自发跃迁和感应跃迁
光纤通信技术 第 版 课后答案 孙学康 张金菊 人民邮电出版社
4.什么是激光器的阈值条件？
答：激光器需满足一定的条件才可以发出激光，要使激 光器产生自激振荡，最低限度应要求激光器的增益刚好 能抵消它的衰减。将激光器能产生激光振荡的最低限度 称为激光器的阈值条件
阈值条件为：
Gt
i
1 2l
ln
1 r1r2
5.简述半导体的光电效应？
答：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则 半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过 禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光 空穴，即光电子—空穴对，又称光电子载流子。
12.什么是受激拉曼散射和受激布里渊散射？
答：如设入射光的频率为f0，介质分子振动频率为 fv，则散射光的频率为：fs=f0士fv，这种现象称为受 激拉曼散射
受激布里渊散射与受激拉曼散射相比较物理过 程很相似，都是在散射过程中通过相互作用，光波 与介质发生能量交换，但受激布里渊散射所产生的 斯托克斯波在声频范围，其波的方向和泵浦光波方 向相反，而受激拉曼散射所产生的斯托克斯波在光 频范围，其波的方向和泵浦光波方向一致
即：
VC(LP01)<V<VC(LP11) 0<V<2.40483
8. 什么是单模光纤的双折射？
答：在单模光纤中，电场沿x方向或y方向偏振的偏 振模LPx及LPy，当它们的相位常数不相等时（即βx≠ βy ），这种现象称为模式的双折射
9. 什么是光纤的色散？色散的大小用什么来描述？ 色散的单位是什么？
受激吸收的特点：
（1）这个过程必须在外来光子的激发下才会产生
（2）外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差
（3）受激跃迁的过程不是放出的能量，而是消耗外 来光能
受激辐射的特点：
波谱重要名词
红外基频峰：分子振动能级由基态跃迁到第一激发态产生的吸收峰。
Fermi 共振：是指由频率相近的倍频峰或合频峰与基频峰相互作用而产生的，结果使倍频峰或合频峰的强度增大或发生裂分。
是振动偶合的特殊形式。
紫外光谱选律：原子和分子与电磁波相互作用，从一个能级跃迁到另一个能级要服从一定的规律，这些规律叫光谱选律。
允许跃迁：能级的跃迁根据选律是可能的。
跃迁几率大，吸收强度大。
禁阻跃迁：能级的跃迁根据选律是不可能的。
跃迁几率小，吸收强度弱。
发色团:分子中能吸收紫外光和(或)可见光的结构系统, (凡是具有π键电子的基团).助色团: 有n电子的基团,如:-OH,-OR,-NHR,-SR,-SH,-Cl,-Br,-I.吸收峰向长波方向移动，强度增强。
红移(Red shift):吸收峰向长波方向移动,强度增强，增色作用（效应）。
蓝移(Blue shift) :短波方向移动,减色作用（效应）。
末端吸收：在仪器极限处(190 nm)测出的吸收为末端吸收。
*R带(基团型, Radikalartig德文), 由n→π*引起, 强度较弱(ε﹤100). λmax 319nm*K带(共轭型, Konjuierte德文), 由π→π*引起,强吸收(ε﹥10000). λmax 210nm ~250nm*B带(苯型谱带, Benzenoid bands),由苯环π→π*引起, λmax 230nm ~270nm，中心256nm处。
*E带(乙烯型, Ethylenic bands),苯由苯环中的乙烯或共轭乙烯键π→π*引起, E1带在184 nm, E2带在204 nm处.核磁共振饱和：低能级核全部向高能级跃迁，不再吸收能量，核磁共振信号逐渐衰退，直至完全消失，这种状态叫饱和.驰豫：低能级核向高能级跃迁,高能态必须放出能量回到低能态，使低能态核始终维持优势。
非辐射到低能态的过程称为驰豫。
固定磁场强度B0，改变电磁辐射频率（ν）获得共振信号，叫扫频。
鉴定和识别有机化合物中的电子跃迁类型
鉴定和识别有机化合物中的电子跃迁类型一、实验目的1．熟悉有机化合物中几种主要的电子跃迁类型。
2．了解环境对体系的影响。
二、方法原理1．在有机化合物中常常遇到的电子跃适类型如下表所示：某些常见生色团的吸收特性2．生色团是分子中能吸收紫外可见光、而产生电子跃迁的基团，当它们与无吸收的饱和基团相连时，其吸收波长出现在185～1000nm之间。
3．根据生色团的吸收带类型，可将其分为（1）产生于л→л*跃迁的K带；（2）产生于n →л*的R带；（3）产生于芳香化合物禁阻л→л*跃迁的B带。
4．助色团是一些具有非键电子的基团，如－OH、－OR、－NHR、－Cl、－Br等，它们本身不能吸收大于200nm的光，但当它们与生色团相连时，会增加生色团的吸收强度，改变分子的吸收波长。
当分子中含有两个或两个以上的生色团时，它们之间的相对位置将会影响分子的吸收带，其一般规律如下：（1）当分子中两个生色团被一个以上的碳原子分开时，产生的吸收等于两个生色团单独存在时的和。
（2）当分子中两个生色团相邻时，其吸收波长比只有一个生团时出现在较长波长处，且吸收强度增强。
（3）当分子中两个生色团同时与一个碳原子相连时，其吸收情况是上述（1）、（2）两种极端条件的中间状态。
吸收峰的位置及强度随使用的溶剂不同而异。
这些影响与溶剂的性质、吸收带的特征以及溶剂的性质有关。
一般说来，随着溶剂极性的增加，n →л*跃迁吸收带向短波移动，而л→л*跃迁带向长波移动。
三、仪器与试剂TU－1900双光束紫外可见分光光度计。
1cm 石英比色皿。
1．2.0×10-3mol·L-1碘甲烷，溶剂：己烷；2．2.0×10-3mol·L-1碘甲烷，溶剂：甲醇；3．1.0×10-2mol·L-1丙酮，溶剂：水；4．1.0×10-2mol·L-12,5－己二酮，溶剂：水；5．4.0×10-3mol·L-1甲基酮，溶剂：水；6．4.0×10-3mol·L-1苯，溶剂：甲醇；7．3.1×10-3mol·L-1苯酚，溶剂：甲醇；四、操作步骤1．用与该溶液对应的溶剂为参比，分别测定上述7种溶液在200～650nm范围内的吸收光谱曲线。
