原子中的电子讲稿.ppt

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1、关于原子中的电子1第一页，讲稿共八十一页哦3.2 氢原子的量子力学处理氢原子的量子力学处理3.3 电子自旋与自旋轨道耦合电子自旋与自旋轨道耦合3.5 各种原子核外电子的排布各种原子核外电子的排布3.4 微观粒子的不可分辨性微观粒子的不可分辨性 泡利不相容原理泡利不相容原理目目 录录3.6 X射线射线3.7激光简介激光简介3.1 轨道角动量轨道角动量第二页，讲稿共八十一页哦（1）角动量平方算符角动量平方算符 代表角动量大小代表角动量大小（2）角动量在角动量在 z 轴投影轴投影 代表代表角动量取向角动量取向zx y电子云电子云LLz3.1 轨道角动量轨道角动量一、用两个算符表达一、用两个算符表达第

2、三页，讲稿共八十一页哦是是 和和 的共同本征波函数：的共同本征波函数：正交、归一化条件：正交、归一化条件：第四页，讲稿共八十一页哦当当l=0,1,2时的球谐函数：时的球谐函数：第五页，讲稿共八十一页哦L0zLz二、角动量的空间量子化二、角动量的空间量子化（space quantization）角动量的大小为：角动量的大小为：l=0,1,2,3,由于由于角动量角动量 在空间的取向在空间的取向 只有（只有（2l+1）种可能性，）种可能性，因而其空间的取向是因而其空间的取向是量子化量子化的。的。只有五种可能的取向。只有五种可能的取向。l=2，例如：例如：对对 z 轴旋转对称轴旋转对称第六页，讲稿共八

3、十一页哦通解为通解为【例例】求解求解 的本征值问题。的本征值问题。下面用波函数所满足的条件，定特解。下面用波函数所满足的条件，定特解。第七页，讲稿共八十一页哦应该单值：应该单值：本征值：本征值：本征波函数：本征波函数：归一化因子归一化因子【思思考考】设设某某体体系系绕绕对对称称轴轴转转动动（平平面面转转子子），转转动动惯惯量为量为I，求该体系的转动能量和波函数。，求该体系的转动能量和波函数。第八页，讲稿共八十一页哦A即由此得来。即由此得来。红红蓝蓝紫紫6562.84340.54861.33.2 氢原子的量子力学处理氢原子的量子力学处理一、一、氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律氢原子的可见

4、光光谱：氢原子的可见光光谱：。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom）测得氢可见光光谱的红线，测得氢可见光光谱的红线，到到1885年，年，观测到的氢原子光谱线已有观测到的氢原子光谱线已有14条。条。第九页，讲稿共八十一页哦赖曼系赖曼系（紫外区）（紫外区）巴耳末系巴耳末系(可见区可见区)帕邢系帕邢系(红外区红外区)布喇开系布喇开系氢原子能级和能级跃迁图：氢原子能级和能级跃迁图：-13.6eV-3.39eV-1.81eV-0.85eVEn n由能级算出的光由能级算出的光谱线频率和实验谱线频率和实验结果完全一致。结果完全一致。126534第十页，讲稿共八十一页哦 二、

5、氢原子的量子力学处理二、氢原子的量子力学处理 用用薛薛定定谔谔方方程程求求解解氢氢原原子子中中电电子子的的能能级级和和本本征征波波函数，是量子力学创立初期最令人信服的成就。函数，是量子力学创立初期最令人信服的成就。质质子子的的质质量量比比电电子子的的质质量量大大的的多多，在在氢氢原原子子中中可可近近似似认认为为质质子子静静止止而而电电子子运运动动，因因此此电电子子的的能能量量就就代代表表整整个个氢氢原原子子的的能能量量。电电子子受受质质子子的的库库仑仑力力作作用用，势能函数为势能函数为 由由于于求求解解过过程程比比较较复复杂杂，下下面面只只介介绍绍求求解解的的思思路和步骤，列出结果并讨论物理意

