念，描述了电磁波的性质和特点，以及光与物质之间的相互作用。
在这篇文章中，我们将深入探讨电磁波谱，并讨论它的应用。
电磁波是一种由电场和磁场交替振荡、传播的波动现象。
电磁波包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。
电磁波谱是将这些电磁波按照波长和频率的大小分成不同的区间，并以此来描述其性质和特点。
电磁波是通过电磁场的变化产生的。
当电流通过导线时，会产生相应的磁场。
这个磁场又会引起电场的变化，这种电场的变化会引起磁场的改变，从而形成了电磁波。
这种波动性质使得电磁波在空间中可以自由传播，同时也可以传输信息和能量。
电磁波谱按照波长大小可以分为七个区域：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。
其中，波长较长的电磁波谱区域包括无线电波和微波，这些电磁波可以用来进行通信和雷达测量等。
波长较短的电磁波谱区域则包括紫外线、X射线和伽马射线等，这些电磁波可以用于医学成像和材料检验等。
看不见的电磁波却有着无处不在的作用。
比如，我们用手机和电视接收器接收无线电波，而这些无线电波有助于通信和传输媒体的信息。
医学领域也广泛应用电磁波。
在医学成像中，X射线只需照射病人，就能看到体内的病灶和骨骼结构。
紫外线也有杀菌和测量的用处，甚至还可以通过红外线观察地球和其他行星的特征。
在物质与电磁波相互作用中，可以通过光谱分析物质。
当电磁波与物质作用时，它们可能会被反射、透射或吸收。
如果电磁波被吸收，就会发生能量转换，而这种能量转换可以被用来确定物体的化学成分和结构。
这种现象被称为光谱分析。
根据物质吸收电磁波的特点，人们可以用它来进行化学分析。
这种技术被广泛地用于制药、材料科学和天文学等领域。
例如，在天文学中，人们用光谱来探测远处星系和行星的组成，包括它们的化学成分、温度、压力、速度等。
总之，电磁波谱对于科学的发现和技术的发展都发挥了重要作用。
光与物质的粒子体系相互作用的过程是
光与物质的粒子体系相互作用的过程是一直以来，光与物质的相互作用一直是自然科学和物理学领域中的重要研究课题。
光作为一种电磁波，具有粒子性质，而物质则由分子、原子和基本粒子等构成。
当光与物质相互作用时，光的粒子性质与物质的粒子体系之间发生一系列的相互作用过程。
1.第一步：光的射入与吸收当光照射到物质上时，它会与物质的分子或原子相互作用。
这种相互作用过程，最基本的表现就是光的吸收。
光的能量被吸收后，被物质的粒子转化为热能或其他形式的能量。
当光被吸收时，物质的电子会吸收光的能量，跃迁到更高能级，从而改变了物质的能级结构。
2.第二步：光的散射与透射除了吸收，光还可以在物质中发生散射和透射。
散射是指光在物质中的粒子上发生的随机散射现象。
当光的波长与物质粒子的尺寸相当时，光的能量会被物质粒子吸收并再次辐射出去，形成散射现象。
透射则是指光通过物质而不被吸收或散射，使得光线能够穿透物质并传播。
3.第三步：光的激发与辐射当物质吸收光能量后，物质的原子或分子的电子会跃迁到激发态。
在激发态下，电子具有较高的能量级，随后会发生自发辐射或受激辐射过程。
自发辐射是指电子从激发态跃迁到较低的能级时，释放出光子的能量。
受激辐射是指电子在受到外界的光激励后，跃迁到较低的能级，并释放出与激发光子相同频率的光子。
4.第四步：光的干涉与衍射当光通过物质或在物质表面发生反射时，会产生干涉和衍射现象。
干涉是指光的波前相遇并相互叠加，形成明暗交替的干涉条纹。
干涉可以通过干涉仪或薄膜等实验现象来观察和研究。
衍射是指光通过物体的缝隙或边缘时发生的弯曲和扩散现象。
衍射现象在光的波动性研究和光的粒子性质验证方面具有重要意义。
总结回顾：光与物质的粒子体系相互作用过程是复杂而多样的。
