辐射原理及跃迁过程

1.辐射分类 根据不同的辐射形式，物体辐射分为发光辐射与热辐射两种。辐射的物体称为辐射源。

（1）发光辐射。辐射源内部的原子或分子运动状态发生变化的辐射，称为发光辐射。辐射源的原子或分子从外界吸收能量后，其内部运动能量发生变化，过渡到能量较高的激发状态，简称激发态。激发态原子或分子的内部运动能量，又转化为向外发射的辐射能。

发光具有以下几种形式：

1）电致发光。电能直接转化为光能的发光过程，称为电致发光。闪电、霓虹灯发出的光就是电流通过气体时的发光现象。

2）光致发光。用光激发发光体所引起的发光现象，称为光致发光。它大致经过光吸收、能量转化及光发射三个主要阶段。光吸收、光发射发生于能级之间的跃迁。日光灯、黑光灯均是光致发光的例子。日光灯是灯管内气体放电产生紫外线，激发管壁上的发光粉而发出可见光。

3）化学发光。由于化学反应而发光的过程，称为化学发光。例如：氧和乙炔反应发出明亮的光；氨基苯二酰一胼与过氧化氢反应发出蓝绿色的光；萤火虫体内的荧光素在荧光素酶的作用下，与空气发生氧化反应而发光。

4）阴极射线发光。由电子束激发的发光，称为阴极射线发光。例如：电视、雷达、示波器、计算机显示屏的发光。

5）热致发光。物体加热到一定温度发光，称为热致发光。例如食盐在火焰中发出钠黄光。

（2）热辐射。辐射源内部的原子或分子具有热运动，以电磁波形式向外辐射能量，称为热辐射。热辐射过程中，辐射源原子或分子的内部运动状态并不改变。辐射源与周围物体之间存在辐射场，二者通过辐射场交换能量。热辐射是辐射源与周围物体之间热量传递的一种方式。在此过程中，辐射源既向外界辐射热量，又从周围物体吸收热量。向外界辐射的热量由内部原子、分子的热运动能量转化而来。当物体温度高于环境温度时，辐射大于吸收；反之则辐射小于吸收。当物体与周围环境达到热平衡时，物体辐射与吸收的热量相等，温度不发生变化，此时的热辐射称为平衡热辐射。一个物体的热辐射包含了许多不同波长的电磁波，其具体的能量分布是与温度有密切关系的。

用加热的方法既能产生热辐射，也能对某些物质引起热致发光，两者的区别如下：

1）任何物体的温度，即使温度T极低，只要T﹥0K，就会产生热辐射；而热致发光则必须达到一定温度以后才会发光。

2）热辐射的辐射谱是连续谱；而热致发光的光谱主要是线状谱或带状谱。

3）热辐射在固体、液体和气体之中均可发生；而热致发光则主要发生在稀薄气体中。

2.自发辐射、受激吸收、受激辐射 物质是由原子、分子和离子等微观粒子所组成，每一个微观粒子处于一定的能量状态之中，根据量子力学的结论，粒子只能占据一些分立的能级。在热平衡状态下，大多数粒子处在较低的能量状态，一旦受到某种激励，粒子可能达到较高的能量状态，这种从一种能量状态变到另种能量状态叫做跃迁。如果跃迁过程中没有吸收和发射光子，则称为无辐射跃迁；如果通过吸收和发射光子，实现能量状态的改变，叫辐射跃迁。辐射跃迁有自发辐射、受激吸收和受激辐射三种情况。原子辐射跃迁如图2-6所示。

（1）自发辐射。处于较高能级的粒子，不论外部光场是否存在，与外界激励无关，只由原子本身性质决定，自发地发射一个光子，从而跃迁到较低能级的过程称为自发辐射。自发辐射见图2-6a。

（2）受激吸收。外来辐射场作用于物质时，处于较低能级上的粒子吸收一个光子，从而跃迁到较高能级的过程，称为受激吸收过程或简称吸收。受激吸收见图2-6b。

（3）受激辐射。处于较高能级的粒子，在一定频率的光子的激励下跃迁到较低能级，并发射一个同频率光子的过程，称为受激辐射过程。受激辐射见图2-6c。

（4）辐射跃迁三种过程的关系

1）记W₂₁为处于高能级的粒子在单位时间内发生自发辐射的几率，也称爱因斯坦自发辐射系数。

2）记B₁₂为爱因斯坦受激吸收系数。

3）记W₁₂为受激吸收，从低能级跃迁到高能级的粒子数，与低能级总粒子数之比；也可理解为每一个处于低能级的粒子，在单色辐身能量密度的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。

