光子学设计基础：基本过程与光子流

在讨论原子发射和吸收光的过程时，很快会想起术语“粒子”，或者用更为近代的术语“光的粒子性”。

在经典物理学（即初期量子论）中，原子具有固有谐振频率，对应于原子被激励成振荡态后所发射的电磁波频率。反之，当利用这些频率的辐射光照射原子，则原子会以各种经典谐振系统驱动力相互作用的方式从辐射中吸收能量。

然而，这些思想不能解释气体放电中气体发射的某些频率，为什么在静态时不能被吸收；也不能解释在电场作用下（由于与光辐射的相互作用，将电子逐出原子），为什么逐出电子的能量与光强度无关，而仅取决于其频率。

现在，可以解释这些现象，原因是原子和分子只能存在于分立的能量级，这些能量级按照量值增大的顺序排列：E₀、E₁、E₂、…、E_n。在热平衡条件下，具有能量E_i的原子数目与玻耳兹曼（Boltzmann）关系式中具有能量E_j的原子数目相关，即

式中，k为玻耳兹曼常数；T为绝对温度（即热力学温度。——译者注）。只有当频率ν至少对应于ν_ji中的一个值时，原子系统才能吸收光，有：

ν_ji=E_j-E_i　（j>i） （4.14）

为了强调光的粒子性，现在用符号ν表示频率，而不是ω/2π。（为了阐述得更清晰，将原文中一段描述“普朗克量子常数h”的内容调整至下面。——译者注）。(www.xing528.com)

若是这种情况，对有关现象的解释如下：若原子吸收了一个具有能量ν_ji的光量子或者光子，原子的能量就从其允许的一个值E_i增大到另一个值E_j。相应地，当出现从E_j到E_i的向下跃迁，将会发射一个光子，具有同样的频率ν_ji

本节，必须把光辐射想象为光子流。若单位时间内有p个光子通量通过单位面积，则可以写成下面形式：

I=phν

式中，I为式（1.7）定义的光强度；h为普朗克（Planck）量子常数，等于6.626×10^-34J·s（把“普朗克量子常数h”的描述调整至此。——译者注）。同样，在波动光学领域定义的其他各量在特定领域内也有与之对应的量。

在企图协调这两种观点（波动论和微粒论）时，应把电磁波视为一种概率函数，其在空间任一点的强度定义了发现一个光子的概率。但是，只有在专门研究量子光学的领域这才是真正具有实际意义的概念。几乎对所有的其他应用（包括现在这种），在某种特定情况下，使用波动表示方式还是粒子说表示方式都是合适的，不会有任何相互矛盾。

每个原子或分子都有一组特定能量级，所以原子或分子发射或吸收的光频率是该相关材料的特性。当一个被激励的系统返回到较低能态，沿循一些返回路径的可能性要比另外一些路径的可能性更大，这种概率毫无疑问也是此特定原子或分子的性质。（可以根据量子学原理计算。）因此，利用材料的发射和吸收光谱可以识别它，并确定其浓度，这种思想是分析光谱学的实质，在材料分析领域是一种广泛应用的重要工具。这是一个非常专业的课题，在此不作进一步讨论。