从光的射入与吸收开始，光的能量被物质的粒子吸收并转化为其他形式的能量。
接下来，光的散射与透射使得光与物质发生相互作用，从而产生散射和透射现象。
随后，物质的电子跃迁到激发态，产生自发辐射和受激辐射的过程。
光电效应光子与物质的相互作用
光电效应光子与物质的相互作用光电效应是指当光子与物质相互作用时，光子的能量可以被物质吸收，并引发电子的发射现象。
这一现象的发现对于理解光与物质的相互关系以及光的粒子本质的探索具有重要意义。
本文将讨论光电效应的基本原理、实验证据以及其在现代科技中的应用。
一、光电效应的基本原理光电效应的基本原理可以用爱因斯坦的光量子假说来解释。
根据这一假说，光以粒子的形式存在，称为光子。
光子具有确定的能量，当光子与物质发生碰撞时，能量可以被物质吸收。
如果光子的能量大于或等于物质的解离能，那么光子将会解离物质的原子或分子，使其释放出电子。
这些释放出的电子称为光电子。
光电效应的关键因素之一是光子的能量。
根据爱因斯坦的光量子假说，光子的能量与其频率成正比，与波长成反比。
因此，当光的频率增加时，光子的能量也增加，从而增加发生光电效应的可能性。
物质的解离能也是影响光电效应发生的因素之一，解离能越小，光电效应发生的几率就越高。
二、光电效应的实验证据光电效应的实验证据早在19世纪末就已经被观察到。
其中最著名的实验是由赫兹在1887年进行的。
他在真空中放置了一个金属阴极和一个正电压的金属阳极，并照射紫外线于阴极上。
当紫外线的强度逐渐增加时，观察到了阴极上的电流的变化。
实验证明，只有当光的频率大于某个临界频率时，才会观察到光电效应。
基于这些实验证据，科学家们开始深入研究光电效应的机制，并进一步验证了光的粒子性质。
光电效应的实验证据为量子力学的发展奠定了基础，并为爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖提供了重要证据。
三、光电效应在现代科技中的应用光电效应作为一种非常重要的物理现象，广泛应用于现代科技领域。
以下是一些光电效应的应用：1. 光电池：光电池是将光能直接转化为电能的装置。
它利用光电效应中光子与物质相互作用的原理，将光能转化为电能。
光电池广泛应用于太阳能电池板、光电传感器等领域。
2. 光电二极管：光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
大学物理-第十四章-波动光学
x d ;
x d :
缝间距越小, 屏越远, 干涉越显著 在D、d 不变时， 条纹疏密与λ正比
(iii)白光干涉条纹的特点: (iv) 中央为白色明纹，其它级次出现彩色条纹（ x
)。 (v) 叠k。=每-1级条纹有一k定=0的宽度，相k=邻1 两级条纹k=可2 能会k发=3生重
对相干光源来说, 能量只不过是在屏幕上的重新分布。因为
均可，
符号不同，k 取值不同，对问题实质无影响.
30
§14-3 薄膜干涉
所谓薄膜干涉, 指扩展光源投射到透明薄膜上, 其反射光或 透射光的干涉。
薄膜干涉的实例: 阳光下肥皂泡的彩纹，马路上油膜的彩纹。
一、薄膜干涉
１、分振幅（能量）方法
获得相干光。
S1为扩展光源上任一点光源, 其 投射到介面上的Ａ点的光线, 一部 分反射回原介质即光线a1, 另一部 分折入另一介质, 其中一部分又在 Ｃ点反射到Ｂ点然后又折回原介 质, 即光线a2。因a1,a2是从同一光 线S1Ａ分出的两束, 故满足相干条 件。
干涉过程既不能创造能量, 也不能消灭能量。
18
习题14-9: 在双缝干涉实验中，用波长λ＝546.1 nm 的单 色光照射，双缝与屏的距离d′＝300mm．测得中央明纹 两侧的两个第五级明条纹的间距为12.2 mm，求双缝间 的距离．
分析 双缝干涉在屏上形成的条纹是上下对称且等间 隔的. 如果设两明纹间隔为Δx，则
觉和底片感光上起主要作用 .
