光子与原子作用,光子与电子比较

光子与原子相互作用的理论模型

1、经典理论方法（经典原子发光模型）

出发点：原子系统和场都作经典处理。场可以用经典电动力学的麦克斯韦方程组来描述；原子中运动的电子可以看作是服从经典力学的电偶极振子。

解释：物质对光的吸收和色散现象；说明原子的自发辐射及谱线密度等；描述光和物质非共振相振的相互作用（非线性光学效应）有一定作用。

缺点：从量子力学观点看，原子模型比较粗糙。

2、半经典理论方法（量子力学）

出发点：电磁场可以用经典的麦克斯韦方程组来描述；而原子用量子力学描述。

解释：建立了完整的兰姆理论、强度特性（烧孔效应）、增益饱和效应；模的相位锁定效应、激光频率牵引。

缺点：掩盖了与场有关的量子化特性的物理现象，如激光振荡的线宽极限。振荡过程的量子起伏效应（噪声和相干性）等。

3、量子理论方法（量子电动力学方法）

出发点：电磁场和原子都作量子化处理，并且将二者作为一个统一物理体系加以描述。

解释：相干性、噪声、线宽极限等。

4、速率方程理论（量子理论一种简化形式）

出发点：从光子（量子化的辐射场）与原子的相互作用出发，忽略了光子的相位特性和光子数起伏特性，沿用受激辐射等概念和关系。

解释：强度特性、烧孔效应、兰姆凹陷、多模竞争等。

缺点：不能揭示色散（频率牵引）、量子起伏效应等。

光子和电子特性的区别

属性电子光子

宇称费米子玻色子

自旋1/2 1

静止质量m0 0

所带电量 e 0

速度

是否遵循泡利不相容原理是否

波函数标量波矢量波

色散函数抛物线型线型

描述方程薛定谔方程麦氏方程组

敏感参数电势场大小（V）介电常数ε和磁导率μ

电子和光子在自由状态和晶体中的比较

电子

光子

自由电子

晶体中电子 自由光子 晶体中光子 波函数 平面波

布洛赫波 平面波（E 和H

分量）

布洛赫波 能量本征值

2k 2/2m 0

能带结构En(k)

h ω=E

c k

光子能带结构

En(k) 有效质量 m 0

m*

u r 或 εr u r 或

εr

速度 k/m 0

k/m*

c/n V g =)(k k ω∇

相互作用 库仑

镜面库仑

无

无