6、义。路和步骤，列出结果并讨论物理意义。第十一页，讲稿共八十一页哦 在以质子的位置为原点的直角坐标系中，电子在以质子的位置为原点的直角坐标系中，电子的能量本征方程为的能量本征方程为写成球坐标系中的形式写成球坐标系中的形式 其其中中 为为轨轨道道角角动动量量平平方方算算符符。其其本本征征值值问问题题的解是已知的。的解是已知的。第十二页，讲稿共八十一页哦 分离变量，设分离变量，设 ，代入，得，代入，得两个方程：两个方程：径向方程，可解出能量本征值径向方程，可解出能量本征值En和和Rnl(r)。的本征方程，本征值的本征方程，本征值“角动量的大小角动量的大小”球谐函数球谐函数第十三页，讲稿共八十一页哦本

7、征波函数：本征波函数：与实验结与实验结果完全符果完全符合！合！n主量子数，主量子数，1、氢原子的能级和本征波函数、氢原子的能级和本征波函数l 角量子数，角量子数，m 磁量子数。磁量子数。球谐函数球谐函数能级：能级：第十四页，讲稿共八十一页哦当当n=1,2,3时的时的Rnl：称为玻尔半径。称为玻尔半径。其中其中第十五页，讲稿共八十一页哦4、电子的概率分布、电子的概率分布电子出现在体积元电子出现在体积元dV中的概率为：中的概率为：(,)方向立体角元方向立体角元电子沿径向的概率密度为电子沿径向的概率密度为电电子子出出现现在在(,)方方向向附附近近单单位位立立体体角角元元中中的的概概率为率为 第十六页

8、，讲稿共八十一页哦Wnl电子沿径向的概率密度电子沿径向的概率密度Wnl(r)基态基态激发态激发态第十七页，讲稿共八十一页哦基态基态（ground state）：）：玻尔半径玻尔半径电子出现在电子出现在 r=a 的单位厚度的单位厚度球壳层内的概率最大。球壳层内的概率最大。n=1,l=0P100 1第十八页，讲稿共八十一页哦电子概率密度角分布电子概率密度角分布Wlm(,f f)第十九页，讲稿共八十一页哦第二十页，讲稿共八十一页哦5、量子数小结、量子数小结（1）主量子数主量子数（2）轨道角量子数轨道角量子数 l=0,1,2,(n 1)，的大小的大小（3）轨道磁量子数轨道磁量子数 决定决定 的空间取向

9、；的空间取向；的的z分量分量n=1,2,3,决定能量决定能量决定角动量的大小决定角动量的大小第二十一页，讲稿共八十一页哦3.3 电子自旋与自旋轨道耦合电子自旋与自旋轨道耦合一、斯特恩一、斯特恩 盖拉赫盖拉赫(Stern-Gerlach)实验实验 1、角动量和磁矩的关系、角动量和磁矩的关系 r-e,me zLzvLBiz1922年为验证角动量空间量子化而进行此实验。年为验证角动量空间量子化而进行此实验。第二十二页，讲稿共八十一页哦 2、磁矩在磁场中受力、磁矩在磁场中受力 玻尔磁子玻尔磁子 Bohr magneton令令 电子轨道磁矩的取向是量子化的电子轨道磁矩的取向是量子化的Fzz原子射线原子射

10、线磁矩在磁场中的能量磁矩在磁场中的能量也是分立的。也是分立的。受力受力第二十三页，讲稿共八十一页哦 3、施特恩、施特恩 盖拉赫实验盖拉赫实验加磁场加磁场不加磁场不加磁场加热炉加热炉基态（基态（L=0）银原子射线银原子射线不均匀磁场不均匀磁场银原子沉积银原子沉积Fz基态，轨道基态，轨道 L=0，m=0银原子束不应分裂。银原子束不应分裂。电子还具有其它磁矩！电子还具有其它磁矩！第二十四页，讲稿共八十一页哦斯特恩正在观测斯特恩正在观测银原子束通过非均银原子束通过非均匀的磁场时，分裂匀的磁场时，分裂成了两束成了两束第二十五页，讲稿共八十一页哦4、施特恩、施特恩 盖拉赫实验的意义盖拉赫实验的意义 原子沉

