大學(xué)物理原子中的電子(老師課件)

1、原子中的電子原子中的電子 1 氫原子氫原子 2 電子的自旋與自旋軌道耦合電子的自旋與自旋軌道耦合3 微觀粒子的不可分辨性和泡利不相容原理微觀粒子的不可分辨性和泡利不相容原理 4 各種原子核外電子的組態(tài)各種原子核外電子的組態(tài) 5 X射線射線 6 激光激光 7 分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu) 8 分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級愛因斯坦愛因斯坦1905年提出光量子的概念后，不年提出光量子的概念后，不受名人重視，甚至到受名人重視，甚至到1913年德國最著名的年德國最著名的四位物理學(xué)家四位物理學(xué)家(包括普朗克包括普朗克)還把愛因斯坦的還把愛因斯坦的光量子概念說成是光量子概念說成是“迷失了方向迷失了方向”。可是，

2、?？墒?，當(dāng)時(shí)年僅當(dāng)時(shí)年僅28歲的玻爾，卻創(chuàng)造性地把量子歲的玻爾，卻創(chuàng)造性地把量子概念用到了當(dāng)時(shí)人們持懷疑的盧瑟福原子概念用到了當(dāng)時(shí)人們持懷疑的盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型，解釋了近結(jié)構(gòu)模型，解釋了近30年的光譜之謎。年的光譜之謎。以以氫原子氫原子為例說明為例說明量子力學(xué)在解決原子結(jié)構(gòu)方面的成功量子力學(xué)在解決原子結(jié)構(gòu)方面的成功注意量子力學(xué)給出的全新概念注意量子力學(xué)給出的全新概念 首次把首次把量子論量子論用到原子結(jié)構(gòu)和原子光譜的研究中用到原子結(jié)構(gòu)和原子光譜的研究中 原子的核式原子的核式( (行星行星) )結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了盧瑟福的原子核式模型盧瑟福的原子核式模型一、實(shí)驗(yàn)事實(shí)一、實(shí)驗(yàn)事實(shí)2

3、. .原子光譜原子光譜 離散的離散的線狀譜線狀譜 1 氫原子光譜氫原子光譜 玻爾的氫原子理論玻爾的氫原子理論紅紅藍(lán)藍(lán)紫紫6562.84340.54861.31) )氫原子的可見光光譜：氫原子的可見光光譜：。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom）A即由此得來即由此得來。測得氫可見光光譜的紅線測得氫可見光光譜的紅線2) ) 氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律紫外區(qū)紫外區(qū)紅外區(qū)紅外區(qū)可可見見區(qū)區(qū)賴曼系賴曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布喇開系布喇開系普芳德系普芳德系432111122,),( nnR 6 , 5 , 4),131(122 nnR7 , 6 ,

4、5),141(122 nnR5 , 4 , 3),121(122 nnR8 , 7 , 6),151(122 nnR式中式中R為為里德伯常量里德伯常量：17m10096776. 1 R 進(jìn)一步總結(jié)光譜規(guī)律進(jìn)一步總結(jié)光譜規(guī)律得到得到廣義巴耳末公式廣義巴耳末公式 22111nmR ;, 2 , 1( m), 2, 1 mmn21nm,賴曼系賴曼系32nm,巴耳末系巴耳末系43nm,帕邢系帕邢系54nm,布喇開系布喇開系65nm,普芳德系普芳德系 根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞核作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，作加速繞核作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，作加速運(yùn)動(dòng)的電子將不斷向外輻射電運(yùn)動(dòng)的電子將不斷向外輻射電磁波磁

5、波, , 原子的能量不斷減小原子的能量不斷減小vFree+電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也逐漸逐漸改變，改變，發(fā)射的光譜應(yīng)是連續(xù)發(fā)射的光譜應(yīng)是連續(xù)譜；無法解釋原子的譜；無法解釋原子的線狀譜線狀譜。 最終最終電子將電子將坍縮坍縮到原子核到原子核上上原子不穩(wěn)定。原子不穩(wěn)定。 e+e二、經(jīng)典物理的困難二、經(jīng)典物理的困難三、玻爾的氫原子理論三、玻爾的氫原子理論 （19131913年）年）1. 玻爾的三條假設(shè)玻爾的三條假設(shè) 以普朗克能量子和愛因斯坦光子概念為基礎(chǔ)以普朗克能量子和愛因斯坦光子概念為基礎(chǔ) 1) 定態(tài)假設(shè)定態(tài)假設(shè) 原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀

6、態(tài)，態(tài)， 這些狀態(tài)稱為原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，這些狀態(tài)稱為原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，簡稱簡稱定態(tài)。定態(tài)。 相應(yīng)能量分別記為：相應(yīng)能量分別記為： E1, E2, E3 ,(E1E2E3 )（半經(jīng)典半經(jīng)典）電子的角動(dòng)量為電子的角動(dòng)量為 2) ) 躍遷假設(shè)躍遷假設(shè)( (頻率條件頻率條件) ) 當(dāng)原子從一個(gè)能量為當(dāng)原子從一個(gè)能量為En的定態(tài)躍遷到另一的定態(tài)躍遷到另一 個(gè)能量為個(gè)能量為Em的定態(tài)時(shí)的定態(tài)時(shí)發(fā)射發(fā)射(或或吸收吸收) 一個(gè)頻率一個(gè)頻率 為為 的光子，的光子，光子的光子的頻率滿足：頻率滿足：mnEEh3) )角動(dòng)量量子化假設(shè)角動(dòng)量量子化假設(shè) 電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，所處的穩(wěn)定狀態(tài)必須滿足：電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，所處的

7、穩(wěn)定狀態(tài)必須滿足：,1,2,3,Lnnn量子數(shù)量子數(shù)即角動(dòng)量取值是量子化的即角動(dòng)量取值是量子化的 定態(tài)假設(shè)定態(tài)假設(shè)頻率條件頻率條件角動(dòng)量量子化假設(shè)角動(dòng)量量子化假設(shè),21EEmnEEh nL 2. 玻爾對氫原子的工作玻爾對氫原子的工作 根據(jù)三條假設(shè)根據(jù)三條假設(shè)2220418nhemEen),( 21n1)求出了氫原子的能級公式求出了氫原子的能級公式和軌道半徑和軌道半徑,1,2,n 氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算由由庫侖定律庫侖定律和和牛頓運(yùn)動(dòng)定律牛頓運(yùn)動(dòng)定律:22204Zemrr vZ原子序數(shù)原子序數(shù)氫原子氫原子Z=1Lm rn vn=1, 2, 3, 消去兩式中的消去兩式

