什么是光物理学？

光物理学是物理学的一个分支，主要研究光与物质之间错综复杂的相互作用。它探索光与原子、分子和固态材料相互作用时发生的基本过程。这一领域涵盖了广泛的现象，包括光的吸收、激发、发射、散射、荧光、磷光、能量转移、光电离、光碎裂等。

光物理的一个重要方面是研究分子激发态之间或激发态与基态之间的跃迁。这些跃迁在决定材料的光学和电子特性方面起着关键作用。了解这些跃迁对于揭示分子在光激发下的行为以及设计具有特定光物理特性的材料至关重要。这一研究领域对化学、材料科学、生物物理学和工程学等多个学科都有重大影响。

光激发

光激发是光物理学中的一个基本过程，即分子或原子在吸收光子后从基态向高能态进行能量转换。这一过程遵循普朗克量子理论的原理，该理论描述了与电磁辐射相关的能量量子化。

当能量与基态和激发态之间的能量差相匹配的光子被量子系统吸收时，系统就会获得能量并被提升到激发态。这种能量转换发生的原因是光子与量子系统（可以是分子、原子或固态材料）之间的相互作用。入射光子根据入射光的波长携带不同的能量。只有当光子的能量达到或超过基态和激发态之间的能量差时，电子才能被激发到更高的能级。在原子或分子层面上，当光子的能量太低而无法引起光离子化时，就会发生光激发。
 

光伏、荧光、磷光等所有光物理过程都始于光激发。光激发会导致系统的电子分布发生变化，产生与基态相比具有不同电子构型和势能面的激发电子态。这种激发态的性质和特征在随后的过程和反应中起着至关重要的作用。

硅或砷化镓等半导体材料中电子的激发就是一个例子。

光激发的应用

光激发在各个领域都有广泛的应用。以下是光激发的一些重要应用：

在太阳能电池等光电设备中将太阳能转化为电能。太阳能电池利用这一现象来利用太阳光并将其直接转换为电能。被吸收的光子在半导体中产生电子-空穴对，在太阳能电池内部电场的作用下，电子-空穴对发生电荷分离。分离的电子和空穴产生电流。

光激发过程在 LED 和激光二极管等光电设备中产生光。在 LED 中，正向偏置电压将电子和空穴注入半导体材料。这些载流子在有源区重组，释放出光子能量，从而产生光发射。激光二极管使用带有反射镜的激光腔，通过电子-空穴重组放大光激发产生的光，从而产生相干激光束。

光激发在传感和成像中至关重要。它用于光电探测，通过激发光电二极管中的电子将光转换为电信号。光致发光和荧光成像技术利用光激发来激发样品，使其发出含有有价值信息的光。光电传感器利用光激发，通过光与物质的相互作用来检测物理量。

在量子计算领域，它在操纵原子或分子的量子态方面发挥着至关重要的作用。它控制和操纵粒子的量子态，而粒子的量子态是量子信息处理的基石。
光离子化

光离子化是一个与光激发密切相关的过程，它涉及原子或分子吸收光子，导致一个或多个电子从中性粒子中射出。当具有足够能量的光子被原子或分子吸收时，它会与其中一个电子相互作用，将其提升到更高的能级，甚至将其完全从系统中清除。从初始基态到电离态的转变会形成带电粒子：一个带正电的离子（阳离子）和一个自由电子。在某些情况下，例如存在某些分子或环境时，光离子化也会导致负离子（阴离子）的形成。当被吸收的光子将电子从较低能级激发到较高能级，导致系统内负电荷过多时，就会出现这种情况。
 

被吸收光子的能量必须大于或等于电离能，即从中性粒子中去除一个电子所需的能量。电离能取决于特定的原子或分子，通常在电磁波谱的紫外线或 X 射线范围内。

光子撞击原子或分子时并不总是发生光电离。光电离的概率与物种的光电离截面有关。光电离截面是原子或分子电离的有效面积。它是粒子从其电子态发射的概率。

其截面取决于分子种类的结构和光子的能量，而光子的能量与光子的波长有关。在分子的情况下，光电离截面可以通过弗兰克-康顿原理确定。

当一束角频率为 ω、能量分布为 ΔE 的光子入射到分子上时，光子通量为 NΔE cm-2 s-1。那么光离子化事件的速率为
 

光子能量低于电离阈值时，σ 几乎为零。

光电效应就是一个例子，当光线照射到金属物体上时，电子就会喷射出来。

光离子化的应用

光离子化应用于光谱学、等离子诊断、材料表面分析和化学反应。它可用于染料敏化太阳能电池、光化学、发光、光泵浦激光器和光致变色应用。

光谱学：它用于吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱等技术，以研究材料的能级、结构和成分。
等离子体诊断：通过选择性地激发等离子体中的原子或分子，研究人员可以分析其特性，从而帮助等离子体物理学和聚变能研究。

表面分析： 光激发用于表面分析方法，如光电子能谱（PES）和 X 射线光电子能谱（XPS），以研究材料表面、键合和电子状态。

化学反应：这种光物理过程可引发光化学反应，实现在热条件下无法发生的转化。它可应用于有机合成、环境化学和光生物学。

染料敏化太阳能电池： 它在染料敏化太阳能电池中至关重要，染料对光的吸收会产生电激发电子，从而促进太阳能转换。

发光和磷光：受激电子在荧光和磷光等发光过程中发光。这些现象可用于显示器、照明、成像和传感器。
光泵浦激光器：光激发用于光泵浦激光器，以刺激相干光的发射，从而产生各种波长的激光束。

光致变色应用：光激发用于在光照射下改变颜色或光学特性的材料，可应用于光学开关、数据存储和光响应设备。

光破碎

光致碎裂是指分子吸收光后分解成较小碎片或颗粒的过程。当分子吸收足够能量的光子时，会发生各种光化学反应，导致化学键断裂，形成更小的碎片或颗粒。这一过程可发生在气体、液体或固体中，并受到入射光波长和强度、分子结构以及周围分子或表面存在等因素的影响。

太阳紫外线（UV）辐射使臭氧（O3）分子解离就是光致碎裂的一个例子。下式可以表示该反应：

光破碎的应用

光碎裂在光物理学中有几种重要的应用，其中包括

激光烧蚀： 用于从表面去除材料，从而在微加工和纳米技术等领域实现精确修改。

材料加工：通过破坏分子键来改变材料特性，使半导体和表面工程等行业受益。

化学分析：利用质谱和光谱等技术，帮助分析复杂的化合物，研究分子动力学和反应途径。

大气科学：通过研究光诱导碎片如何影响化学反应和空气质量，研究空气污染和大气化学。

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