11、积层不是连续一片，而原子沉积层不是连续一片，而是是分开的分开的线，线，(2)发现了新的矛盾发现了新的矛盾 l=0，应有一条沉积线。，应有一条沉积线。(3)提供了原子的提供了原子的“态分离态分离”技术，技术，至今仍适用。至今仍适用。(1)证明了空间量子化的存在证明了空间量子化的存在实验结果却有实验结果却有两条沉积线，两条沉积线，这说明原来对原子中电子运动这说明原来对原子中电子运动的描述是不完全的。的描述是不完全的。说明角动量空间量子化的存在。说明角动量空间量子化的存在。第二十六页，讲稿共八十一页哦二、电子自旋二、电子自旋（electron spin）的影响很小的影响很小 1925年年乌伦贝克乌伦

12、贝克（G.E.Uhlenbeck）和和古兹古兹 电子不是质点，有固有的电子不是质点，有固有的自旋角动量自旋角动量应的应的自旋磁矩自旋磁矩 电子带负电，磁矩的方电子带负电，磁矩的方和相和相提出了大胆的假设：提出了大胆的假设：米特米特（S.Goudsmit）根据根据施施 盖实验盖实验的事实，的事实，向和自旋的方向应相反。向和自旋的方向应相反。第二十七页，讲稿共八十一页哦和朝下两种取向。和朝下两种取向。这一经典图象这一经典图象若把电子视为若把电子视为r=10-16 m的小球，的小球，算出的电子表面速度算出的电子表面速度 c!面对按经典图象理解所给出的面对按经典图象理解所给出的“荒谬荒谬”结果，结果，

13、乌、古二人乌、古二人(当时不到当时不到25岁岁)曾想撤回自旋的论文，曾想撤回自旋的论文，相对于外磁场方相对于外磁场方向（向（z），），有朝上有朝上z按按 S 估估受到了泡利的责难。受到了泡利的责难。第二十八页，讲稿共八十一页哦 “You are both young enough to allow yourselves some foolishness!”但他们的导师但他们的导师埃伦菲斯特埃伦菲斯特(P.Ehrenfest)鼓励道：鼓励道：自旋角动量自旋角动量也应有也应有 s 自旋量子数，自旋量子数，mS 自旋磁量子数自旋磁量子数可给出自旋角动量的量子化：可给出自旋角动量的量子化：l=0,1,

14、2(n 1)自旋虽然不能用经典的图象来理解，但仍自旋虽然不能用经典的图象来理解，但仍轨道角动量轨道角动量类比轨道角动量的量子化，类比轨道角动量的量子化，然和角动量有关。然和角动量有关。第二十九页，讲稿共八十一页哦类似类似 ml 有有2l+1种取法，种取法，mS应有应有 2s+1种取法。种取法。施施 盖实验表明：盖实验表明：电子自旋是一种电子自旋是一种“内禀内禀”运动，运动，不是小球自转。不是小球自转。自旋磁矩：自旋磁矩：第三十页，讲稿共八十一页哦三、电子的自旋轨道耦合三、电子的自旋轨道耦合电子绕核运动时，既有轨道角动量电子绕核运动时，既有轨道角动量 ，又有，又有自旋角动量自旋角动量这时电子状态

15、和总角动量这时电子状态和总角动量 有关。有关。这一角动量的合成，叫这一角动量的合成，叫自旋轨道耦合。自旋轨道耦合。总角动量量子数用总角动量量子数用 j 表示，且有表示，且有由量子力学可知，由量子力学可知，J 也是量子化的，也是量子化的，相应的相应的第三十一页，讲稿共八十一页哦经典矢量耦合模型图为：经典矢量耦合模型图为：例如例如 l=1时，时，而而j=1/2j=3/2考虑到自旋轨道耦合，原子的状态可表示为：考虑到自旋轨道耦合，原子的状态可表示为：nj主量子数主量子数总角动量角量子数总角动量角量子数轨道角动量角量子数轨道角动量角量子数 l 的代号：的代号：l=0,1,2,3,4对应对应S,P,D,