波谱考试知识点
1.不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同；2.有机化合物的紫外—可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：σ电子、π电子、n电子外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。
主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊< π→π＊< n→σ＊< σ→σ＊3.σ→σ＊跃迁所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。
饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。
如甲烷的λ为125nm,乙烷λmax为135nm。
n→σ＊跃迁所需能量较大。
吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。
含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n →σ*跃迁。
如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n →σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm 和227nm。
π→π＊跃迁所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。
不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。
如：乙烯π→π*跃迁的λ为162 nm，εmax为: 1×104 L·mol-1·cm－1。
n →π＊跃迁需能量最低，吸收波长λ>200nm。
这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10～100L·mol-1 ·cm-1，吸收谱带强度较弱。
分子中孤对电子和π键同时存在时发生n →π＊跃迁。
丙酮n →π＊跃迁的λ为275nm εmax为22 L·mol-1·cm -1（溶剂环己烷)。
4.生色团：最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。
这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。
这类含有π键的不饱和基团称为生色团。
2024年高考物理氢原子光谱知识点总结
2024年高考物理氢原子光谱知识点总结2024年高考物理考试的物理氢原子光谱知识点总结如下：1. 氢原子光谱的基本特点：氢原子光谱是由氢原子的电子在不同能级之间跃迁所产生的。
它具有明亮的谱线和离散的能级结构。
2. 氢原子的能级结构：氢原子的能级由一系列具有不同能量的能级组成，其中最低的能级为基态（n=1），其他能级称为激发态（n>1）。
每个能级都有特定的能量值和对应的主量子数n。
3. 氢原子光谱系列：氢原子光谱可分为巴尔末系列、帕维系列和布莱克曼系列。
巴尔末系列是电子从高能级(n>2)跃迁到第二能级(n=2)时产生的谱线，帕维系列是电子从n>3的能级跃迁到第三能级(n=3)时产生的谱线，布莱克曼系列是电子从n>4的能级跃迁到第四能级(n=4)时产生的谱线。
4. 氢原子的能级间距：氢原子的能级间距由公式∆E = -13.6eV/n^2计算，其中∆E为能级间距，n为主量子数。
不同的能级间距对应不同的能量和频率。
5. 能级跃迁和光谱线的产生：当氢原子的电子跃迁到较低能级时，从高能级到低能级的能量差将以光子的形式释放出来，产生光谱线。
光谱线的波长和频率与能级差有关，可由公式λ = c/f和E = hf 计算，其中λ为波长，c为光速，f为频率，E为能量，h为普朗克常数。
6. 波尔理论：根据波尔理论，氢原子电子的能量是量子化的，只能处于特定的能级，而不能连续地存在于任意能级。
波尔理论通过引入角动量量子化条件和能级跃迁的辐射条件，成功解释了氢原子光谱的特点。
7. 色散光谱的测量：色散光谱仪是测量光谱的常用仪器。
它利用透镜或棱镜对光进行分散，使不同波长的光线分离，从而观察到光谱线。
通常使用光栅或棱镜作为色散元件，将光线按波长进行分散。
总之，物理氢原子光谱是高考物理中的重要知识点，考生应熟练掌握氢原子能级结构、能级跃迁和光谱线的产生原理，以及氢原子光谱的测量方法和数学计算公式。
激光原理作业-深大
1、激光与普通光源的本质区别是什么？请详细描述。
激光是受激辐射的光放大，由特定的发光物质及特殊的结构部件所组成，而普通光源则随处可见。
普通光源是自发的原子和光子的跃迁。
而他们的发光的微观机制是共同的，都是在外界条件的激励下，光源中的原子、分子吸收能量而处于一种不稳定的激发态，在没有任何外界的作用的情况下，他能自发的跃迁回低的激发态或基态，并发射出一定频率的电磁波。
普通光源的从四面八方发光的，而激光发射的光线是朝一个方向传播的。
激光的亮度极高，是普通光源的几百万倍。
激光的颜色极纯，而普通的光源，例如太阳光是由很种颜色的光组成。
激光的颜色取决于激光的波长，而波长取决于发出激光的活性物质，即被刺激后能够产生激光的那种材料。
普通光源大多应用于照明，而激光应用甚广。
其中激光别离技术，包括激光切割、激光打孔。
激光别离技术是将能量聚焦到微小的空间，可获得极高的辐照功率密度，利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。
在如此高的光功率密度照射下，几乎可以对任何材料实现激光切割和打孔。
激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。
激光打孔方法作为在固体材料上加工孔方法之一，已成为一项拥有特定应用的加工技术，主要运用在航空、航天与微电子行业中。
普通光源即使能够聚焦到很小的空间上，功率也远不如激光，故不能够利用普通光源到达切割打孔的目的。