•光振动指的是电场强度随时间周期性地变化。
E
E0
cos [(2 t
2
r
)
0 ]
•光的强度(即平均能流密度) I∝E02
8
三、光的相干性
光与物质的相互作用
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 ， 分氖原子被激发到各个激 部 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。
是可写成
ｎ１ ｎ ∞ ｌ Ｆ ｌ ２
二、 自发辐射
从经典力学的观点讲 ， —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
可见光的波长范 围在 ４０ ｍ ７ Ｏ ｍ之间 。其长波是接 近 ０ｎ ￣Ｏｎ 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 ， 尔作 了一个假定 。 玻 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
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 砌 正好满足 ｈ： — ｖ。 Ｅ 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
ｎ Ｂ ２ｌ ） １ ｌｕ ｎ
子具有相同的频率 ， 同的发射方 向， 相 相同的偏振态 ， 同的位 相
光电效应光与物质的直接相互作用
光电效应光与物质的直接相互作用光电效应是指当光线照射到金属表面时，会引起金属产生电子的释放现象。
这一现象是光与物质之间直接相互作用的结果，具有重要的科学意义和应用价值。
本文将从几个方面探讨光电效应及其与光与物质的直接相互作用的关系。
一、历史沿革光电效应最早由德国科学家赫兹于1887年发现，并于1905年由爱因斯坦进一步解释。
他认为光的能量是以一定数量的量子形式传递的，这些量子被称为光子。
光电效应的发现和解释为量子物理学的发展奠定了基础。
二、实验现象和理论解释在光电效应实验中，当光照射到金属表面时，如果光的频率足够高，金属表面会发射出电子。
实验结果表明，光电效应的发生与光的频率有关，而与光的强度无关。
这一实验现象对应着光电效应理论的两个重要特征：阈值频率和光电子速率与光强的无关性。
根据光电效应理论，金属表面的电子处于束缚状态，当光照射到金属表面时，光子对金属表面上的电子进行作用。
当光子的能量大于或等于金属表面束缚电子的最低能量，即达到阈值频率时，电子会从金属表面解离出来，形成自由电子。
光电效应的速率和光强无关，主要取决于光子的能量。
三、光电效应的应用光电效应在日常生活中有许多实际应用。
例如，光电效应可被应用于光感器和太阳能电池等器件中。
光感器利用光电效应原理将光能转化为电能，广泛应用于照明、光电自动控制和消费电子产品中。
太阳能电池利用光电效应将太阳光转化为电能，是太阳能利用的重要方式之一。
此外，光电效应还在科学研究中具有重要的应用。
通过研究光电效应，科学家可以了解光的本质和物质的结构。
同时，光电效应还为光学材料的研究以及激光技术的发展提供了重要基础。
四、光电效应的深层原理光电效应的深层原理是光子与物质微观粒子之间的相互作用过程。
光子在与物质相互作用时，可以通过传递能量和动量来影响物质微观粒子的状态。
这一过程涉及到能量守恒和量子力学的基本原理。
量子力学的波粒二象性理论认为光既可以被看作电磁波，也可以被看作粒子（光子）。
光电效应光子与物质的相互作用
光电效应光子与物质的相互作用光电效应：光子与物质的相互作用光电效应是指当光照射到物质表面时，物质会吸收光子能量，并将其转化为电子能量，进而产生电流现象的物理现象。
这一现象的发现与理解，对于光学学科的发展产生了重要的推动作用，也为量子力学的诞生奠定了基础。
本文将详细探讨光电效应的基本原理、影响因素以及应用领域。
一、光电效应的基本原理光电效应起源于光子与物质的相互作用。
光是以粒子性的光子形式存在的，其能量由频率决定。
当光照射到物质表面时，光子与物质中的电子相互作用。
如果光子的能量足够大，它将能够克服由于电子与原子核之间的吸引力而使电子束缚的能量障碍。
当光子的能量大于这个能量障碍时，光子与物质中的电子发生相互作用，电子将获得足够的能量，克服束缚力的影响，从而脱离原子或分子，并形成电子流，产生电流。