16、F 如：如：n=3l=1j=3/23P3/2第三十二页，讲稿共八十一页哦四、碱金属原子光谱的双线四、碱金属原子光谱的双线H原子原子+e-e碱金属原子碱金属原子原子实原子实+e（价电子）（价电子）-e 所以光谱也与氢有差别。所以光谱也与氢有差别。但是与氢原子不同的是，碱金属原子能级除但是与氢原子不同的是，碱金属原子能级除还与还与l 有关，有关，这种结构类似于氢原子，这种结构类似于氢原子，碱金属原子（碱金属原子（Li,Na,K,Rb,Cs,Fr）价电子以）价电子以内的电子与原子核形成了一个带电内的电子与原子核形成了一个带电+e 的原子实。的原子实。与与n 有关外，有关外，故它们的光谱也类似。故它们

17、的光谱也类似。第三十三页，讲稿共八十一页哦1、碱金属能级、碱金属能级Enl-e轨道贯穿轨道贯穿轨道角动量影响能级的因素主要有两方面：轨道角动量影响能级的因素主要有两方面：轨道贯穿使电子感受轨道贯穿使电子感受（1）轨道贯穿）轨道贯穿电子有可能进入原子实，电子有可能进入原子实，到了更多正电荷的作用，到了更多正电荷的作用，对于不同的对于不同的 l，有不同的电子云分布，有不同的电子云分布，相应于不同的相应于不同的“轨道轨道”。对于对于l 较小的轨道，较小的轨道，这称为这称为轨道贯穿。轨道贯穿。因此能量要降低。因此能量要降低。分别分别第三十四页，讲稿共八十一页哦原子实极化原子实极化-e 这使得价电子附加

18、了一部分负的电势能。这使得价电子附加了一部分负的电势能。（2）原子实极化）原子实极化价电子对原子实中负电荷的排斥，价电子对原子实中负电荷的排斥，使原子实使原子实负电荷的重心向远离电子方向移动，负电荷的重心向远离电子方向移动，造成了原造成了原子实的极化。子实的极化。原子实中所有电子电荷的和原子实中所有电子电荷的和为为 (Z 1)e，电荷重心电荷重心偏移后，偏移后，这部分负电荷与原子核中相这部分负电荷与原子核中相应部分的等量正电荷形成应部分的等量正电荷形成了了一个指向价电子的偶极子，一个指向价电子的偶极子，e+(Z 1)e(Z 1)e第三十五页，讲稿共八十一页哦相同主量子数相同主量子数n的氢原子中

19、电子的能量的氢原子中电子的能量。以上两种因素都使价电子感受到了以上两种因素都使价电子感受到了更多正电更多正电都使主量子数为都使主量子数为n的价电子的价电子能量低于能量低于荷的作用，荷的作用，碱金属的能级公式可表示为：碱金属的能级公式可表示为：n=2H原子能级原子能级碱金属能级碱金属能级n=22P(l=1)2S(l=0)量子数亏损量子数亏损第三十六页，讲稿共八十一页哦转而产生的磁场，转而产生的磁场，电子的电子的“轨道轨道”运动使电子感受到原子实围绕它运动使电子感受到原子实围绕它 引引起起的的附附加加磁磁能能，称称为为自自旋旋轨轨道道耦合能：耦合能：2、碱金属光谱的精细结构、碱金属光谱的精细结构

20、自自旋旋角角动动量量和和轨轨道道角角动动量量平平行行（j=l+1/2）的的态态的的能量，比反平行态（能量，比反平行态（j=l1/2）的能量高。）的能量高。第三十七页，讲稿共八十一页哦钠光谱的精细结构钠光谱的精细结构（fine structure）：3S(n=3,l=0)3P(n=3,l=1)Na双线双线 碱金属的双线实验也是促使乌仑贝克和古碱金属的双线实验也是促使乌仑贝克和古兹米特提出电子自旋假设的根据之一。兹米特提出电子自旋假设的根据之一。3P3/23P1/2（l=0，无自旋轨道，无自旋轨道 耦合，能级不分裂）耦合，能级不分裂）5895.92 (D1)5889.95 (D2)第三十八页，讲稿

