前述过光、原子、能级和光谱。物质是由一些同类微粒组成(即原子、分子、离子)。由于这些能级处于不同的能级上,而在这些能级中,用E1及E2分别表示两个能级量,E1所带的能量少,属低能级。E2所带的能量多。为高能级(见图18)。由于粒子所含的能量不同,总的来说粒子在低能级的占多数,高能级的占少数。因此在低能级(E1)中的粒子数大于高能级中(E2)的粒子数。可用图18表示、低能级(E1E2)上粒子数的分布。
图18 粒子二能级分布图
光与物质作用有三方面
(1)受激吸收低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时,粒子的能量就会增到E2=E1+hr21(h)表示普朗克常数),粒子就从低能级E1跃迁到高能级E2上,(见图19),这一过程叫做受激吸收,而外来光的能量被吸收,使光减弱。粒子进行跃迁不是自发的,要靠外来光子刺激而进行。粒子是否能吸收发来的光子,还得取决于两个能级(E1和E2)性质和趋近于粒子的光子数的多少有关。而与其它方向。位相等方面就无任何限制。
(2)自发辐射处于高能级的粒子很不稳定,不可能长时间的停留在高能级上。以氢原子为例,在高能级停留的时间只有10-8秒(粒子在高能级停留的时间为粒子的寿命,寿命长的为亚稳态能级)。因此,在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上,同时以光子的形式放出能量hr21=E2-E1(hr21为辐射光子频率)。(见图20)。这一过程不受到外界的作用时完全是自发的。所产生的光没有一定规律,相位和方向都不一致。不是单色光。我们在日常生活中也可以看到的如日光灯,高压汞灯和一些充有气体的灯,发光都是自发辐射的过程,这些光是向各个方向传播。因此与受辐射发出的光,其相位和方向完全相反。这种以光的形式辐射出来的,叫做自发辐射跃迁。可是在跃迁的过程中有一些不产生光辐射的跃迁,而它们主要是以热的运动形式消耗能量,即为无辐射跃迁。自发辐射的特点,即每一个粒子的跃迁都是自发的,孤立地进行,也就是相互独立,彼此无联系。产生的光子杂乱无章,无规律性。
图19 1.基能级上的粒子
2.粒子被激发到E2能级上
图20 1.处于高能级E2上的粒子
2.粒子跃迁到低能级E1上,同时发射出一干光子
(3)受激辐射它是与受激发吸收的相反过程。处于高能级的粒子,在某种频率r21光子诱发下,从原来所在的能级上E2,放出与外来光子完全相同光子,此时既产生了一个光子(受激发前后共有2个光子),使原来的能量减少△E=hr21。把高能级上的粒子跃迁到低能级E1上的这一过程称做受激辐射(见图21)。
受激辐射的特点本身不是自发跃迁,而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样,无法区别出哪一个是原来的光子,哪一个是受激发后而产生的光子,受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例,因而在受激辐射以后,光辐射能量增大一倍。以波动观点看,设外来光子为一种波,受激辐射产生的光子为另一种波,由于两个波的相位、振动方向,传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍,即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多,受激发的粒子数越多,产生的光子越大,能量越高。(参见图22)。
图21 1.处于高能级E2上的粒子。
2.粒子跃迁到低能级E1上,同时发射出一个光子。
图22 受激辐射时光束放大
从上可知,受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系,是在同一整体之中相互对立的两个方面,它们发生的可能性是同等的,这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位,取决于粒子在两个能级上的分布。激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的,也就是在基发态的粒子数尽可能多些。以实现受激辐射。