二、影响光电效应的因素1. 光的频率：光电效应发生的前提是光子的能量足够大，能够克服电子束缚的作用力，因此光的频率对光电效应的产生至关重要。
频率越高，能量越大，光电效应就越容易发生。
2. 光的强度：光的强度是指单位面积上单位时间内通过的光子数目，也可理解为光的能量密度。
光电效应的电流强度正比于光的强度，因此强光下光电效应的电流将更大。
3. 物质的性质：不同物质对光电效应的响应程度不同，这与物质表面的工作函数有关。
工作函数是指从物质中解离出一个电子所需的最小能量，与物质的结构和化学性质有关。
具有较小工作函数的物质对光的响应更灵敏，光电效应更容易发生。
三、光电效应的应用领域1. 光电器件：光电效应的应用最为广泛的领域之一就是光电器件。
光电二极管、光电四极管等广泛应用于通信、光电测量、光电存储等领域，改善了信息的采集、传输和存储效果。
2. 太阳能电池：光电效应是太阳能电池工作的基本原理。
太阳能电池将太阳光中的光子能量转化为电能，实现电能的直接转换。
太阳能电池的应用能源领域，减少了对传统化石能源的依赖，具有重要的环保意义。
光与物质相互作用
光与物质相互作用光与物质的相互作用是一个广泛而复杂的领域，涉及到光的传播、吸收、散射以及物质的响应和变化等方面。
在自然界和工程中，光与物质的相互作用起着重要的作用，不仅在科学研究中具有重要价值，也广泛应用于技术领域。
一、光的传播与物质的吸收光是一种电磁波，在真空中的传播速度是恒定的。
然而，当光与物质相互作用时，它的传播速度可能发生变化。
根据物质的折射率，光的传播方向和速度会发生改变。
这种现象称为光的折射。
例如，当光从空气中进入玻璃中时，光的传播速度减小，光线的传播方向发生偏折。
和折射相反的现象是反射，当光线遇到一个界面时，一部分光线会被反射回来。
反射可以使我们看到物体的形状和颜色。
在实际应用中，反射也被广泛应用于反光镜、光学元件等领域。
除了折射和反射，物质还可以吸收光的能量。
当光线与物质相互作用时，若能吸收的光被物质所吸收，而无法传递或反射，那么光的能量会被转化为被吸收物质的内部能量。
这种通过吸收光能转变物质本身性质的现象被称为光的吸收作用。
例如，红外线被人体组织吸收后，会产生热量，这是医学上使用激光治疗肿瘤的基础。
二、光与物质的散射现象在光与物质相互作用中，散射现象则是一种重要的现象。
散射是指当入射光通过物质时，光的传播方向改变，并且发生了波长的改变。
散射现象在日常生活中随处可见，如蓝天的颜色、云朵的白色等。
散射现象的具体表现形式有几种，其中最常见的是瑞利散射和米氏散射。
瑞利散射是当光与物体的尺寸相比较小时，比如空气中的分子或水中的悬浮颗粒，入射光波的方向改变并发生散射。
这就是为什么蓝天看起来蓝色的原因，因为大气中的氮氧分子会让太阳光中的蓝光散射到我们的视野中。
米氏散射则发生在具有比较大粒径的物体上。
当入射光的波长比物体的粒径大时，入射光波的方向会发生改变和散射。
米氏散射可以用于测量大气中的颗粒物质浓度，以及分析材料的粒径分布等。
三、光与物质的其他相互作用现象除了上述提到的光的传播、吸收和散射等基本相互作用方式，光与物质还存在着其他的复杂相互作用现象。
光与物质的相互作用吸收散射与透射
光与物质的相互作用吸收散射与透射光与物质的相互作用：吸收、散射与透射光是一种电磁波，它在传播过程中与物质相互作用，产生吸收、散射和透射等现象。
本文将详细探讨光与物质的相互作用过程，以及吸收、散射和透射的基本原理。
一、光与物质的相互作用光与物质的相互作用是指光在传播过程中与物质之间发生的各种物理变化。
这些变化包括光的吸收、散射和透射。
当光通过物质时，它与物质中的原子、分子或晶体结构相互作用，产生能量的转移或改变。
光通过物质时，其中一部分能量被物质吸收，而另一部分能量则被物质散射或透射。
吸收是指当光传播到物质内部时，物质吸收光的能量并转化为其他形式的能量，例如热能。
散射是指当光遇到物质表面或内部不规则结构时，其方向发生改变而改变传播路径。
透射是指当光穿过物质时，保持传播方向而不发生路径改变。
二、吸收的原理吸收是光与物质相互作用中的一种重要现象。
当光传播到物质中时，物质中的原子、分子或晶体结构吸收光的能量。
原子和分子对于光吸收有着特定的选择性，只吸收特定波长的光。