21、共八十一页哦3.4 微观粒子的不可分辨性微观粒子的不可分辨性一、微观粒子的全同性一、微观粒子的全同性同种微观粒子的质量、自旋、电荷等固有性同种微观粒子的质量、自旋、电荷等固有性质都是全同的，不能区分。质都是全同的，不能区分。不过经典理论尚可不过经典理论尚可按运动轨道来区分同种粒子。按运动轨道来区分同种粒子。而在量子理论中，而在量子理论中，微观粒子的运动状态是用波函数描写的，微观粒子的运动状态是用波函数描写的，没有确定的轨道，没有确定的轨道，因此也是不可区分的。因此也是不可区分的。物理把这称做物理把这称做“不可分辨性不可分辨性”，或，或“全同性全同性”。泡利不相容原理泡利不相容原理量子量子它们它

22、们第三十九页，讲稿共八十一页哦全同粒子组成的系统必须考虑这种不可分辨性。全同粒子组成的系统必须考虑这种不可分辨性。以两个粒子组成的系统为例：以两个粒子组成的系统为例：设粒子设粒子1、2均可分别处在状态均可分别处在状态A或或B，相应，相应设它们组成的系统的波函数为设它们组成的系统的波函数为 (1,2)，由于粒子不可分辨，应有：由于粒子不可分辨，应有：波函数分别为波函数分别为 A(1)、A(2)、B(1)、B(2)则则全同性要求波函数具有交换对称性。全同性要求波函数具有交换对称性。第四十页，讲稿共八十一页哦常量常量C是归一化因子。是归一化因子。对称波函数对称波函数反对称波函数反对称波函数 (1,2

23、)应该和应该和 A 及及 B是什么关系呢？是什么关系呢？A 和和 B 的乘积进行如下组合：的乘积进行如下组合：由由 的统计意义，的统计意义，应是应是 A 和和 B 相乘，相乘，但这样得不到具有交换对称性的波函数。但这样得不到具有交换对称性的波函数。需把需把（反对称）（反对称）（对称）（对称）第四十一页，讲稿共八十一页哦 全同粒子按自旋划分，可分为两类：全同粒子按自旋划分，可分为两类：1、费米子费米子（Fermion）e,p,n,等等,二、费米子和玻色子二、费米子和玻色子 泡利不相容原理泡利不相容原理例如：例如：费米子是自旋费米子是自旋 s 为为半整数半整数的粒子的粒子自旋自旋 s=1/2。费米

24、子波函数反对称：费米子波函数反对称：“不能有两个全同费米子处于同一单粒子态不能有两个全同费米子处于同一单粒子态”泡利不相容原理（泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）当量子态当量子态 A=B 时，时，第四十二页，讲稿共八十一页哦光子光子 s=1。玻色子的波函数是对称的：玻色子的波函数是对称的：s=0，例如：例如：一个单粒子态可容一个单粒子态可容A=B 时，时，不受泡利不相容原理的制约。不受泡利不相容原理的制约。2、玻色子、玻色子（Boson）玻色子是自旋玻色子是自旋 s 为为 0 或或 整数整数 的粒子的粒子这表明：这表明：纳多个玻色子，纳多个玻色子，第四十三页，

25、讲稿共八十一页哦3.5 各种原子核外电子的排布各种原子核外电子的排布一、四个量子数一、四个量子数 描述原子中电子运动状态需要一组量子数描述原子中电子运动状态需要一组量子数主量子数主量子数 n=1,2,3,是决定能量的主要因素；是决定能量的主要因素；轨道角量子数轨道角量子数 l=0,1,2(n-1)n，l，ml，ms轨道磁量子数轨道磁量子数第四十四页，讲稿共八十一页哦二、电子的壳层分布二、电子的壳层分布一支壳层内电子可有一支壳层内电子可有(2l+1)2种量子态，种量子态，主量子数为主量子数为n的壳层可容纳的电子数为：的壳层可容纳的电子数为：同一个同一个n 组成一个组成一个壳层壳层（K,L,M,N

26、,）相同相同 n,l 组成一个组成一个支壳层支壳层（s,p,d,f,）电子是费米子，由泡利不相容原理电子是费米子，由泡利不相容原理自旋磁量子数自旋磁量子数第四十五页，讲稿共八十一页哦1945年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖获得者奖获得者 泡利泡利奥地利人奥地利人Wolfgang Pauli 1900 1958提出泡利不相容原理提出泡利不相容原理第四十六页，讲稿共八十一页哦能量最小原理：能量最小原理：电子优先占据最低能态电子优先占据最低能态32103d3p3s 2102p2s 101s ZeKLMn=1n=2n=3第四十七页，讲稿共八十一页哦3.6 X 射线射线1895年年11月月8日，伦琴日，伦

