六、原子的受激辐射激光

自发辐射和受激辐射原子发光有两种情形，一种是自发辐射，一种是受激辐射．处于激发态的原子是不稳定的，只能停留很短的时间，通常约为 10-8 就自发地跃迁到较低能级去，同时辐射出一个光子，光子的能量 hv＝E2-E1，其中 E2 和E1 分别代表原子处于高能级和低能级时的能量．这种辐射叫做自发辐射．原子发生自发辐射时，各个原子发出的光子是向四面八方辐射的，它们的频率、初相和偏振方向互不相同．而且每个原子每次发光持续的时间很短，约 10-9 秒，下一次发光又会发出跟前一次不同的光子．因此这些光叠加时不会产生稳定的干涉花样，看到的只是大量光产生的一种平均效果．这种光就是自然光，这就是普通光源发光的情形．原子发光还有一种情形，就是当原子处于激发态 E2 时，如果恰好有能量 hv＝E2－E1 的光子从附近通过，在入射光子的电磁场的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级 E1 去．这种辐射叫做受激辐射．原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向、初相和偏振方向等，都跟入射光子完全一样，也就是说，受激辐射的光子跟入射光子没有任何区别．这样，一个入射光子由于引起受激辐射就变成了两个同样的光子．如果这两个光子在媒质中传播时再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的相同的光子，使光得到加强，这就是激光．也就是说，由于受激辐射而得到加强的光就是激光．

但是，要实际产生激光并不容易．从 1917 年爱因斯坦从理论上指出受激辐

射到 1960 年世界上制成第一台激光器，经过了四十多年的时间．这是因为，能量 hv＝E2－E1 的光子从媒质中通过时，既能引起处于 E2 能级的原子发生受激辐射，使光增强（也叫做光放大），也能使处于 E1 能级的原子被激发而跃迁到能级 E2，这时光子被吸收，使光减弱．在通常情况下，处于低能级 E1 的原子数大于处于高能级 E2 的原子数，光吸收过程胜过光放大过程，因而得不到激光．

应用量子力学研究了各种原子的能级后发现，某些原子有一些特殊的能级， 原子处在这些特殊能级上时，虽然也是激发态，却能停留较长的时间，比处在其他激发态的时间可长约十万倍，因而不易发生自发跃迁．这种激发态叫做亚稳态．因此，如果原子有两个激发态 E2 和 E1，其中较高能级 E2 是亚稳态，而较低能级 E1 是寿命很短的激发态，我们设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态 E2， 处于高能级 E2 的原子数就可以大大超过处于低能级 E1 的原子数，这种状态叫做粒子数反转．这时如果有能量等于 E2－E1 的光子从原子附近通过，就会产生大量的受激辐射，于是光放大过程大于光吸收过程，得到较强的激光．

能产生激光的装置，叫做激光器．现在激光器的种类已达几百种，有固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器等多种类型，适用于不同的用途．

激光的特点及应用激光的主要特点是亮度高、方向性好、单色性好、相干性好．红宝石激光器产生的激光亮度比太阳光的亮度要高几百亿倍．激光光束几乎是完全不发散的平行光，方向性非常好．同一个激光器产生的激光的波长范围很窄，接近于单一频率，单色性比其他光源发出的光都好．原子发生受激辐射时发出的光子的频率、初相和偏振方向等都跟入射光子完全一样，所以激光的相干性很好．正是由于激光有这些突出的特点，所以在各个领域得到了广泛的应用．激光的亮度高、能量集中，可以使物体的被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温．因此，工业上可以利用激光束在硬质、难熔的材料上进行打孔、

切割，还可以用来焊接金属．不但提高工作效率，而且加工质量得到保证．医学上用激光束作“手术刀”进行手术，出血量少，刀口愈合得快．激光束可以聚焦到比针尖还小的范围内，手术的时间极短，特别适宜于眼科手术．利用激光焊接脱落的视网膜、切除虹膜等都非常成功．

激光的方向性好，能照射到很远的地方，因此用它来测量距离是非常理想的，可以达到很高的精度．对准目标发出一个极短时间的激光脉冲，然后测出激

光从发出时刻到反射回发射点经过的时间 t，就可以按公式ι＝ 1 ct 求出激光从

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发射点到被测目标的距离，式中的 c 是光速．用这种方法测量月球上某点到地球上某点的距离，误差不超过几厘米．实际上，按照这种原理设计制造的激光测距仪就是一种激光雷达．多用途的激光雷达不仅可以测量距离，而且能够测定被测目标的方位、运动速度、运动轨迹，甚至能描绘出目标的形状，进行识别和自动跟踪．

利用激光单色性好、相干性好的特点，可以用光的干涉方法来精确地测量长度，检查加工零件的质量，进行全息照相．激光还可以用来辐照种子，培育良种， 控制化学反应，用于舞台布景等。

激光是二十世纪的重大发明之一，自 1960 年出现以来，目前还处在迅速发展时期．激光在科学技术各个领域的应用，有力地促进了这些领域的发展，并产生了一些新的边缘科学，例如激光化学、激光生物学等．今后随着激光技术的发展，将会促进一些重大应用的实现，例如光纤激光通讯、激光核聚变、激光分离同位素等．并将会出现一个新兴的工业部门——激光工业．在未来的科技发展中，激光起着重要的作用．

复习题

  1. 电子是怎样发现的？电子的发现对认识原子结构起了什么作用？

  2. 原子核是怎样发现的？卢瑟福的原子模型是什么样的？怎样用卢瑟福的原子模型来解释α粒子的大角度散射？

  3. 卢瑟福原子模型的困难是什么？玻尔是怎样解决这一困难的？根据玻尔的原子理论，原子的模型又是怎样的？

  4. 写出氢原子的轨道半径公式和能级公式，说明式中各量的意义．

  5. 玻尔理论怎样成功地解释了氢原子光谱的规律？

  6. *什么叫做受激辐射？怎样才能产生大量的受激辐射，从而得到激光？激光有哪些主要的特点？举例说明激光的应用．