当吸收光的能量大于物质的离子激发能量时，该光子将被完全吸收。
吸收的级别取决于光的波长以及物质本身的特性。
吸收过程中，光的能量被转化为物质内部的电子能量或分子的振动能量。
这些能量转化导致了物质的加热，即光能转化为热能。
因此，吸收在理解光照射物体时的能量转换机制中起着重要作用。
三、散射的原理散射是光与物质相互作用中的另一种现象。
当光遇到物质表面或内部的不规则结构时，其传播方向发生改变，而不改变光的能量。
物质的结构不均匀性导致了光的散射现象。
散射包括弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指光子与物质中的原子或分子相互作用，但光子的能量保持不变。
非弹性散射则是指光子与物质相互作用后其能量发生改变。
散射对于解释光为何能够在物质中传播以及观察到物体的颜色等现象具有重要意义。
四、透射的原理透射是光传播过程中的一种现象，指的是光通过物质时，保持传播方向而不改变传播路径。
光与物质的相互作用
光与物质的相互作用首先，光与物质的相互作用可以帮助我们理解和应用光的传播特性。
光的传播受到介质的折射、散射和吸收等因素的影响。
当光从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质的光密度不同，光线会发生折射现象。
这种折射现象是光与物质相互作用的结果，可以用斯涅耳定律来描述。
同时，光在物质中的传播还与介质的折射率、散射系数、吸收系数等相关，通过研究光在不同介质中的传播特性，可以探索光学通信、激光技术、光学成像等应用。
其次，光与物质的相互作用也可以用于研究物质的结构和性质。
通过光的吸收、散射和反射等现象，可以了解物质的电子能级结构、晶体结构、磁性等方面的信息。
例如，通过分析物质对特定波长的光的吸收情况，可以得到物质的能带结构和能级分布信息，从而判断其导电性、光电特性等。
利用拉曼散射和红外光谱等技术，可以研究物质的分子振动模式和化学键的信息。
此外，还可以利用光的散射和反射等现象，研究材料的形貌、粗糙度、表面结构等性质。
光与物质的相互作用还可以用于光探测和光电转换等应用。
光电器件利用光与材料的相互作用将光能转化为电能。
例如，太阳能电池利用光的能量将光能转化为电能，通过光与半导体材料的相互作用实现电流输出。
光敏器件如光电二极管、光电晶体管等能够将光信号转化为电信号，并广泛应用于光通信、光电传感等领域。
此外，利用光与物质的相互作用还可以实现光学存储、光子晶体等领域的研究和应用。
总结起来，光与物质的相互作用直接关系到光的传播特性、物质的结构和性质以及光电转换等应用。
深入研究光与物质的相互作用可以促进科学研究的进展，并有助于开发更多的光学器件和应用。
光与物质的相互作用
光与物质的相互作用首先，光的散射是指入射光的方向发生改变，但并不改变其能量、频率和波长。
散射现象可以由不同的粒子之间的相互作用引起，其中最常见的是光与大气中悬浮微粒（如尘埃、烟雾等）之间的散射作用。
当入射光与微粒碰撞时，根据散射粒子的大小和入射光的波长，光在球形散射波中的散射角度会有所不同。
根据散射角度的不同，可以将散射现象分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指入射光的频率和波长不发生改变，而非弹性散射则是指光的频率和波长发生改变。
接下来，光的折射是指光通过两种介质的交界面时，由于介质的光速不同而改变方向。
折射现象可以通过斯涅尔定律进行定量描述，该定律说明了折射角与入射角、两种介质的光速之间的关系。
这一现象可以通过光的波动性进行解释，根据光的波长和介质的折射率来确定光在介质中传播的速度。
光的折射也是许多光学器件和光纤通信系统中的基本原理之一此外，光的吸收是指光能量被物质吸收而转化为热能或激发物质内部的能级跃迁。
当光波碰撞到物质表面时，能量会被物质吸收，导致物质内部的电子激发、原子或分子的振动等。
这一过程可以用物质的吸收光谱来研究，吸收光谱会显示出一系列的吸收峰，每个峰对应着特定波长的光被吸收的特定能级跃迁。
在材料科学中，光的吸收是研究材料光学性质、颜色和透明度等的重要手段。
光的发射是物质对能量的释放过程，当物质受到外界能量激发时，能量激发物质内部的电子跃迁，从而导致发光现象。
这种发射光谱可以是连续的光谱，也可以是发射线谱。
连续光谱是指发射光在所有波长上都有连续分布，典型的例子是黑体辐射。