8、中的 v，以，以 rn代替代替 r , 得得軌道半徑軌道半徑：, , ,n n212202nmeZhnr a0= r1 = 0.5291010 m 玻爾半徑玻爾半徑12rnrn又由又由角動(dòng)量量子化條件角動(dòng)量量子化條件:(1)類氫離子類氫離子: He+, Li+ 而由而由(1)式式220128nnZemr v21nEEn 得得能量：能量：2204281hemnEen （n=1,2,）氫原子氫原子能級能級：類氫離子的能量：類氫離子的能量： 2122nEZEZEHn以電子在無窮遠(yuǎn)處的靜電勢能為零，則原子核以電子在無窮遠(yuǎn)處的靜電勢能為零，則原子核與電子構(gòu)成的與電子構(gòu)成的系統(tǒng)的能量系統(tǒng)的能量是是nnnr

9、ZemE022421 靜電勢能靜電勢能電子動(dòng)能電子動(dòng)能22204Zemrr v(1) 2204220288hmenZrZeEnn 1 Z4321nE(eV)賴曼系賴曼系巴巴耳耳末末系系帕邢系帕邢系1000130020003000500010000 20000 A。13. 63. 391. 510. 850eVnnEEn221613. 紫外區(qū)紫外區(qū)紅外區(qū)紅外區(qū)可可見見區(qū)區(qū)由能級算出由能級算出的光譜線頻的光譜線頻率和實(shí)驗(yàn)結(jié)率和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致果完全一致各譜線系相互分離，每一系的譜線在短波方向變密各譜線系相互分離，每一系的譜線在短波方向變密E電離電離=EEn=En 電離能：電離能：使原子電離所需的最

10、小能量使原子電離所需的最小能量 En11激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)說明：說明：n=3, n=3, 電離能為電離能為 1.51 eV1.51 eV2) )氫原子光譜線的波數(shù)公式氫原子光譜線的波數(shù)公式chemRe32048 171009737315341m. 當(dāng)原子從較高能態(tài)當(dāng)原子從較高能態(tài) En向較低能態(tài)向較低能態(tài) Em 躍遷時(shí)，躍遷時(shí)，發(fā)射一個(gè)光子，其頻率滿足發(fā)射一個(gè)光子，其頻率滿足:將氫原子能級公式代入將氫原子能級公式代入,首次算出首次算出里德伯常數(shù)里德伯常數(shù)mnEEh相應(yīng)的相應(yīng)的波數(shù)波數(shù)( (波長的倒數(shù)波長的倒數(shù)) )(2211nmRhcEEmnnm 3. 玻爾的貢獻(xiàn)玻爾的貢獻(xiàn) 1) 揭開了揭開了近近3

11、030年的年的“巴耳末公式之迷巴耳末公式之迷” 2) 首次打開了人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的大門首次打開了人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的大門 3) 定態(tài)假設(shè)和頻率假設(shè)在原子結(jié)構(gòu)和分子定態(tài)假設(shè)和頻率假設(shè)在原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代理論中仍是重要概念結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代理論中仍是重要概念 4) 為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。但他的為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。但他的 理論理論是是半經(jīng)典半量子的模型（仍保留了半經(jīng)典半量子的模型（仍保留了 “軌道軌道”概念）概念）測出水銀原子的第一激發(fā)電位測出水銀原子的第一激發(fā)電位從而證明了能級分立從而證明了能級分立4. 能級分立的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能級分立的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 - 夫蘭克夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)赫茲實(shí)驗(yàn)5.玻爾的氫

12、原子理論的困難玻爾的氫原子理論的困難1) 無法解釋非（類）氫的多電子原子的光譜無法解釋非（類）氫的多電子原子的光譜2) 對譜線的強(qiáng)度、寬度無能為力對譜線的強(qiáng)度、寬度無能為力3) 不能說明原子是如何組成分子、構(gòu)成液體不能說明原子是如何組成分子、構(gòu)成液體和固體的和固體的4) 存在邏輯上的缺點(diǎn)：把微觀粒子看成遵守存在邏輯上的缺點(diǎn)：把微觀粒子看成遵守經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)又賦予它們量子化的經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)又賦予它們量子化的特征（角動(dòng)量量子化、能量量子化）特征（角動(dòng)量量子化、能量量子化）無怪有人比喻說：玻爾的理論每星期無怪有人比喻說：玻爾的理論每星期1、3、5是經(jīng)典的，是經(jīng)典的，2、4、6是量子的。是

13、量子的。后來，量子力學(xué)以更正確的概念和理論，完后來，量子力學(xué)以更正確的概念和理論，完滿地解決了這些困難。滿地解決了這些困難。 玻爾理論在人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的進(jìn)程中有很玻爾理論在人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的進(jìn)程中有很大的貢獻(xiàn)大的貢獻(xiàn)- - 1922年玻爾獲諾貝爾物理獎(jiǎng)年玻爾獲諾貝爾物理獎(jiǎng)玻爾正在講解他的玻爾正在講解他的互補(bǔ)原理互補(bǔ)原理 玻爾（左）和玻爾（左）和 海森伯（中）海森伯（中） 泡利（右）在一起泡利（右）在一起 用薛定諤方程求解氫原子中電子的能級和用薛定諤方程求解氫原子中電子的能級和本征波函數(shù)，是量子力學(xué)創(chuàng)立初期最令人信服本征波函數(shù)，是量子力學(xué)創(chuàng)立初期最令人信服的成就。的成就。 質(zhì)子的質(zhì)量比電子的質(zhì)

