探索激光世界/物理能量转换世界_吴波　编著_9787514310368

《探索激光世界》由吴波编著。
《探索激光世界》从激光与激光器、激光的应用、激光与航空、激光与能源、激光武器等多种角度阐述了激光这一举世瞩目的重大科技成就，并探索了人类利用激光技术的新途径和新的应用渠道，有助于读者全面地了解激光的知识，正确地看待激光和人类的关系，为维护世界和平而努力。

     我们知道，一切物质都是由原子组成的，而原子又是由原子核和绕原子核不停地转动的电子所组成的，原子核带正电，核外电子带负电，电子绕原子核转动有离开的趋势。而正负电荷相吸引又有使它们靠近的趋向。
    两者对立统一，使电子与原子核之间保持一定的距离。在没有外界作用时，这个距离不变。不同的原子，绕原子核转动的电子数目也不相同，这些电子按照一定规律分布在若干层特定的轨道上。
     最简单的原子就是氢原子，它只有一个电子绕原子核运动。电子运动就有一定的动能，电子被原子核吸引又有一定的势能，两者之和称为原子的内能。
    当核与电子问的距离保持不变时，原子的内能也不会改变。如果在外界作用下，电子与原子核的距离增大，原子的内能就增加，反之，使电子与原子核的距离减小，内能就减少。不过原子内能的变化并不是连续的，而是一级一级地分开的，即电子运动的轨道半径只可能取一系列的分立值，这是一切微观粒子（原子、分子、离子）的共同属性。
     氢原子中虽然只有一个电子，但这个电子的运动轨道并非只有一条，而是有若干条。电子究竟处在哪一条轨道上运动，就要看原子内能的大小了。
     通常情况下，电子在距原子核最近的轨道上运动，即原子处于最低的能量状态（稳定状态）。当外界向原子提供能量时，原子由于吸收了外界能量而引起自身的能量状态发生变化，即能量提高了，此时原子中的电子就会从低轨道跳（跃迁）到某一高轨道上去。外界提供的能量越大，电子的轨道就越高。
    或者说，电子轨道的高低，反映了原子的能量状态。
    电子的轨道高，就意昧着原子处于高能态；电子的轨道低，就意味着原子处于低能态。原子处于每一个能量状态时，都有一个确定的能量值，这些数值各不相等，把它们用高低不同的水平线形象地表示出来，就叫做原子的能级图。不同的原子能级结构也不相同。
     原子丢失其外层电子就成为离子。离子的能级结构与原子的能级结构类似。分子由原子构成，其能级结构，包括电子能级、原子振动能级和分子转动能级，比较复杂。电子、原子和分子都极其微小，习惯上统称它们为微观粒子。为了形象起见，常按微观粒子系统稳定态能量的大小，取某种比例的一定高度的水平线来代表系统的能态高低。高者叫高能级，低者叫低能级，各水平线统称为能级。它们构成的图叫做系统的能级图。通常为简明扼要，并不一定在能级图上画出所有能级，而只画上与所研究的物理现象有关的能级。
     在自然界，任何物质的发光都需要经过两个过程，即受激吸收过程和自发辐射过程。受激吸收过程是指当物质受到外来能量如光能、热能、电能等的作用时，原子中的电子就会吸收外来能量（如一个光子），从低轨道跃迁到高轨道上去，或者说处于低能态的粒子会吸收外来能量，跃迁至高能态。由于吸收过程是在外来光的激发下产生的，所以称之为“受激吸收”。
     自发辐射过程，被激发到高能级上的粒子是不稳定的，它们在高能级上只能停留一个极为短暂的时间，约为一亿分之一秒，然后立即向低能级跃迁。这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发地进行的，所以称为“自发跃迁”。粒子在自发跃迁过程中，要把原先吸收的能量释放出来，释放能量转变为热能，传给其他粒子，这种跃迁叫做“无辐射跃迁”，当然就不会有光子产生。
     另一种是以光的形式释放能量（叫做自发辐射跃迁），即向外辐射一个光子，于是就产生了光。自发辐射过程放出的光子频率，由跃迁前后两个能级之间的能量差来决定，可见，两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高，如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。
     自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射，如此循环不止地进行下去。每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。以电灯为例：接通电源后，电流流经灯泡中的发光物质——钨丝，钨丝被灼热，使钨原子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光子，于是灯泡就亮了。
     自发辐射的特点是，由于物质（发光体）中每个粒子都独立地被激发到高能态和跃迁回低能态，彼此间没有任何联系，所以各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调，不仅辐射光子的时间有先有后，波长有长有短，而且传播的方向也不一致。因为自发辐射光是由这样许许多多杂乱无章的光子组成的，所以我们通常见到的光，是包含许多种波长成分（即多种颜色）、射向四面八方的杂散光。阳光、灯光、火光等普通光都属于自发辐射光。
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