2、一台激光器由哪几部分组成，它们的作用是什么？激光器一般主要由三部分组成，包括工作物质、激励源、谐振腔。
工作物质：激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。
现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。
激励源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
材料物理性能学知识点
根据隧道的特点，可将快离子导体划分为：（1）一维导体，其中隧道为一维方向的通 道，如四方钨青铜；（2）二维导体，其中隧道为二维平面交联的通道，如Na-β-Al2O3快离 子导体；（3）三维导体，其中隧道为二维网络交联的通道，如Nisicon(Sodium superionic conductor, NaZr2P3O12)等。
24、电子在晶体中运动受到两种力的作用：（1）晶格振动以及由于晶体不完整(杂质)形， 引起对电子的散射；（2）在电场的作用下，电子沿电场方向作漂移运动。
25、半导体中载流子的散射受两种因素影响；（1）晶格热振动散射；（2）离子化的杂质 散射。
高温、低杂质浓度时，晶格散射起主导作用。高杂质密度时，杂质散射起主要作用。
14、离子电导是在电场作用下离子的扩散现象，离子扩散机构主要有：①空位扩散；② 间隙扩散；③亚晶格间隙扩散。一般间隙扩散比空位扩散需更大的能量。间隙-亚晶格扩散 相对来讲晶格变形小，比较容易产生。
15、随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。低温下杂质电导占主要地位。这是由 于杂质活化能比基本点阵离子的活化能小许多的缘故。高温下，固有电导起主要作用。
9、形成固溶体时，合金导电性能降低。在连续固溶体中合金成份距组元越远，电阻率 越高。
10、除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入1%原子溶质金属所引起的电阻率增加，由溶 剂和溶质的价数决定，价数越大电阻率增加越大。
跃迁选择定则
Ji = Jf + j, Jf + j -1, …, ⏐Jf - j⏐
对一定的多极辐射场j，原子分子初态和末态之间可能 取的角动量差为 ΔJ = ±j, ±(j-1), …, 0
由于跃迁速率随跃迁多极次 j 增加而迅速减少，一般情 况下只有最小极次j =∣Ji - Jf∣的辐射才能出现。如果它被 禁戒，则可出现下一极次的辐射。 光谱实验上能够观测到辐射除了电偶极辐射E1之外， 只有M1+E2和M2+E3的混合辐射。 由于j ≥ 1, 所以 0→0的跃迁是禁戒的。
2
式中Ei – Ef = hν，上式已对k和ε的各个方向取了平均，相当 于原子与各向同性的非偏振辐射的相互作用。
跃迁速率包括两项： 第一项对应于受激辐射，在通常光源作用下可以忽略，只有 在较强光场中才明显出现。 第二项对应于自发辐射，即外界不存在辐射 (nk,ε= 0)时的辐 射速率。 如果存在简并态，自发辐射的速率变为
. ..
5(1) 4(1) 3(1)
537.0 6675.2
. ..
5(2) 4(2) 3(2)
. ..
5(1) 4(1) 3(1)
. ..
5(2,1,0)
. ..
5(3,2,1) 4(3,2,1) 4(2,1,0) 3(3,2,1) 3(2,1,0)
5875.6
3(0)
538.9
2(0) 171129.148
λm1 1 μ ⎛ Z μ B ⎞ ⎛ Zα ⎞ −5 ≈ 2 ≈⎜ = ≈ 10 ⎟ ⎟ ⎜ λE1 c er ⎝ ea0 c ⎠ ⎝ 2 ⎠
2 2 2
电四极跃迁的跃迁速率与电偶极跃迁速率之比为
λE2 3 ⎛ ω r ⎞ 3 ⎛ Zα ⎞ −6 10 ≈ ⎜ = ≈ ⎜ ⎟ λE1 40 ⎝ c ⎟ 40 ⎝ 2 ⎠ ⎠
高中物理总复习之知识讲解 原子的核式结构模型、玻尔的氢原子理论 (基础)
物理总复习：原子的核式结构模型、玻尔的氢原子理论【考纲要求】1、知道卢瑟福的原子核式结构学说及α粒子散射实验现象2、知道玻尔理论的要点及氢原子光谱、氢原子能级结构、能级公式3、会进行简单的原子跃迁方面的计算【知识网络】【考点梳理】考点一、原子的核式结构要点诠释：1、α粒子散射实验（1）为什么用α粒子的散射现象可以研究原子的结构：原子的结构非常紧密，一般的方 法无法探测它。
α粒子是从放射性物质（如铀和镭）中发射出来的高速运动的粒子，带 有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍。
（2）实验装置：放射源、金箔、荧光屏、放大镜和转动圆盘组成。
荧光屏、放大镜能围 绕金箔在圆周上转动，从而观察到穿过金箔偏转角度不同的α粒子。
（3）实验现象：大部分α粒子穿过金属箔沿直线运动；只有极少数α粒子明显地受到 排斥力作用而发生大角度散射。
绝大多数α粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进，少数α 粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转 角几乎达到180°。
（4）实验分析：①电子不可能使α粒子大角度散射；②汤姆孙原子结构与实验现象不符； ③少数α粒子大角度偏转，甚至反弹，说明受到大质量大电量物质的作用。
④绝大多数 α粒子基本没有受到力的作用，说明原子中绝大部分是空的。
记住原子和原子核尺度：原子1010-m ，原子核1510-m2、原子的核式结构卢瑟福对α粒子散射实验结果进行了分析，于1911年提出了原子的核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。
原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数。
原子的半径大约是1010-m ，原子核的大小约为1510-m ～1410-m 。