14、量大的多，在氫原質(zhì)子的質(zhì)量比電子的質(zhì)量大的多，在氫原子中可近似認(rèn)為子中可近似認(rèn)為質(zhì)子靜止而電子運(yùn)動(dòng)，因此電質(zhì)子靜止而電子運(yùn)動(dòng)，因此電子的能量就代表整個(gè)氫原子的能量。子的能量就代表整個(gè)氫原子的能量。電子受質(zhì)電子受質(zhì)子的庫侖力作用，勢能函數(shù)為子的庫侖力作用，勢能函數(shù)為rerU024)( 由于求解過程比較復(fù)雜，下面只介紹由于求解過程比較復(fù)雜，下面只介紹求解的思路和步驟，列出求解的思路和步驟，列出結(jié)果結(jié)果并討論并討論物理意義物理意義。1 1、氫原子的薛定諤方程求解、氫原子的薛定諤方程求解和方向無關(guān)和方向無關(guān) 四、氫原子的量子力學(xué)處理四、氫原子的量子力學(xué)處理 在以質(zhì)子的位置為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系中，在以質(zhì)子

15、的位置為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系中，電子的能量本征方程為電子的能量本征方程為2222222( )2U rEmxyz U和方向無關(guān)和方向無關(guān)，寫成球坐標(biāo)系中的形式寫成球坐標(biāo)系中的形式 2222220242eLrEmrrrrr 其中其中 為為軌道角動(dòng)量平方軌道角動(dòng)量平方算符。其本征值問題算符。其本征值問題的解是已知的。的解是已知的。 2L分離變量分離變量)()()(),(rRr 三個(gè)獨(dú)立函數(shù)分別滿足常微分方程：三個(gè)獨(dú)立函數(shù)分別滿足常微分方程：0dd222 ml0sin)dd(sinddsin122 ml0)4(2)dd(dd1202222 RrreEmrRrrr式中式中ml 、 是引入的常數(shù)。是引入的常數(shù)

16、。分離變量分離變量)()()(),(rRr 解三個(gè)方程，解三個(gè)方程，求出滿足波函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)條件的求出滿足波函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)條件的 (r, , )2. 能量量子化和主量子數(shù)能量量子化和主量子數(shù)解得原子的能量為解得原子的能量為121EnEn eV6 .13)4(222041 meEn =1, 2, 3, ，能量只和主量子數(shù)有關(guān)能量只和主量子數(shù)有關(guān), 和其他因素?zé)o關(guān)和其他因素?zé)o關(guān) 能量是量子化的，能量是量子化的，n稱為稱為主量子數(shù)。主量子數(shù)。 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，En連續(xù)值。連續(xù)值。 n3. 角動(dòng)量量子化和角量子數(shù)角動(dòng)量量子化和角量子數(shù)解方程得出原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量為解方程得出原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量為稱為稱

17、為角量子數(shù)角量子數(shù)l的取值依賴于的取值依賴于n對同一個(gè)對同一個(gè) n, 角動(dòng)量有角動(dòng)量有n個(gè)個(gè)不同的值不同的值 1 llL)1(, 2 , 1 , 0 nl21, nnL玻爾假設(shè)：玻爾假設(shè)：角動(dòng)量是量子化的角動(dòng)量是量子化的玻爾的量子化概念是正玻爾的量子化概念是正確的，但條件需修正。確的，但條件需修正。(1) l可取可取0 0值；值； n不不可取可取0 0值；值；(2) L的大小與玻爾的假定不同。的大小與玻爾的假定不同。這改動(dòng)雖不大，但卻是原則這改動(dòng)雖不大，但卻是原則性的改動(dòng)。性的改動(dòng)。經(jīng)典力學(xué)中，角動(dòng)量不能經(jīng)典力學(xué)中，角動(dòng)量不能為零，否則意為零，否則意 味著電子將通味著電子將通過原子核所在位置。

18、過原子核所在位置。量子力學(xué)中，角動(dòng)量小意量子力學(xué)中，角動(dòng)量小意味著電子近核的概率大。味著電子近核的概率大。4. 角動(dòng)量的空間量子化和磁量子數(shù)角動(dòng)量的空間量子化和磁量子數(shù) 解方程得出電子的軌道角動(dòng)量在空間特殊方向解方程得出電子的軌道角動(dòng)量在空間特殊方向(如外磁場如外磁場B的方向，的方向，一般沿一般沿Z方向方向）的量是）的量是: :稱為稱為磁量子數(shù)磁量子數(shù)lzmL lml ,2,1,0ml 的取值依賴于的取值依賴于l :對同一個(gè)對同一個(gè) l 角動(dòng)量的角動(dòng)量的Z方向分量可能有方向分量可能有 2l+1個(gè)個(gè)不同的值不同的值角動(dòng)量在空間的取值是量子化的角動(dòng)量在空間的取值是量子化的這表明這表明: : 角動(dòng)量

19、角動(dòng)量 在空間的取向有在空間的取向有( (2l+1) )種可能性種可能性, ,Ll = 2 2 , , 0 zL對對 z 軸旋轉(zhuǎn)對稱軸旋轉(zhuǎn)對稱例如例如：Lz02 2 z）（B是是量子化量子化的的2 , 1, 0 lmlzmL 6 L角動(dòng)量大小是角動(dòng)量大小是 6)12(2 LZ方向分量有方向分量有5種取值種取值有五種可能的取向有五種可能的取向L說明說明0Z，B 2, 1, 0212222 mlL22由由量子力學(xué)量子力學(xué)得出的氫原得出的氫原子能級圖和子能級圖和玻爾理論玻爾理論的的結(jié)果相同結(jié)果相同玻爾理論玻爾理論的一條的一條能級能級對對應(yīng)于電子的一種應(yīng)于電子的一種軌道軌道量子力學(xué)量子力學(xué)的一條的一條

20、能級能級則對應(yīng)于電子的一種則對應(yīng)于電子的一種狀態(tài)狀態(tài)每個(gè)狀態(tài)用量子數(shù)每個(gè)狀態(tài)用量子數(shù) n , l , ml 描述描述6 6 5 51 12 23 34 4n n電子徑向概率分布電子徑向概率分布電子角向電子角向: :( ( , , ) )方方向概率分布向概率分布l=0 z zl=1ml=0m ml l=-1=-1ml=+15.5.氫原子中電子的概率分布?xì)湓又须娮拥母怕史植茧娮釉齐娮釉莆濉⒘孔訑?shù)小結(jié)五、量子數(shù)小結(jié)主量子數(shù)主量子數(shù) n =1, 2, 3, ， 決定能量決定能量21nEEn角量子數(shù)（軌道量子數(shù)）（副量子數(shù)）角量子數(shù)（軌道量子數(shù)）（副量子數(shù)） l = 0, 1, 2 （n-1），），決