而发射线谱则是指在一些特定波长上出现明显的发射峰，这是因为特定的能级跃迁导致特定波长的光被发射出来。
最后，光与物质的相互作用还可以在更微观的层面上进行研究。
例如，当光与物质中的原子或分子相互作用时，可以产生拉曼散射现象。
拉曼散射是指入射光与物质中分子振动引起的光子能量转移到一个不同频率的光子上，其中大部分为散射光，少部分为受激拉曼散射光。
光子与物质相互作用的研究
光子与物质相互作用的研究光子是电磁波的一种，也是光的基本单位。
然而，正是光子与物质的相互作用，才使得光具有了产生和感知的能力。
光子与物质相互作用的研究，不仅帮助我们更好地理解光的本质，还在科技领域具有重要的应用价值。
一、光子的双重性质光子既可以表现为粒子，又可以表现为波动。
这种双重性质的发现，揭示了光子与物质相互作用的奥秘。
在粒子描述中，光子被视为一种具有质量和动量的粒子，它与物质产生碰撞，并且具有能量转移的特性。
这种现象在晶体学、化学反应和光谱学等领域得到广泛的应用。
然而，在波动描述中，光子被视为一种电磁波，具有波长和频率的特性。
这种波动性使得光子可以产生干涉、衍射和散射等现象。
例如，通过干涉实验可以观察到光的波动性，通过衍射实验可以测量物体的尺寸。
二、光子与物质的吸收和发射光子与物质相互作用的一个重要方面是吸收和发射。
当光子与物质碰撞时，它可以被物质吸收，并转化为其他形式的能量。
而当物质从一个激发态返回到基态时，它会发射出光子。
这个过程被广泛应用于光学光谱分析中。
通过测量物质对不同波长和频率光的吸收和发射的特性，可以确定物质的组成和结构。
例如，紫外-可见吸收光谱可以确定化学物质的浓度，而荧光光谱可以用于生物分析。
同时，光子与物质的吸收和发射还与能级结构有关。
当光子的能量与物质的能级之差相匹配时，吸收和发射效率最高。
这也解释了为什么不同物质对光的吸收和发射具有不同的特性。
三、光子与物质的散射除了吸收和发射，光子与物质还可以发生散射。
散射是指光子在物质中的传播方向发生随机改变的现象。
根据散射过程中光子的波长与物质的尺寸相比较，散射可以分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指光子在与物质碰撞后能量和频率不变的散射过程。
这种散射现象在光学成像和激光雷达等领域得到广泛应用。
例如，通过测量弹性散射光的强度和相位，可以重建物体的三维结构。
非弹性散射是指光子在与物质碰撞后能量和频率发生改变的散射过程。
这种散射现象在光谱学和能谱学研究中具有重要意义。
列举出三种光与物质相互作用的基本过程
列举出三种光与物质相互作用的基本过程
1、吸收:
光吸收是指光能量被物质所吸收的过程，这个过程是在物体表面发生的，包括电子、空穴、物质的结构改变、气体分子、溶液或固体中的离子等，都可以吸收光能量，从而发生物理或化学变化。
2、散射:
光散射指的是光在物质上反射、变偏或跃迁时经历的过程，一般分为非散射（漫反射）和散射两种，它们在物质表面发生时会产生不同的效果，由于不同物质表面中拥有不同的晶体结构，光向不同方向反射、变偏和跃迁所产生的效果也不同。
3、透射:
光透射指光穿透物体表面后发生的现象，也称为折射，主要发生在物体表面，由于不同物质表面的结构或晶体结构不同，使得相同的光线经过不同物质时其方向会发生变化，从而实现光穿透物质的效果。
光子与物质相互作用
3.4 光子与物质相互作用
2、康普顿散射截面和角分布
康普顿效应发生在光子和“自由电子”之间，因此散射
截面是对电子而言的，记为σc,e。原子中的Z个电子都可看
成自由电子，所以整个原子的康普顿散射截面σc就是各个电
子康普顿截面的和：
c Z c,e
（10－3－9）
康普顿散射截面公式可由量子力学推得。当入射光子能
h h ' Ee
h h ' cos P cos
cc
h ' sin P sin
c
（10－3－3）
由此可得散射光子的波长变化及散射光子的能量为，
' h (1 cos )
m0c
E'
1
E
E m0 c 2
1
c os
（10－3－4）
ph,K
1.5
4
m0c
h
2
Z 5 th
Z5
1
h
（10－2－4）
14
3.4 光子与物质相互作用
•σph,k与Z5成正比，即靶物质原子序数Z大的光电截面大。因 为光电效应是光子与束缚电子的作用，Z越大，电子在原子