【例题】卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出（ ）A.原子的核式结构模型．B.原子核内有中子存在．C.电子是原子的组成部分．D.原子核是由质子和中子组成的．【解析】英国物理学家卢瑟福的α粒子散射实验的结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原方向前进，但有少数α粒子发生较大的偏转。
光纤通信系统知识点总结
分析光纤中的传输，可用两种理论：射线光学（即几何光学）理论和波动光学理论。
根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类，光纤可分为阶跃折射率型和渐变折射率型。
数值孔径NA=，表示光纤的集光能力。
最大时延差 L 为光纤的长度相对折射率差 单位长度光纤的最大群时延差 损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性。
色散可分为：模式色散、材料色散、波导色散。
采用内包层的作用：1减小基模的损耗，2得到纤芯半径较大的单模光纤。
0.85μm ，1.3μm 和1.55μm 左右是光纤通信中常用的低损耗窗口。
色散可分为模式色散，材料色散以及波导色散。
在所有的导模中，只有HE 11模式的截止频率为0，亦即截止波长为无穷大。
HE 11是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。
最常用的光源是半导体激光器和发光二极管用半导体激光器的原因：1）半导体光源体积小；2）发射波长适合在光纤中低损耗传输；3）可以直接进行强度调制；4）可靠性较高。
原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称为能级跃迁，若电子跃迁中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁，若交换的能量是光能，则是光跃迁。
放大媒质：N2>N1，受激辐射占主导地位，r （v ）>0，光波经过媒质时强度按指数规律增加，光波被放大。
21N N >的媒质是一中处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转或布居反转，这种媒质对应于激光型放大的情况。
在半导体物理中，通常把形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。
导带和价带之间，被宽度为Eg 的禁带所分开。
原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间。
光子能量满足 Eg<hv<e0V 的光子有放大作用。
对大量原子组成的体系来说，将同时存在着光的自发发射、受激辐射、和受激吸收3个过程。
自发发射：处于高能级E2上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级E1上，并发射一个频率为v 、能量为hv=E2—E1的光子，这个过程称为光的自发发射过程。
2020年高考物理备考微专题精准突破专题6.3 能级跃迁分析(解析版)
2020年高考物理备考微专题精准突破专题6.3 能级跃迁分析【专题诠释】1．玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E m －E n .(h 是普朗克常量，h ＝6.63×10－34 J·s)(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．2．氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示(2)氢原子的能级和轨道半径①氢原子的能级公式：E n ＝1n 2E 1(n ＝1,2,3，…)，其中E 1为基态能量，其数值为E 1＝－13.6 eV . ②氢原子的半径公式：r n ＝n 2r 1(n ＝1,2,3，…)，其中r 1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r 1＝0.53×10－10m.4．定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n 小)――→跃迁高能级(n 大)―→吸收能量．hν＝E n 大－E n 小(2)从高能级(n 大)――→跃迁低能级(n 小)―→放出能量．hν＝E n 大－E n 小5．电离电离态：n ＝∞，E ＝0基态→电离态：E 吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV .n ＝2→电离态：E 吸＝0－E 2＝3.4 eV如吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能．【高考领航】【2019·新课标全国Ⅰ卷】氢原子能级示意图如图所示。
光子能量在1.63 eV~3.10 eV 的光为可见光。
要使处于基态（n =1）的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为（ ）A ．12.09 eVB ．10.20 eVC ．1.89 eVD ．1.5l eV【答案】A 【解析】由题意可知，基态（n=1）氢原子被激发后，至少被激发到n=3能级后，跃迁才可能产生能量在1.63eV~3.10eV 的可见光。
天体物理中的辐射机制
，
则称之为n跃迁，n取低能级n1的值。当
，
即
，则称为n跃迁。与之相应的谱线称为n
线、 n线等等。为表征是哪个元素原子的谱线，在
谱线记号前标上元素符号，如
等。
由于n1，n2都取大值，n通常较小，辐射频率可很 好地近似为：
因此当电子被任何一种z=1的一次电离元素原子(如
等)俘获，且复合到高激发态(n>>1)情况
在稳定条件下，各能级n上原子数密度Nn不随时间变 化，进入能级n的原子数应与离开的相等。
进入能级n的三条途径：自由电子直接复合到能级n； 从高激发态到能级n的自发跃迁；吸收频率为 的 Lyman光子 从基态跃迁到n态。故单位时间单位 体积跃迁到能级n的总数为：