21、定角動(dòng)量決定角動(dòng)量 ) 1( llL的大小的大小LlzmL 磁量子數(shù)磁量子數(shù) ml =0, l , 2,1L決定決定 的空的空間取間取向向2 2) ) 能量只和能量只和主量子數(shù)主量子數(shù)有關(guān)（對氫原子說）有關(guān)（對氫原子說）1) )電子的狀態(tài)用電子的狀態(tài)用量子數(shù)量子數(shù) n , ln , l , , m ml l 描述描述相當(dāng)于相當(dāng)于3個(gè)自由度對應(yīng)的個(gè)自由度對應(yīng)的3個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)討論討論3 3) ) 簡并簡并態(tài)簡并簡并態(tài) 同一個(gè)主量子數(shù)、不同的角量子數(shù)和磁量同一個(gè)主量子數(shù)、不同的角量子數(shù)和磁量子數(shù)子數(shù)具有具有相同的能量相同的能量 這種情況叫能級的這種情況叫能級的簡并簡并同一能級的各狀態(tài)稱同一能

22、級的各狀態(tài)稱簡并態(tài)簡并態(tài)例如例如 n n =3=3 有有9種簡并態(tài)種簡并態(tài)同一能級的各狀態(tài)稱同一能級的各狀態(tài)稱簡并態(tài)簡并態(tài) n n =3=3 能級有能級有9種簡并態(tài)種簡并態(tài)怎么得出的呢怎么得出的呢?角量子數(shù)有角量子數(shù)有n 種取值種取值 n n =3 =3 角動(dòng)量有角動(dòng)量有3種取值種取值（l=0,1,2）磁量子數(shù)磁量子數(shù)2 2l+ l+1 1種取值種取值 即即 每每種角動(dòng)量空間取向有種角動(dòng)量空間取向有2l+1種種 l = 0 ( (1種種) ) l = 1 ( (3種種) ) l = 2 ( (5種種) ) 共共9種種例例：在氫原子光譜中：在氫原子光譜中, , 巴耳末系的最短波長的巴耳末系的最短

23、波長的譜線所對應(yīng)的光子能量譜線所對應(yīng)的光子能量為為 eV.eV.解：解： minmin maxmax 思考思考 最長波長的譜線所對應(yīng)的光子能量最長波長的譜線所對應(yīng)的光子能量? ?萊曼萊曼(Lyman)(Lyman)系系? ?mnEEh E Emaxmax=0-E=0-E2 2=3.40 eV=3.40 eV 例例 設(shè)大量氫原子處于設(shè)大量氫原子處于n=4n=4的激發(fā)態(tài)，它們躍的激發(fā)態(tài)，它們躍遷時(shí)發(fā)射出一簇光譜線，則這簇光譜線遷時(shí)發(fā)射出一簇光譜線，則這簇光譜線最多可能有最多可能有 條，其中最短的波條，其中最短的波長是長是 .解：解：可能的躍遷：可能的躍遷：n=4 3, 2, 13 2, 12 1

24、6 6條譜線條譜線14maxmaxminEEE14minEEhc192834106 . 1)6 .13()46 .13(100 . 31063. 6)(1075. 98m975()minmax14hchEE解：解： 氫原子從定態(tài)氫原子從定態(tài) l l 躍遷到定態(tài)躍遷到定態(tài) k k 可發(fā)射一個(gè)光子可發(fā)射一個(gè)光子. 已知定態(tài)已知定態(tài) l l 的的電離能電離能為為0.85eV，又知從基態(tài)使氫原子激發(fā)到定態(tài)，又知從基態(tài)使氫原子激發(fā)到定態(tài) k k 所需所需能量為能量為 10.2eV，則在上述躍遷中，氫原子所發(fā)射的光子的，則在上述躍遷中，氫原子所發(fā)射的光子的能量為能量為 eV.按題意按題意 E El l=

25、-0.85eVEk= -13.6+10.2= -3.4 (eV)光子能量：光子能量：El -Ek= -0.85 -( -3.4)= 2.55 (eV) 思考思考 所發(fā)射的光子屬于什么光區(qū)所發(fā)射的光子屬于什么光區(qū)? ? 例例 E E1 1+10.2=E+10.2=Ek k 例例 一個(gè)氫原子處于主量子數(shù)一個(gè)氫原子處于主量子數(shù)n=3n=3的狀態(tài)，的狀態(tài)，則該氫原子則該氫原子: :(A)(A)能夠吸收也能夠發(fā)射一個(gè)紅外光子能夠吸收也能夠發(fā)射一個(gè)紅外光子(B)(B)不能吸收也不能發(fā)射一個(gè)紅外光子不能吸收也不能發(fā)射一個(gè)紅外光子(C)(C)能夠吸收一個(gè)紅外光子能夠吸收一個(gè)紅外光子(D)(D)能夠發(fā)射一個(gè)紅外

26、光子能夠發(fā)射一個(gè)紅外光子解：解：n=1n=1n=2n=2n=3n=3發(fā)射可見發(fā)射可見吸收紅外吸收紅外發(fā)射紫外發(fā)射紫外 (C)(C)一、一、 斯特恩斯特恩- -蓋拉赫實(shí)驗(yàn)蓋拉赫實(shí)驗(yàn)LeL量子化量子化即即量子化量子化磁矩磁矩每個(gè)角動(dòng)量對應(yīng)一個(gè)磁矩每個(gè)角動(dòng)量對應(yīng)一個(gè)磁矩角動(dòng)量角動(dòng)量證明角動(dòng)量空間量子化的首例實(shí)驗(yàn)證明角動(dòng)量空間量子化的首例實(shí)驗(yàn) 1.1.實(shí)驗(yàn)構(gòu)思實(shí)驗(yàn)構(gòu)思磁矩在磁矩在非均勻磁場非均勻磁場中會(huì)受力中會(huì)受力, ,發(fā)生偏轉(zhuǎn)發(fā)生偏轉(zhuǎn) 磁矩磁矩分立分立 偏轉(zhuǎn)角度偏轉(zhuǎn)角度分立分立實(shí)驗(yàn)基本思想實(shí)驗(yàn)基本思想: : 令原子通過令原子通過非均勻非均勻磁場磁場, ,觀察觀察原子（角動(dòng)量）原子（角動(dòng)量）在在外磁場