4）记B₂₁为爱因斯坦受激辐射系数，是原子能级系统本身的特征参数。

图2-6 原子辐射跃迁

a）自发辐射 b）受激吸收c）受激辐射

在一个温度为T的空腔中，辐射场与物质相互作用达到热平衡时，三种辐射同时存在，而且使得腔内辐射场的分布满足热平衡黑体辐射的普朗克公式，又使得腔内物质的粒子分布满足玻耳兹曼分布律，经推导得

B₁₂=B₂₁ （2-37）

W₁₂=W₂₁ （2-38）

式（2-37）和式（2-38）是极为重要的与跃迁有关的几个特征参数之间的关系式，它表明了三种过程的内在联系。

（5）自发辐射与受激辐射的区别。自发辐射与受激辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。自发辐射所发射的光子频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上，与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。

3.辐射物理量及光度量

（1）为了描述物体与周围辐射场交换能量的情况，简单介绍辐射所涉及的物理量。辐射物理量见表2-4。

表2-4辐射物理量

注：为了精确地把辐射场的特性表示出来，上表包含了单一频率（单色）有关的物理量。

（2）光度量。人眼的视觉细胞作为一种特殊的光探测装置，对不同频率的辐射有不同的响应，即使将同样的辐射通量照射到眼睛上，仍会出现不同的亮暗感觉，因此需要建立另一套度量单位，以反映视觉的亮暗特性，这就是光度量的单位体系。它与辐射度量存在一一对应关系。为了区别起见，符号下标用ν表示。光度量参数见表2-5。几种辐射源的光亮度见表2-6。几种辐射源的光照度见表2-7。(www.xing528.com)

表2-5光度量参数

注：方括号内容表示可以略去。

光度量的所有单位是从光强度的单位推导出来的。例如：

1）频率为540×10¹²Hz的单色辐射，在某个方向的辐射强度为1/683W/sr，则称该方向上的光强度为1cd。

2）均匀点光源发出的光强度为1cd，则称光源在单位立体角内发出的光通量为1lm。

3）1lm的光通量均匀地照射在1m²的面积上，则称接收面上的光照度为1lx。

4）从单位面积光源上，在其法线方向发出的光强度为1cd，则光源在该方向上的光亮度为1cd/m²。

表2-6几种辐射源的光亮度

表2-7几种辐射源的光照度

（3）辐射度量与光度量之间的关系

1）光视效能K。辐射体发出的所有波长产生的光通量与辐射通量之比，称为光视效能。其计算公式如下：

2）光谱光视效率V（λ）。某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能K_m之比，称为光谱光视效率。其计算公式如下：

式中 K_m———波长为0.555nm处的光谱光视效能，其值K_m=683lm/W。

V（λ）又称为视见函数，它总是小于1或等于1。可见光谱区的V（λ）值见表2-8。

表2-8可见光谱区的V（λ）值

由于眼睛的生理特点，对频率的响应在白天与夜间是有差别的，因此光谱光视效率分为明视觉与暗视觉两种响应曲线。眼睛白天响应峰值为550；夜间响应峰值为500左右，偏向短波长。光谱光视效率曲线见图2-7。

3）光谱光视效能K（λ）。同一波长下所测出的光通量与辐射通量之比，称为光谱光视效能。其计算公式如下：

图2-7 光谱光视效率曲线

4.基尔霍夫热辐射定律 基尔霍夫热辐射定律可用实验证实。1859年，基尔霍夫设计的实验见图2-8。在绝热腔中放置多个不同材料的物体，当整个系统达到热平衡后，腔内温度T达到均匀，且不随时间而变化。这时在单位时间内，从每一物体单位表面积所发出的辐射能应等于该面积所接收的辐射能，即光谱辐出度r（ν，T）等于吸收率a（ν，T）乘以光谱辐照度e（ν，T）：

在平衡态下，腔内辐射场应是均匀、稳定且各向同性的，即

e₁（ν，T）=e₂（ν，T）=…=e（ν，T）e（ν，T）为平衡热辐射时，辐射场中的光谱辐照度。它在数值上等于辐射场中的物体，单位表面积、单位时间中、在频率ν附近、单位频率间隔中所接收的辐射能量。从而可得出

图2-8 基尔霍夫实验

处于平衡热辐射中的任何物体，它的光谱辐出度与光谱吸收率之比，是一个频率与温度的普适恒量，与物体的性质无关，此结论称为基尔霍夫热辐射定律。

式（2-42）表明，各物体的光谱辐照度e（ν，T）是一个普适恒量。如果一个物体的吸收率大，其辐出度也大；如果物体对某波长的吸收较强，则对该波长辐射也较强。