对低密度及辐射场不太强的等离子体，可忽略碰撞跃 迁及感应辐射跃迁，原子只能通过向低能级的自发跃 迁离开能级n。单位时间单位体积内离开的原子数为：
在情况B下，总复合速率系数 应只对各激发态 n的求和，所得结果与以前类似，只是式中应代以
光纤通信(朱宗玖)习题解答
第一章1. 简述光纤通信的特点。
答：（1）频带宽、信息容量大（2）损耗低、传输距离长（3）体积小、重量轻、便于敷设（4）抗干扰性好、保密性强、使用安全（5）材料资源丰富2. 简述光纤通信系统中基本组成部分及其重要作用。
答：基本组成部分：光纤通信系统是以光纤作为传输介质、光波作为载波的通信系统。
它主要由光发射机、光纤、光中继器、光放大器、光接收机等组成，当然，一般系统中还包括一些连接器、隔离器、波分复用器、耦合器等器件。
重要作用：光发射机的作用是将电信号转换成光信号，并通过连接器将光信号注入光纤。
光接收机的主要作用是将光纤传输过来的光信号转换成发射端的电信号。
光纤的作用是将光信号以尽可能小的衰减及畸变传输到对端。
中继器的作用是延长光信号的传输距离，分为光/电/光中继器和光中继器(或称光放大器)两种。
3. 查阅相关资料，简述当前光纤研究的一些最新技术。
答：高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术、光波技术。
第二章1．什么是单模光纤？什么是多模光纤？答：单模光纤是指只能传输基模(HE 11)，即只能传输一个最低模式的光纤，其它模式均被截止。
多模光纤是指可以传输多种模式的光纤，即光纤传输的是一个模群。
2．光纤和光缆的区别？答：光纤，即光导纤维，是一种传输光能波导全介质，通常由纤芯和包层组成，利用光在玻璃及塑料中的全反射原理而被用于光传导工具。
光缆由光导纤维和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路，即由光纤经过一定的工艺而形成的线缆。
3．光纤的导光原理是怎么样的？答：光进入光纤后由于外包层的折射率低于芯层的折射率，光在芯层中进行传播，且损耗小。
其中空气的折射率为n 0(n 0≈1)，纤芯的折射率为n 1,包层的折射率为n 2，在空气与纤芯端面形成的界面1上，入射角为θ0，折射角为θ。
在纤芯和包层形成的界面2上，入射角为Ф1，折射角为Ф2。
自发辐射,受激辐射和受激吸收,无辐射跃迁
自发辐射,受激辐射和受激吸收，无辐射跃迁辐射是物质能量的一种传播方式。
在物质的原子、分子中，由于电子绕着原子核做定轨运动，它们的速度、方向等状态随时间发生着变化，就会发生辐射现象。
今天我们来看一下与辐射有关的三个重要的概念：自发辐射、受激辐射和受激吸收，无辐射跃迁。
自发辐射是指一个原子或分子中的高能激发态到达一个低能势态时，由于粒子的内部机制，产生电磁辐射的现象。
这是一种自然现象，与外部因素无关。
自发辐射的能量和频率是随机的，而且具有一定的概率性，无法被外部控制。
受激辐射是指通过外部激发（如电子束、磁场、激光等）作用下，物质的产生的一种辐射。
在受激辐射中，外部能量将会激发分子或原子从低能态跃迁到高能态，在高能态的分子或原子内聚集能量，随后就会发生由高能激发态向低能势态跃迁时的电磁波的放射现象。
受激吸收是指在外部辐射（如光、激光等）作用下，物质的一种反响。
在受激吸收中，外部辐射穿过物质时，物质中的分子或原子会吸收这些辐射的能量，并由低能态向高能态跃迁，而后会开始发射电磁辐射。
与受激辐射不同的是，受激吸收不一定导致辐射，可能只是将能量存储在物质内部而已。
无辐射跃迁是指无电磁辐射发生的分子或原子的跃迁过程。
这是因为在分子或原子内部的能级过渡方式是多种多样的，跃迁方式不一定是电磁辐射，可能是通过分子、原子等离子体或化学变化来发生内部跃迁的过程，因此就无须使用辐射的方式来实现跃迁。
总之，自发辐射、受激辐射、受激吸收和无辐射跃迁是物质中的辐射现象，是我们认识物质内部能量状态的重要方式，也是我们制造许多电子仪器和设备所必须的基本知识。
无论是从理论、实验还是生产角度，对这些知识的掌握都是非常重要的。
光子跃迁知识点总结
光子跃迁知识点总结1. 原子和分子的能级结构在量子力学中，原子和分子的能级是分立的，具有特定的能量值。
这些能级是通过解薛定谔方程得到的，每个能级对应着原子或分子中的一个特定的状态。
能级的编号通常用量子数来表示，比如原子的能级用主量子数n、角动量量子数l和磁量子数m来表示，分子的能级也可以用类似的量子数来表示。
2. 能级跃迁的类型能级跃迁可以分为吸收和发射两种类型。
当原子或分子受到外部能量激发后，它会从低能级跃迁到高能级，这时会吸收能量，而在跃迁返回低能级时则会发射能量。
这些跃迁所释放或吸收的能量正好等于跃迁前后的能级差，因此通过测量能级差可以得到原子或分子的能级结构信息。
3. 能级跃迁和光子发射当原子或分子从高能级跃迁到低能级时，会释放出光子，这个过程称为发射。
发射的光子的能量等于能级差，根据普朗克公式E=hf可以求得其波长或频率。
这就是原子或分子的光谱特性，所以通过观察物质发射的光谱可以了解其能级结构。
4. 能级跃迁和光子吸收同样，当原子或分子被外部能量激发后，会从低能级跃迁到高能级，这个过程称为吸收。
吸收的光子的能量同样等于能级差，因此可以通过测量吸收谱来了解原子或分子的能级结构。
5. 分子中的振动和转动能级跃迁在分子中，除了电子跃迁外，还存在着振动和转动能级跃迁。
分子可以在振动能级之间跃迁，这通常对应着红外光谱的吸收和发射。
此外，分子还可以在转动能级之间跃迁，这对应着微波光谱的吸收和发射。
通过观察这些光谱可以得到分子的振动和转动能级结构信息。
6. 光子跃迁和激光激光是一种特殊的光源，其特点是具有高度的单色性、方向性和相干性，这与光子跃迁的过程有着密切的关系。
激光的产生通常依赖于原子或分子的能级跃迁，通过适当的能级布局和外部激发条件可以实现激光的输出。
因此，光子跃迁的研究对于激光技术的发展具有重要意义。
7. 光子跃迁和光谱分析光子跃迁是物质与光相互作用的基础，通过测量物质的光谱可以了解其能级结构、化学成分和性质。
跃迁类型和选择定则
. ..
5(1) 4(1) 3(1)
537.0 6675.2
. ..