27、中的外磁場中的取向取向 2 電子自旋電子自旋( (連續(xù)連續(xù)) )，（連續(xù)）（連續(xù)）2.2.斯特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)裝置（斯特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)裝置（19211921）NS磁磁 鐵鐵原子原子( (當(dāng)時(shí)是用當(dāng)時(shí)是用AgAg原子原子) )在原子爐中加熱成蒸汽在原子爐中加熱成蒸汽( (一般一般實(shí)驗(yàn)條件下，原子是處于基態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下，原子是處于基態(tài)) )，經(jīng)準(zhǔn)直縫進(jìn)入不均，經(jīng)準(zhǔn)直縫進(jìn)入不均勻磁場，然后落在照相底片勻磁場，然后落在照相底片P P上。上。原子射線在原子射線在P P上分為上下對稱的兩條沉積上分為上下對稱的兩條沉積無磁場無磁場有磁場有磁場NS原子射線在原子射線在P P上分為上下對稱的兩條沉積上分為上下對稱的兩條

28、沉積 無磁場無磁場 有磁場有磁場3.3.結(jié)論結(jié)論1 1) )出現(xiàn)了出現(xiàn)了分立現(xiàn)象分立現(xiàn)象 說明角動(dòng)量確實(shí)空間量子化說明角動(dòng)量確實(shí)空間量子化 2 2) )也出現(xiàn)了也出現(xiàn)了疑問疑問角動(dòng)量空間應(yīng)分立角動(dòng)量空間應(yīng)分立( (2l1) )條（條（奇數(shù)奇數(shù)條）條）實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)偶數(shù)偶數(shù)條，怎么解釋？條，怎么解釋？銀原子實(shí)驗(yàn)結(jié)果：銀原子實(shí)驗(yàn)結(jié)果：說明我們對原子的描述還不夠完全說明我們對原子的描述還不夠完全3)3)若要若要 2 2l+1為偶數(shù)，為偶數(shù)， 只有只有 l為為半整數(shù)半整數(shù)，而，而 軌道角動(dòng)量量子數(shù)是不可能為半整數(shù)的。軌道角動(dòng)量量子數(shù)是不可能為半整數(shù)的。二、電子二、電子自旋角動(dòng)量自旋角動(dòng)量 19251

29、925年烏倫貝克年烏倫貝克（G.E.UhlenbeckG.E.Uhlenbeck）和古茲和古茲米特米特（S. GoudsmitS. Goudsmit）為了解釋原子光譜的精為了解釋原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)結(jié)構(gòu)( (光譜雙線光譜雙線) ) 提出了大膽的假設(shè)：提出了大膽的假設(shè)： 電子除了軌道角動(dòng)量外，電子除了軌道角動(dòng)量外，還具有固有自旋運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)還具有固有自旋運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的的角動(dòng)量角動(dòng)量 叫叫自旋角動(dòng)量自旋角動(dòng)量 相應(yīng)的磁矩相應(yīng)的磁矩-自旋磁矩自旋磁矩 SS Ss 電子具有電子具有自旋角動(dòng)量自旋角動(dòng)量 SzmS ) 1( ssS s 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)mS 自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù)只有一個(gè)值只有一個(gè)值

30、21s21 Sm21szmS23 )(1ssS量子力學(xué)結(jié)果：量子力學(xué)結(jié)果：S 在空間任一方向在空間任一方向(Z(Z軸軸) )的分量：的分量：物理意義：物理意義：電子的自旋角動(dòng)量也電子的自旋角動(dòng)量也是空間量子化的是空間量子化的Z Z+ + /2/2S- - /2/2S1) )四個(gè)四個(gè)量子數(shù)量子數(shù) 在氫原子部分已說明在氫原子部分已說明 電子的狀態(tài)用量子數(shù)電子的狀態(tài)用量子數(shù) n , ln , l , , m ml l 描述描述 相當(dāng)于相當(dāng)于3個(gè)自由度個(gè)自由度 考慮自旋后，還有考慮自旋后，還有2種可能種可能 相當(dāng)于還需一個(gè)自由度來表征相當(dāng)于還需一個(gè)自由度來表征 所以，電子的狀態(tài)應(yīng)用所以，電子的狀態(tài)應(yīng)用

31、n，l，ml ，ms 描述描述討論討論2)簡并態(tài)簡并態(tài) 考慮了自旋后，電子考慮了自旋后，電子 n n =3=3 態(tài)態(tài) 有幾種簡并態(tài)？有幾種簡并態(tài)？角動(dòng)量（角動(dòng)量（l）有）有 3 種種每種角動(dòng)量空間取向（每種角動(dòng)量空間取向（ml）有）有2 2l+ l+1 1種種電子還有電子還有2種自旋種自旋所以共有所以共有18種種一般結(jié)論一般結(jié)論: 簡并態(tài)？簡并態(tài)？2n2n主量子數(shù)主量子數(shù) (n=1,2,3, )可大體確定電子的可大體確定電子的能量能量l 角（副）量子數(shù)角（副）量子數(shù) (l =0,1,2, , n-1)可確定電子的可確定電子的軌道角動(dòng)量軌道角動(dòng)量大小大小ml 磁量子數(shù)磁量子數(shù) (ml=0, 1,

32、 2, , l )ms自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù) (ms= 1/2)可確定電子的可確定電子的軌道角動(dòng)量軌道角動(dòng)量在在空間空間任一方向任一方向(z)的的分量分量可確定電子的可確定電子的自旋角動(dòng)量自旋角動(dòng)量在在空間空間任一方向任一方向(z)的的分量分量三、三、 原子中原子中電子的電子的四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù)( (名稱、物理意義名稱、物理意義) )量子理論：電子的狀態(tài)應(yīng)用量子理論：電子的狀態(tài)應(yīng)用n，l，ml ，ms描述描述解：解：l l = 0, 1, 2, 3 = 0, 1, 2, 3 例：例：主量子數(shù)主量子數(shù)n=4的量子態(tài)中，軌道量子數(shù)的量子態(tài)中，軌道量子數(shù) l 的可能取值為的可能取值為 ；軌道磁量