中束缚得越紧，原子核参与光电效应的概率就越大。所以，
• 当θ＝180º时，入射光子与电子对心碰撞后沿相反方向散 射，而反冲电子则沿入射光子方向发射，这种情况称为反散 射。此时光子的能量最小但波长的变化最大：
E' ,m in
E
1
2E m0 c 2
m
2
h m0c
0.049
A
光与物质相互作用ppt
06
光与物质相互作用的未来发展
探索新材料
研究新的光与物质相互作用需要不断探索新的材料，发现具有新奇物理性质的材料，如拓扑材料、自旋电子材料等。
发现新物理效应
除了探索新的材料，还需要关注新的物理效应。例如，研究光与物质的相互作用可能会产生一些新的量子效应，如量子隧穿、量子相干性等。
新材料和新物理效应的探索
03
荧光现象的研究和应用涉及化学、生物学、医学和环境科学等领域。例如，荧光染料被用于生物显微镜和免疫分析中，以增强检测的灵敏度和特异性。
03
光与物质相互作用的实验技术
激光光谱学
激光光谱学是一种研究物质与光相互作用的技术，通过测量光谱线的频率、宽度和强度等参数，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
当光在物质中传播时，会与物质的分子或原子相互作用，使它们获得能量并改变其振动或旋转状态，从而产生散射。
拉曼散射可以提供关于物质结构、分子振动和旋转状态等重要信息。
01
当光照射某些物质时，它们会吸收光能并释放出较小的能量，产生荧光现象。
荧光现象
02
荧光现象是由于物质的分子或原子吸收光能后，电子从基态跃迁到激发态，当它们返回基态时释放出光子。
总结词
同步辐射光源具有高亮度、宽波段、高相干性和高偏振度等优点，可以用于研究物质的原子结构、分子结构、化学反应和物理过程等。通过对同步辐射光源的测量和分析，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
详细描述
同步辐射光源
04
光与物质相互作用的应用
激光冷却
激光可以用来冷却原子，使得原子速度降低到非常低的温度，甚至达到纳开尔文级别。这种技术可用于研究量子力学和统计物理中的特异现象。
突破经典物理限制
光与物质的三种作用
光与物质的三种作用光与物质是两种不同的存在形式，它们之间存在着多种作用关系。
在自然科学领域中，光与物质的相互作用是一门重要的研究领域。
本文将从光与物质的三种作用角度出发，分别探究它们之间的相互作用方式。
一、光的照射作用光的照射作用是指光线对物质的照射所产生的影响。
光的照射作用可以分为两类，一类是对物质的物理性质产生影响，另一类是对物质的化学性质产生影响。
在物理性质方面，光的照射作用可以使物质发生光学效应。
例如，光线可以使光学元件产生折射、反射、漫反射等效应。
此外，光的照射作用还可以使物质发生热效应。
例如，在太阳光下，黑色物体吸收光线后会产生热量，从而使温度升高。
在化学性质方面，光的照射作用可以使物质发生光化学反应。
例如，光线可以使物质发生光解反应、光氧化反应等。
光化学反应是一种特殊的化学反应，它是在光的作用下发生的。
二、光的传播作用光的传播作用是指光线在空间中传播时对物质的作用。
光的传播作用可以分为两类，一类是对物质的物理性质产生影响，另一类是对物质的化学性质产生影响。
在物理性质方面，光的传播作用可以使物质产生光学效应。
例如，光线经过透明物质时会发生折射、反射、漫反射等现象。
此外，光的传播作用还可以使物质发生色散现象。
在化学性质方面，光的传播作用可以使物质发生光化学反应。
例如，在光线的作用下，化合物分子中的某些键能够断裂，从而使分子结构发生改变。
三、物质的发光作用物质的发光作用是指物质发出光线的现象。
物质的发光作用可以分为两类，一类是热辐射，另一类是非热辐射。
热辐射是指物质发出的光线与物质的温度有关。
例如，黑体发出的光线就是一种热辐射。
黑体的温度越高，发出的光线就越亮。
非热辐射是指物质发出的光线与物质的化学性质有关。
例如，荧光物质在受到激发后会发出光线，这种光线就是一种非热辐射。
荧光物质发出的光线与其分子结构有关。
光与物质之间存在着多种作用关系。
光的照射作用可以使物质发生光学效应和光化学反应；光的传播作用可以使物质产生光学效应和光化学反应；物质的发光作用可以分为热辐射和非热辐射。