5(2) 4(2) 3(2)
. ..
5(1) 4(1) 3(1)
. ..
5(2,1,0)
. ..
5(3,2,1) 4(3,2,1) 4(2,1,0) 3(3,2,1) 3(2,1,0)
5875.6
3(0)
538.9
2(0) 171129.148
ΔM=0,±1,±2 宇称不变 有或无单电子跃迁 Δl = 0,±2 ΔS=0
ΔL = 0, ±1, ±2 0 → 0,1
5 6
表中前三个选择定则在不考虑核自旋条件下是严格成立 的，它们是从普遍的对称性和守恒定律导出的。 定则1来自角动量守恒 在量子电动力学中偶极辐射、四极辐射和八极辐射对应 于总角动量量子数 j = 1，2和3的光子场。 对初Ji 到末态Jf的确定的跃迁，由角动量守恒 可得 Ji = j + Jf，
λif
( Ei − E f ) =
3πε 0 c
4 3
பைடு நூலகம்
3
∫ψ
* n′l ′m′
(-er )ψ nlm dτ
2
电偶极跃迁的球坐标分量：(q = 0, ±1)
I
q n ' l ' m '; nlm
⎛ 4π ⎞ =⎜ ⎟ ⎝ 3 ⎠
1/ 2
∫
∞
0
r 3 Rn 'l ' (r ) Rnl (r )dr
×∫ d ΩYl *m ' (θ , φ )Y1,q (θ , φ )Ylm (θ , φ ) '
这就是电偶极近似。与这一部分对应的跃迁称 为电偶极跃迁(用E1表示)。
自发跃迁和感应跃迁
(12)
将(12)式代入(9)式，得到： (13)
现在，讨论跃迁几率问题，归结为在不同初始条件下，方程(13)的求 解问题 6
受激发射与自发发射
首先研究吸收过程。假设t=0时系统处于|b,nl+1>的状态， 初始条件为：
Ca(0) = Ca’(0) = 0 Cb(0) = Cb’(0) = 1 (14)
(21) 与讨论吸收过程类似，最后得到位于上能级|a>的原子，发射一个光子而跃迁到 下能级|b>的速率Wa-b为： (22)
(23) 9
在系统与外界没有能量交换时，系统的能量本征态只能是：| a, nƖ> ; |b, nƖ+1> 一般情况下，系统的状态可以表示为能量本征态的线性叠加：
|φ> = Ca(t) | a, nƖ> + Cb(t) |b, nƖ+1>
(1) 2
系统的哈密顿算符H，应该等于场与原子单独存在时的哈密顿算符与它 们相互作用时哈密顿算符之和，因此：
将(1)和(2)代入上式，得到： (8)
4
用左失<a,nl|和<b,nl+1|分别乘以上式，并利用(4)式，得到：
(9)
其中
H’ab = <a,nl| H’ |b, nl+1> H’ba = <b, nl+1| H’ |a,nl>
将(7)式代入上式，得到：
(10)
5
(11) 为了简化方程式(9)，可令：
由于场与原子的相互作用，在此后的某一时刻，系统的状态将不再 处在|b,nl+1>，根据量子力学基本原理，展开系数绝对值的平方|Ca(t)|2， 就代表了t时刻原子吸收电磁场的一个光子而跃入|a,nl>态的几率。 这里利用迭代法求取(13)式得一阶解，再利用初始条件，得到：
2019年高考物理二轮复习专题讲义：原子物理 105.氢光谱、能级
氢光谱、能级一、玻尔的原子理论——三条假设（1）“定态假设”：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中，电子虽做变速运动，但并不向外辐射电磁波，这样的相对稳定的状态称为定态。
定态假设实际上只是给经典的电磁理论限制了适用范围：原子中电子绕核转动处于定态时不受该理论的制约。
（2）“跃迁假设”：电子绕核转动处于定态时不辐射电磁波，但电子在两个不同定态间发生跃迁时，却要辐射（吸收）电磁波（光子），其频率由两个定态的能量差值决定hv=E 2-E 1。
跃迁假设对发光（吸光）从微观（原子等级）上给出了解释。
（3）“轨道量子化假设”：由于能量状态的不连续，因此电子绕核转动的轨道半径也不能任意取值，必须满足 )3,2,1(2 ==n nhmvr π。
轨道量子化假设把量子观念引入原子理论，这是玻尔的原子理论之所以成功的根本原因。
二、氢原子能级及氢光谱（1）氢原子能级: 原子各个定态对应的能量是不连续的，这些能量值叫做能级。
①能级公式：)6.13(1112eV E E n E n -==； ②半径公式：)m .r (r n r n 1011210530-⨯==。
（2）氢原子的能级图 （3）氢光谱在氢光谱中，n=2,3,4,5,……向n=1跃迁发光形成赖曼线系； n=3,4,5,6向n=2跃迁发光形成巴耳末线系； n =4,5,6,7……向n=3跃迁发光形成帕邢线系； n=5,6,7,8……向n =4跃迁发光形成布喇开线系，其中只有巴耳末线系的前4条谱线落在可见光区域内。
三、几个重要的关系式（1）能级公式 2126131n eV.E n E n -== （2）跃迁公式 12E E h -=γ（3）半径公式 )m .r (r n r n 1011210530-⨯==（4） 动能跟n 的关系 由n n nr mv r ke 222= 得 2221221nr ke mv E n n kn ∝== （5）速度跟n 的关系n r mr ke v n n n 112∝== （6）周期跟n 的关系332n r v r T n nn n ∝==π 关系式（5）（6）跟卫星绕地球运转的情况相似。
2020年高考物理备考微专题精准突破专题6.3 能级跃迁分析(原卷版)
2020年高考物理备考微专题精准突破专题6.3 能级跃迁分析【专题诠释】1．玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E m －E n .(h 是普朗克常量，h ＝6.63×10－34 J·s)(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．2．氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示(2)氢原子的能级和轨道半径①氢原子的能级公式：E n ＝1n 2E 1(n ＝1,2,3，…)，其中E 1为基态能量，其数值为E 1＝－13.6 eV . ②氢原子的半径公式：r n ＝n 2r 1(n ＝1,2,3，…)，其中r 1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r 1＝0.53×10－10m. 4．定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n 小)――→跃迁高能级(n 大)―→吸收能量．hν＝E n 大－E n 小(2)从高能级(n 大)――→跃迁低能级(n 小)―→放出能量．hν＝E n 大－E n 小5．电离电离态：n ＝∞，E ＝0基态→电离态：E 吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV .n ＝2→电离态：E 吸＝0－E 2＝3.4 eV如吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能．【高考领航】【2019·新课标全国Ⅰ卷】氢原子能级示意图如图所示。