33、子數(shù)；軌道磁量子數(shù)m ml l的可能取值為的可能取值為 .ml = 0, 1, 2, 3 思考思考 自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù)m mS S的可能取值的可能取值?解：解：當(dāng)當(dāng)n、l 、ml一定時(shí)，一定時(shí)，ms可取兩個(gè)不同可取兩個(gè)不同的值的值. 當(dāng)當(dāng)n、l一定時(shí)，一定時(shí)，ml可取可取2l+1個(gè)不同的個(gè)不同的值值, 且對于且對于m ml l的每個(gè)值，的每個(gè)值，ms可取兩個(gè)不可取兩個(gè)不同的值同的值. 2 2 2(2l+1) 例例 原子內(nèi)電子的量子態(tài)由原子內(nèi)電子的量子態(tài)由n、l、ml、ms四個(gè)量子數(shù)表征，當(dāng)四個(gè)量子數(shù)表征，當(dāng)n、l、ml一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為 ；當(dāng)；當(dāng)n n、l

34、l一定時(shí)，不同量子一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為態(tài)數(shù)目為 ；當(dāng)；當(dāng)n n一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為 .當(dāng)當(dāng)n n一定時(shí)，一定時(shí)，l 可取可取n n個(gè)不同的值個(gè)不同的值, 且對且對于于l的每個(gè)值，的每個(gè)值，m ml l和和m ms s共共可取可取2(2l+1)個(gè)不個(gè)不同的值同的值. 10) 12(2nllnn2) 12(1222n一、原子中電子的四個(gè)量子數(shù)一、原子中電子的四個(gè)量子數(shù) 描述原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 需要一組量子數(shù)需要一組量子數(shù)（ n，l，ml，ms ）不同的不同的量子態(tài)的數(shù)目量子態(tài)的數(shù)目: 當(dāng)當(dāng) n、l、ml 一定時(shí)，為一定時(shí)，為 2 ； 當(dāng)當(dāng)

35、n、l 一定時(shí)，為一定時(shí)，為 2 (2l+1) ； 當(dāng)當(dāng) n 一定時(shí)，為一定時(shí)，為 2n2 。1202(21)2nlln 3-4 原子核外電子的排布原子核外電子的排布二、原子內(nèi)電子的殼層結(jié)構(gòu)二、原子內(nèi)電子的殼層結(jié)構(gòu) 1. 泡利不相容原理泡利不相容原理 一個(gè)原子內(nèi)不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的一個(gè)原子內(nèi)不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的狀態(tài)電子具有完全相同的狀態(tài) 或說或說 一個(gè)原子內(nèi)不可能有四個(gè)量子數(shù)完一個(gè)原子內(nèi)不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子全相同的電子 或說或說 不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子處不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子處于同一個(gè)量子態(tài)于同一個(gè)量子態(tài)1945年諾貝爾物理學(xué)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲

36、得者獎(jiǎng)獲得者 泡利泡利奧地利人奧地利人Wolfgang Pauli 1900 1958提出泡利不相容原理提出泡利不相容原理 殼層殼層(shell)(shell)與次殼層與次殼層(subshell)(subshell)殼層殼層 由具有由具有相同主量子數(shù)相同主量子數(shù)n的所有量的所有量子態(tài)組成子態(tài)組成主量子數(shù)主量子數(shù)n 1 2 3 4 5 6 7n 1 2 3 4 5 6 7 殼層符號殼層符號 K L M N O P QK L M N O P Q 可容電子數(shù)可容電子數(shù) 2n2 個(gè)個(gè) 同一個(gè)同一個(gè)n 組成一個(gè)組成一個(gè)殼層，殼層， 對應(yīng)于對應(yīng)于n = 1, 2, 3,的各的各殼層，殼層， 分別記做分別記

37、做 K, L, M, N, O, P2 8 18 32 50 72 98 2 8 18 32 50 72 98 次殼層次殼層由同一殼層中具有相同由同一殼層中具有相同 角量子數(shù)角量子數(shù) l l 的量子態(tài)組成的量子態(tài)組成2(2l l+ +1)個(gè)個(gè)角量子數(shù)角量子數(shù) l 0 1 2 3 4 5 6 次殼層符號次殼層符號 s p d f g h is p d f g h i 可容電子數(shù)可容電子數(shù)相同相同 n, l 組成一個(gè)組成一個(gè)支殼層，支殼層， 對應(yīng)于對應(yīng)于l = 0, 1, 2, 3,的各支殼層，的各支殼層， 分別記做分別記做 s, p, d, f, g, h2 6 10 14 18 22 262

38、6 10 14 18 22 26 一個(gè)支殼層內(nèi)電子可有一個(gè)支殼層內(nèi)電子可有(2l+1)2種量子態(tài)種量子態(tài) 主量子數(shù)為主量子數(shù)為n的殼層可容納的電子數(shù)的殼層可容納的電子數(shù)為為nZ 22n支殼層支殼層s, p, d, f, g,h，對應(yīng)于對應(yīng)于l = 0, 1, 2, 3,21,21, 1, 0 , 1, 1, 226slmmlnp電子組態(tài)符號：電子組態(tài)符號：2121m0m0l2ns2sl2 ,殼層殼層K, L, M, N, O, P， 對應(yīng)于對應(yīng)于n = 1, 2, 3,K（n = 1）符號符號 殼層殼層 支殼層支殼層s(l=0)L（n = 2）s(l=0)p(l=1)M（n = 3）s(l=0

39、)p(l=1)d(l=2)21s22s62p23s63p103d三、能量最低原理三、能量最低原理原子的能量最低原子的能量最低。 “電子優(yōu)先占據(jù)最低能態(tài)電子優(yōu)先占據(jù)最低能態(tài)”nl1021032103d3p3s 2p2s 1s 原子處于正常狀態(tài)時(shí)，電子的排布應(yīng)使原子處于正常狀態(tài)時(shí)，電子的排布應(yīng)使對不同對不同n：（ n + 0.7 l ） ，則，則E 能級的高低與能級的高低與 n 和和 l 有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：對同一對同一n n： l l ，則，則E 先填先填n較小的殼層，在同一較小的殼層，在同一n中，中，先填先填 l 較小的次殼層較小的次殼層 例如：例如： 鉀鉀 1s22s22p63s

