（精）第三章原子中的电子.ppt

2、自发辐射 处在高能级E2的原子，即使没有任何外界激励，也能自发跃迁到低能级E1，并且发射一个能量h?=E2-E1的光子。 E2 E1 3、受激辐射： E2 E1 入射光子的能量h?等于相应能级差E2-E1时。入射光子的电磁场就会引发原子从高能级E2跃迁到低能级E1，同时放出一个与入射光子频率、相位、偏振方向都相同的光子。 材料中，如果有一个光子引发了一次受激辐射，就会产生两个相同的光子。这两个光子如果遇到类似的情况，就能够产生4个光子…，可以形成“光放大” 。 其实不然，在正常情况下，在高能级上的原子数总比在低能级上的原子数小的多。爱因斯坦指出原子受激辐射和吸收的概率是相同的。因此，光子入射到材料中，主要的还是被吸收而不可能发生光放大的现象。 实现光放大，必须使材料处于“反常”状态, 叫粒子数布居反转。激发的方式有光激发，碰撞激发等。 问题：是否有一个适当的光子入射到给定的材料内就可以很容易地得到光放大呢？ 激发 碰撞 He Ne E/eV ? 2s 1s 5s 3p 2p 氦氖能级示意图 0 16 17 18 19 20 21 受激辐射 0.6328?ｍ 二、粒子数布居反转 1.电子碰撞,He被激发到2s亚稳态能级,难于跃迁到基态。 2.Ne的5s与He的2s能级相近,经碰撞,He把能量传递给Ne而回到基态,Ne被激发到5s能级。 3.要产生激光,除了增加上能级的粒子数外,还要设法减少下能级粒子数。Ne的5s是亚稳态,下能级3p的寿命比上能级5s要短得多,这就可以形成粒子数的反转。 电源 布儒斯特窗 He,Ne 100?反射 M1 99?反射 1?透射 M2 激光 激光器细玻璃管内充有氦和氖气激活介质, 与激光管的轴严格垂直的两个反射镜(M1:100?反射、M2:99? 反射1?透射)构成光学谐振腔：维持光子振荡放大, 使激光有良好的方向性和相干性；反射镜两端距离控制其间驻波的波长，因而激光有极高的单色性。 三、激光增益放大，氦氖激光器的结构 3、方向性极强: 可直接作相干光源。 时间、空间相干性好：??～10 8A° 1、相干性极好： 4、亮度极高 四、激光的特点 投射到月球(38万公里)光斑直径仅约2公里, Laser 激光器 2? 10mW的功率He--Ne激光器竟产生了比太阳大几千倍的辐射亮度 2、单色性好： ,而普通光源仅有10-5。 发散角～10 -4弧度 五、应用：激光冷却 激光冷却：80年代，借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温（如10-10K）状态。 这种激光冷却中性原子的方法 是汉斯(T.W.H?nsh)和肖洛 (A.L.Schawlow)于1975年提出的。 原子吸收光 子动量减小 运动的原子在共振吸收迎面射来的光子后，从基态过渡到激发态，其动量就减小了。激发态的原子会自发辐射出光子而回到初态，由于反冲会得到动量，此后，它又会多次吸收和自发辐射光子, 原子的速度会明显的减小, 而温度也就降低了。 h? 基本思想： 1985年贝尔实验室的朱棣文小组用三对方向相反的激光束照射钠原子，在6束激光交汇处的钠原子团就冷却下来，温度达到了240?K 。 三维激光冷却示意图 由于原子不断吸收和随机发射光子，这些光子又可能被邻近的原子吸收，原子和光子互相交换动量而相互纠缠在一起，低速的原子在其中无规则移动而无法逃脱，称做“光学粘团”，这是一种捕获原子使之聚焦的方法。 朱棣文(S.Chu)等三人因在激光冷却和捕获原子研究中的贡献而获得了1997年诺贝尔物理奖。 * §3.1 氢原子 §3.2 电子自旋 §3.3 泡利原理 §3.4 各种原子核外电子的排布 §3.6 激光 §3.7 分子的转动和振动能级 第三章 原子中的电子（3学时） (Electron in Atomic) §3.1 氢原子 (Hydrogen atom) 一、氢原子的薛定谔方程 薛定谔方程提出后，首先被用于求解氢原子，取 得了巨大成功。在氢原子中，电子在原子核的库仑场中运动，势能函数为： U(r)不随时间变化，属定态问题，薛定谔方程为 U是r的函数，用球坐标 代替(x,y,z)。 取核所在点为原点： 则球坐标中的定态薛定谔方程为 x y z 0 r 此方程可以采用分离变量法求解，即波函数可表示为 二、重要结论 1. 能量量子化：氢原子能量取离散值 式中玻尔半径 n 为主量子数。n = 1 的量子态叫基态，其能量为 n = 2,3,4, … 的状态称为激发态。氢原子所有能级可表 示为 n →∞时，