光子能量在1.63 eV~3.10 eV 的光为可见光。
要使处于基态（n =1）的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为（ ）A ．12.09 eVB ．10.20 eVC ．1.89 eVD ．1.5l eV【2019·浙江选考】处于较高能级的氢原子向较低能级跃迁时，能辐射出a 、b 两种可见光，a 光照射某金属表面时有光电子逸出，b 光照射该金属表面时没有光电子逸出，则（ ）A ．以相同的入射角射向一平行玻璃砖，a 光的侧移量小于b 光的B ．垂直入射到同一单缝衍射装置，a 光的衍射中央亮条纹宽度小于b 光的C ．a 光和b 光的频率之比可能是20/27D ．a 光子的动量大于b 光子的2027a b λλ<h p λ=a b p p > 【2018·天津卷】氢原子光谱在可见光区域内有四条谱线αβγδH H H H 、、、，都是氢原子中电子从量子数n >2的能级跃迁到n =2的能级发出的光，它们在真空中的波长由长到短，可以判定A ．αH 对应的前后能级之差最小B ．同一介质对αH 的折射率最大C ．同一介质中δH 的传播速度最大D ．用γH 照射某一金属能发生光电效应，则βH 也一定能 γH βH γH βH γH βH【方法技巧】解答氢原子能级图与原子跃迁问题应注意(1)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝E m－E n求得．若求波长可由公式c＝λν求得．(2)一个处于第n能级的氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．(3)大量氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法．①用数学中的组合知识求解：N＝C2n＝n?n－1?2.②利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加．【最新考向解码】【例1】.(2019·广西桂林、贺州、崇左高三联合调研)氢原子能级图如图所示，大量处于n＝3激发态的氢原子向低能级状态跃迁辐射出的光子中，发现有两种频率的光子能使金属A产生光电效应，则下列说法正确的是()A．大量处于n＝3激发态的氢原子向低能级状态跃迁时，只辐射三种频率的光子B．从n＝3激发态直接跃迁到基态时放出的光子一定能使金属A发生光电效应C．一个氢原子从n＝3激发态跃迁到基态时，该氢原子能量增大D．一个氢原子从n＝3激发态跃迁到基态时，该氢原子核外电子动能减小例 2.(2019·江苏省宿迁市沭阳县高三上期末改编)静止的电子经电场加速后，撞击氢原子使其由基态跃迁到激发态，电子的加速电压至少为________ V；用大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁释放的光子，照射某种金属，有两种频率的光子能使该金属发生光电效应，则该金属的逸出功W0一定小于________ eV。
自发辐射,受激辐射和受激吸收,无辐射跃迁
自发辐射,受激辐射和受激吸收，无辐射跃迁自发辐射、受激辐射和受激吸收是原子和分子中发生的三种重要的电磁辐射现象。
自发辐射是指原子或分子在基态下通过自发过程从高能量态跃迁到低能量态时释放出的能量，产生的电磁波称为自发辐射。
受激辐射是指通过外界电磁波的干扰，使得原子或分子跃迁到高能量态，然后由于基态能量更低的原因，从高能量态返回基态时释放出的辐射能量，产生的电磁波称为受激辐射。
受激吸收则是相反的过程，即当外界电磁波与原子或分子相互作用时，原子或分子吸收一定能量并跃迁到高能量态，产生的过程称为受激吸收。
无辐射跃迁是指原子或分子在能级之间跃迁时，不产生电磁辐射，例如在光学激发过程中发生的跃迁即属于无辐射跃迁。
这三种现象在量子力学中都有很好的描述和解释。
在应用中，它们广泛应用于激光技术、光谱学、原子钟等领域。
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(12)
Cb(t)
=
Cb’(t)exp
−������ ������������+(������������+1)ħω������ ������
ħ
将(12)式代入(9)式，得到：
Ċ������′ ������ = ���1���ħH’abCb’(t)������������(������0−ωl)������
(6)
将(6)式代入(5)式，得：
H’ = -i������������
ħωƖ
������ε
���������+��� − ������������ ������������������������������������
(7)
Y是坐标算符。根据量子力学理论，原先处在能量本征态的系统，由于相互作用， 状态会发生改变，在薛定谔表象中，态矢的运动方程为：
i ħ ������������������|φ> = H|φ>
将(1)和(2)代入上式，得到：
i ħ Ċ������ ������ ������, ������������ > + Ċ������ ������ ������, ������������ + 1 = (H0 + H’) [������������(������) ������, ������������ > +������������ ������ ������, ������������ + 1]
8
现研究初始条件，原子在电磁场作用下发射的过程。
Ca(0) = Ca’(0) = 1
Cb(0) = Cb’(0) = 0
(20)
将上式第一个条件代入式(13)式第二个方程，则：
���������(���1)′(t)
=
1 ħ
ħωƖ
������ε
������ҧ������
������������ + 1 ������−−���������������(������0���−0ω−ωl ���l���−) 1sinklz