40、23p64s1四、原子核外電子的四、原子核外電子的組態(tài)組態(tài)3d 態(tài)的態(tài)的 n + 0.7l = 3+0.72 = 4.44s 態(tài)的態(tài)的 n + 0.7l = 4+0.70 = 4不是不是3d1原子中電子的填充原子中電子的填充: 先填先填n n較小的殼層，在同一較小的殼層，在同一n n中，先填中，先填 l l 較小的次較小的次殼層，殼層，在不同殼層鄰接處在不同殼層鄰接處, 比較它們的比較它們的(n+0.7n+0.7l l)值。值。氬氬(Z=18)(Z=18)原子基態(tài)的電子組態(tài)是原子基態(tài)的電子組態(tài)是(A) (A) 1s1s2 22s2s8 83p3p8 8(B) (B) 1s1s2 22s2s2

41、22p2p6 63d3d8 8(C) (C) 1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 6(D) (D) 1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p4 43d3d2 2答案：答案： (C)(C) 例例 下列各組量子數(shù)中，哪一組可以描述原下列各組量子數(shù)中，哪一組可以描述原子中電子的狀態(tài)？子中電子的狀態(tài)？(A)(A)n=2, n=2, l l=2, m=2, ml l=0, m=0, mS S=1/2.=1/2.(B)(B)n=3, n=3, l l=1, m=1, ml l= -1, m= -1, mS S= -1/2.= -1/2.(C)(C)n

42、=1, n=1, l l=2, m=2, ml l=1, m=1, mS S=1/2.=1/2.(D)(D)n=1, n=1, l l=0, m=0, ml l=1, m=1, mS S= -1/2.= -1/2.答案：答案： (B)(B) 思考思考 該電子屬于哪個(gè)殼層該電子屬于哪個(gè)殼層? ? 哪個(gè)次殼層哪個(gè)次殼層? ? 例例 6 激光激光28.6 28.6 激光激光 (Laser)(Laser)激光又名鐳射激光又名鐳射( (LaserLaser),), 即即“受激輻射光放受激輻射光放大大”. .L Lightight A Amplification by mplification by S

43、Stimulatedtimulated E Emission of mission of R Radiationadiation有三種：有三種：自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收1.1.自發(fā)輻射自發(fā)輻射不相干光不相干光一一. . 輻射躍遷輻射躍遷普通光源普通光源2 21 1發(fā)光前發(fā)光前h h 發(fā)光后發(fā)光后在沒有外界作用下，處于高能態(tài)在沒有外界作用下，處于高能態(tài)( (E E2 2) ) 的原子，自發(fā)躍遷到低能態(tài)的原子，自發(fā)躍遷到低能態(tài)( (E E1 1) )，并輻射，并輻射出一個(gè)光子出一個(gè)光子(h(h =E=E2 2-E-E1 1) . ) . 2.2.受激輻射受激輻射受到

44、外界作用受到外界作用, , 產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生躍遷. . 輻射與外來全同的光子輻射與外來全同的光子. .相干光相干光光放大，光放大，激光光源激光光源h h h h 2 21 1發(fā)光前發(fā)光前h h 發(fā)光后發(fā)光后處于高能態(tài)處于高能態(tài)( (E E2 2) )的原子，受入射光的原子，受入射光子子( (h h =E=E2 2-E-E1 1) )的誘導(dǎo)作用，躍遷到低能的誘導(dǎo)作用，躍遷到低能態(tài)態(tài)( (E E1 1) )， 并發(fā)出一個(gè)與入射光子的頻率、并發(fā)出一個(gè)與入射光子的頻率、相位、振動(dòng)方向和傳播方向都完全相同相位、振動(dòng)方向和傳播方向都完全相同的光子的光子. .受激輻射受激輻射E E2 2 E E1 1 原子吸收

45、入射光子原子吸收入射光子( (h h =E=E2 2-E-E1 1) )，從低能態(tài)從低能態(tài)( (E El l) )躍遷到高能態(tài)躍遷到高能態(tài)( (E E2 2).).3.3.受激吸收受激吸收外來光被吸收外來光被吸收, , 使原子激發(fā)使原子激發(fā)h h 2 21 1發(fā)光前發(fā)光前發(fā)光后發(fā)光后受激吸收受激吸收二二. . 粒子數(shù)按能級的分布粒子數(shù)按能級的分布 由大量原子組成的系統(tǒng)，在由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的溫度不太低的平衡態(tài)下，處于不同能態(tài)的原子數(shù)由平衡態(tài)下，處于不同能態(tài)的原子數(shù)由玻耳茲曼玻耳茲曼分布律確定：分布律確定：T = T = 常量常量o oE En nE EN(N(原子數(shù)原子數(shù)) )

46、N Nn n兩能級上的原子數(shù)目之比兩能級上的原子數(shù)目之比若若E E2 2 E E 1 1，則有，則有11212 kTEEeENEN/ )()()(kTEnneEN/)( kTEEnmnmeENEN/ )()()( 若若T=300KT=300K 數(shù)量級估計(jì)數(shù)量級估計(jì)11212 kTEEeENEN/ )()()(則則 kT kT1.381.381010-20 -20 J J 0.086 eV0.086 eV而而故故110401212 kTEEeENEN/ )()()(在正常情況在正常情況下下N N1 1 N N2 2 ，低能態(tài)低能態(tài)上的上的原子數(shù)原子數(shù)大于大于高能態(tài)高能態(tài)上的上的原子數(shù)，原子數(shù)，吸

47、吸收占優(yōu)收占優(yōu)。E E1 1E E2 2E E3 3但要產(chǎn)生激光必須但要產(chǎn)生激光必須N N2 2 N N1 1（高能態(tài)上的原子數(shù)大于低（高能態(tài)上的原子數(shù)大于低能態(tài)上的粒子數(shù)），這種反能態(tài)上的粒子數(shù)），這種反常狀態(tài)稱常狀態(tài)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布eVEE112 三三. .產(chǎn)生激光的必要條件產(chǎn)生激光的必要條件1.1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)但在外來光照射下可發(fā)生但在外來光照射下可發(fā)生受激輻射受激輻射和和吸收吸收兩兩過程過程為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？對激光器，必須使對激光器，必須使受激輻射占優(yōu)勢。受激輻射占優(yōu)勢。（受激輻射：（受激輻射：E E2 2E E1 1）（吸收：（吸收： E E1