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2004.9.9大连理工大学余虹114.1 分子光学的基本概念14.2 光的散射14.3 光的吸收14.4 光的色散
2004.9.9
大连理工大学
余虹
2
14.1 分子光学的基本概念14.1 分子光学的基本概念
一、电偶极子模型
t qE F ωcos 01=带电粒子受力——电场力
kr F −=2t
r
F d d 3γ−=——其他电荷给的弹性力——电磁辐射阻尼力2
232d d 2t r m
F F F =++t f r t
r t r ωωβcos d d 2d d 0202
2
=++m
k
=
0ω固有频率m
2γ
β=
阻尼系数
m
qE f 00=
()()
ϕω+=t A t r cos 稳态解
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大连理工大学余虹
3
()()
2
2
20
2
02βωωω
+−=
f A 稳态解
2
2
02tan ωωω
βϕ−=感生电偶极矩()()()
2
220
2
022cos βωω
ω
ϕω+−+=
=m
t E q qr p 当ω=ω0
振幅最大
()()
ϕω+=t A t r cos m qE
/02004.9.9
大连理工大学余虹4
二、带电粒子分类
原子核、离子——重振子惯性大，在频率较低的红外光中才能振动。
电子振子很轻能在可见光照射下能振动。
各向同性介质：α是常数E
p G G
0εα=E
p G
G
//一般电偶极矩
α：分子的极化率
各向异性介质：α与外电场方向有关，是张量。
E
p G G 、方向关系复杂。
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5
散射
4
1λ∝
s
I
（1）媒质的不均匀度a << λ的媒质散射——瑞利散射
（2）大颗粒媒质散射对波长无选择。
14.2 光的散射14.2 光的散射
瑞利散射区
λ
a
散射概率
x
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宇航员在太空看到的天空和太阳。
在地球上，清晨阳光穿过大气的距离较中午长，所以被散射掉的短波成分更多——朝阳、夕阳呈红色。
为什么我们看到
的天是蓝色的？
散射！
清晨
中午
傍晚
2004.9.9大连理工大学余虹7（3）拉曼散射
光源
散射物质
光谱仪
ν
ν1ν1ν′0
1ννν+=23
νν′′3
2νν紫伴线01
ννν−=′红伴线
ν0——分子的固有频率。
......′′ (32)
32νννν、；、ν
分子的固有频率不止一个，
所以拉曼光谱中还有
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14.3 光的吸收14.3 光的吸收
I 0
I x
0x I -d I
x+d x
x
I I d d ∝−x
I I d d β−=x I I d d β−=∫∫x I
I 00x I I
β
−=0
ln x e I I β−=0朗伯特定律
s
a βββ+=真吸收
散射
()x
s a e I I ββ+−=02004.9.9
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14.4 光的色散14.4 光的色散
λ
n
λ
β
1、任何光学材料都有色散。
0
λ2、正常色散：λqt n r 3、反常色散：处于吸收带附近。
棱镜光谱
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作者
余虹
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θ入射光//
E ⊥
E t
i e E E ω−=0G
G t i e
E p ωαε−=00G G
散射光
//p ⊥
p ⊥
S E //
S E //
0242224//16I r c i πθαωsin =⊥
⊥=02
422
416I r c i παω2
00//0I I I =
=⊥()ψπαω22
420
24//cos 132+=+=⊥r
c I i i i 照N 个分子，沿r 方向散射光强Ni
I s =ψ
44
c I s ω∝41λ
∝
s I 对稀薄气体
返回5
瑞利散射（非相干散射）。