������������ + 1
sinklz
(9)
(10) 5
其中������ҧ������是实数，而且：
������ҧ������ = -<a,nl|eY|b,nl+1> = -<b,nl+1|eY|a,nl>
(11)
为了简化方程式(9)，可令：
Ca(t)
=
Ca’(t)exp
−������ ������������+������������ħω������ ������
|2
=
2ωƖ���ഥ���������2
ħ������ε
(nl+1)���������������������������0���−0−ωωl l
������
������������������2������������������
(17)
由于
lim
������→∞
������������������ ������0−ωl ������0−ωl
Ca(0) = Ca’(0) = 0
Cb(0) = Cb’(0) = 1
(14)
由于场与原子的相互作用，在此后的某一时刻，系统的状态将不再 处在|b,nl+1>，根据量子力学基本原理，展开系数绝对值的平方|Ca(t)|2， 就代表了t时刻原子吸收电磁场的一个光子而跃入|a,nl>态的几率。
这里利用迭代法求取(13)式得一阶解，再利用初始条件，得到：
其中
H’ab = <a,nl| H’ |b, nl+1> H’ba = <b, nl+1| H’ |a,nl>
将(7)式代入上式，得到：
H’ab = -i
ħωƖ
������ε
������ҧ������
������������ + 1
sinklz
H’ba = i
ħωƖ
������ε
������ҧ������
������
������������������2������������������
(15)
(16) 7
单位时间的跃迁几率，即跃迁速率，应等于(16)式对时间的导数，将从 |b,nl+1>跃迁入a,nl>的速率记为Wb-a，则：
Wb-a
=
������ ������������
|
���������(���1)(t)
���������(���1)′(t)
=
1 ������ħ
0������
H’abCb’(0)������������(������0−ωl)������′dt’
=
−1 ħ
ħωƖ
������ε
������ҧ������
������������ + 1 ���������������������(������0���−0ω−ωl ���l���)−1sinklz
1
跃迁速率
以二能级原子与一个单模辐射场组成的一个系统为例
|a>
ħωƖ |b>
|nƖ+1>
ħωƖ |nƖ>
ħωƖ |nƖ -1>
图1 自发跃迁和感应跃迁过程中包含的原子能级（左）和 辐射模能级（右）
在系统与外界没有能量交换时，系统的能量本征态只能是：| a, nƖ> ; |b, nƖ+1>
一般情况下，系统的状态可以表示为能量本征态的线性叠加：
(21)
与讨论吸收过程类似，最后得到位于上能级|a>的原子，发射一个光子而跃迁到 下能级|b>的速率Wa-b为：
Wa-b
=
2������ ωƖ���ഥ���������2
ħ������ε
(nl+1)������
������0 − ωl
������������������2������������������
自发跃迁和感应跃迁
光的吸收与辐射现象
光的吸收：
在光的照射下，原子中的电子吸收光子，从低能级跃迁到高能级
光的受激辐射：
电子自高能态受到光的激发而跃迁到低能态，同时发射与激发光的相位、 偏振方向和传播方向相同的光。
光的自发辐射：
在没有外界因素的作用下，电子自高能态自发地跃迁到低能态， 同时发射出光的现象。
+
1
>
(4)
其中Ea、Eb分别是能量本征态|a>、|b>的能量本征值，在电偶极矩近似下：
→→
H’ = eE∙ R
(5)
3
若单模辐射场是沿y方向的平面波，则其量子形式为：
Ely(z,t) = -i
ħωƖ
������ε
���������+��� − ������������ ������������������������������������
(22)
Wa-b
(spont)=
2������ ωƖ���ഥ���������2
ħ������ε
������
������0 − ωl
������������������2������������������
Wa-b (induced)= 2������ħω������εƖ���ഥ���������2nl������ ������0 − ωl ������������������2������������������
因此，在t时刻，原子处在上能级的几率，也就是吸收一个光子而跃入上
能级的几率为：
|���������(���1)′(t)|2
=|
���������(���1)(t)
|2
=
ωƖ���ഥ���������2
ħ������ε
(nl+1)4���������������(������2���120−������ω0−l)ω2 l
������0 ������������ +
������, ������������ > = ������������ 1 > = [ ������������ +
+ ħωƖ������������ ħωƖ(������������ +
������, ������������ > 1 ] ������, ������������
(23)
9
������ = ������������
������0 − ωl
(18)
当t→ ∞时有：
Wb-a
=
2������ ωƖ���ഥ���������2
ħ������ε
(nl+1)������
������0 − ωl
������������������2������������������
(19)
上式表明，当电磁场的频率ωl等于原子频率������0时，吸收过程的跃迁速率最大
(13)
Ċ������′ ������ = ���1���ħH’baCa’(t)������−������(������0−ωl)������
现在，讨论跃迁几率问题，归结为在不同初始条件下，方程(13)的=0时系统处于|b,nl+1>的状态， 初始条件为：
|φ> = Ca(t) | a, nƖ> + Cb(t) |b, nƖ+1>
(1)
2
系统的哈密顿算符H，应该等于场与原子单独存在时的哈密顿算符与它 们相互作用时哈密顿算符之和，因此：
H = H0 + H’