48、 1E E2 2） 欲使受激輻射占優(yōu)，欲使受激輻射占優(yōu)，必須使必須使粒子數(shù)的粒子數(shù)的 反轉(zhuǎn)分布相當(dāng)于把能量儲(chǔ)存在原子體系中。反轉(zhuǎn)分布相當(dāng)于把能量儲(chǔ)存在原子體系中。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的是產(chǎn)生激光的必要條件必要條件。正常分布（正常分布（N N1 1NN2 2）受激受激吸收占優(yōu)，吸收占優(yōu)，不能光放大不能光放大反轉(zhuǎn)分布（反轉(zhuǎn)分布（ N N2 2 N N1 1 ）受激輻射占優(yōu)勢，受激輻射占優(yōu)勢，可以光放大可以光放大 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為激活激活介質(zhì)介質(zhì)或或工作物質(zhì)工作物質(zhì)要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激活介質(zhì)激活介質(zhì)激勵(lì)能源激勵(lì)能源激勵(lì)激勵(lì)( (抽運(yùn)抽運(yùn)

49、, ,光泵光泵) )化學(xué)化學(xué)氣體放電氣體放電光激勵(lì)光激勵(lì)核能激勵(lì)核能激勵(lì)激活介質(zhì)的特點(diǎn)激活介質(zhì)的特點(diǎn): : 存在壽命較長存在壽命較長(10(10-3-3s1s)s1s)的的激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài). .如：如： CO CO2 2激光器：激光器：( (四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)) )h h 無輻射躍遷無輻射躍遷E E3 3E E1 1E E2 2亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E E4 4電抽運(yùn)電抽運(yùn)受激輻射方向是隨機(jī)的受激輻射方向是隨機(jī)的受激輻射受激輻射若有一批原子處于高能態(tài)若有一批原子處于高能態(tài)( (E Eh h) )，則則 在一個(gè)入射光子在一個(gè)入射光子(h(h =E=Eh h-E-El l) )的作用下，的作用下，

50、會(huì)通過一系列受激輻射產(chǎn)生不斷倍增的相同會(huì)通過一系列受激輻射產(chǎn)生不斷倍增的相同的光子，的光子，. . 光放大光放大(light amplification)(light amplification)作用作用實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了光放大光放大。一對平行的反射一對平行的反射鏡，鏡面與激活鏡，鏡面與激活介質(zhì)的軸線垂直介質(zhì)的軸線垂直. .激活介質(zhì)激活介質(zhì)全反全反射鏡射鏡部分部分反射鏡反射鏡激勵(lì)能源激勵(lì)能源激光激光輸出輸出. .光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 激光激光M M1 1M M2 2全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡M M1 1M M2 2反射鏡構(gòu)成反射鏡構(gòu)成光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔. .沿軸向傳播的光，沿軸向傳播的光

51、，可在腔內(nèi)來回反可在腔內(nèi)來回反射，不斷放大。射，不斷放大。延長了工作物質(zhì)（增強(qiáng)延長了工作物質(zhì)（增強(qiáng)光放大光放大作用）作用） 沿沿軸向軸向傳播的光，可在腔內(nèi)來回反射，傳播的光，可在腔內(nèi)來回反射，不斷不斷放大放大，而沿其它方向傳播的光很快逸出。，而沿其它方向傳播的光很快逸出。提高激光的提高激光的單色性單色性 光在腔內(nèi)來回反射光在腔內(nèi)來回反射, ,在諧振腔內(nèi)形成在諧振腔內(nèi)形成駐波駐波，兩反射鏡處必是波節(jié)兩反射鏡處必是波節(jié), , 結(jié)果結(jié)果, , 只有半波長的整只有半波長的整數(shù)倍等于腔長的光才會(huì)在腔內(nèi)存在，數(shù)倍等于腔長的光才會(huì)在腔內(nèi)存在，選頻作用選頻作用。諧振腔的諧振腔的作用作用：提高激光的提高激光的方

52、向性方向性( (沿軸線沿軸線) )Notes:Notes:諧振腔的諧振腔的閾值條件閾值條件增益大于損耗增益大于損耗 即光在腔內(nèi)來回一次所得到的即光在腔內(nèi)來回一次所得到的放大放大( (稱為稱為增益增益) )，超過超過同一過程中光的同一過程中光的損耗損耗( (吸收、散射等吸收、散射等) ) 。若在諧振腔內(nèi)加上一對若在諧振腔內(nèi)加上一對布儒斯特窗布儒斯特窗，可得到偏振性極好的可得到偏振性極好的線偏振光線偏振光。e.g.e.g.外腔式外腔式He-NeHe-Ne激光器激光器電電 源源He, NeHe, Ne布儒斯特窗布儒斯特窗100%100%反射反射99%99%反射反射1%1%透射透射綜上綜上: :產(chǎn)生激

53、光必要條件：產(chǎn)生激光必要條件：激勵(lì)能源（使原子激發(fā)）激勵(lì)能源（使原子激發(fā)）激活介質(zhì)（合適的能級）激活介質(zhì)（合適的能級）光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔( (方向性方向性, ,光放大光放大, ,單色性單色性) )粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)主要組成部分：主要組成部分：激勵(lì)能源、工作物質(zhì)、諧振腔激勵(lì)能源、工作物質(zhì)、諧振腔激勵(lì)能源激勵(lì)能源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光激光器的種類激光器的種類固體（如紅寶石固體（如紅寶石AlAl2 2O O3 3） 液體（如某些染料）液體（如某些染料）氣體（如氣體（如He-NeHe-Ne，COCO2 2）半導(dǎo)體（如砷化鎵半導(dǎo)體（如砷化鎵 GaAsGaAs）按工作物質(zhì)分按工作物質(zhì)分按工作方式分按工作方式分 連續(xù)式（功率可達(dá)連續(xù)式（功率可達(dá)10104 4 W W） 脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)101014 14 W W ）四四. .激光器激光器激活介質(zhì)激活介質(zhì)舉例舉例 紅寶石激光器紅寶石激光器 ( (工作物質(zhì)：工作物質(zhì)： 固體固體AlAl2 2O O3 3) ) E E2 2激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)E E0 0基態(tài)基態(tài)h h E E1 1亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)550.0nm550.0nm694.3