27、琴（Wilhelm C.Rntgen）在暗室做阴极射线管气体放电实验时，发现在在暗室做阴极射线管气体放电实验时，发现在一定距离外的荧光屏会发射微光。一定距离外的荧光屏会发射微光。经反复实验，经反复实验，确认这不是阴极射线所致。确认这不是阴极射线所致。他发现他发现此此神秘射线神秘射线是中性的，是中性的，以直线前进、以直线前进、并得到了他并得到了他夫人手指骨轮廓的照片。夫人手指骨轮廓的照片。有穿透性，有穿透性，第四十八页，讲稿共八十一页哦维也纳医院在外科中首次使用了维也纳医院在外科中首次使用了X 射线来拍片。射线来拍片。1895年底，他发表了年底，他发表了论新的射线论新的射线的报告，的报告，和夫人

28、手指骨的照片，和夫人手指骨的照片，引起强烈反响。引起强烈反响。三个月后，三个月后，德国人德国人Wilhelm C.Rntgen1845 1923发现发现 X 射线射线（1895）1901年诺贝尔物理学奖获年诺贝尔物理学奖获得者得者 伦琴伦琴第四十九页，讲稿共八十一页哦一、原子光谱的构成和一、原子光谱的构成和 X 射线发射谱射线发射谱光学线状谱：光学线状谱：（有周期性）（有周期性）价电子跃迁价电子跃迁红外红外紫外紫外 X 射射线谱线谱连续谱：连续谱：线状谱：线状谱：韧致辐射韧致辐射10-2102 内层内层电子电子跃迁跃迁（无周期性）（无周期性）：10-1 102 E：10-1 eV 101 eV

29、 E：103 eV 104 eV原原子子光光谱谱它与接下两年宣布的它与接下两年宣布的放射性放射性（1896）X 射线的发现，射线的发现，开始了物理学的新时期；开始了物理学的新时期；和电子的发和电子的发现现（1897）一起，一起，揭开了近代物理的序幕。揭开了近代物理的序幕。106103 ：第五十页，讲稿共八十一页哦 X 射线发射谱：射线发射谱：相相对对强强度度波长（波长（）不同的外加电压不同的外加电压相相对对强强度度波长（波长（）固定的外加电压固定的外加电压第五十一页，讲稿共八十一页哦二、二、X射线的连续谱射线的连续谱连续谱起源于连续谱起源于轫致辐射轫致辐射（bremsstrahlung）辐射强

30、度辐射强度电子受阻电子受阻 辐射辐射电子打重物质（电子打重物质（Z大）辐射强大）辐射强电子感应加速器：电子打电子感应加速器：电子打 W 靶产生硬靶产生硬 X 射线射线同方威视：电子直线加速器同方威视：电子直线加速器+探测器阵列探测器阵列-eZe高速电子高速电子m原子核原子核第五十二页，讲稿共八十一页哦 与靶元素无关与靶元素无关实验表明轫致辐射连续谱有下限波长：实验表明轫致辐射连续谱有下限波长：理论分析：理论分析：也可用来测也可用来测 h的存在是量子论正确性的又一例证。的存在是量子论正确性的又一例证。电子的动能全部转化为辐射能时，电子的动能全部转化为辐射能时，有有 1915年，年，Duane和和

31、Hunt用这种方法测出的用这种方法测出的h值值和光电效应的一致，说明了和光电效应的一致，说明了h的普适性。的普适性。第五十三页，讲稿共八十一页哦三、三、X射线的线状光谱射线的线状光谱 线线状状谱谱起起源源于于电电子子的的内内层层跃跃迁迁，它它的的位位置置由由元素决定，与电压元素决定，与电压 U 无关。无关。不同元素不同元素K，L系光谱不同系光谱不同 特征谱、标识谱特征谱、标识谱ZeKL M N OL系系K系系n=1n=2n=3第五十四页，讲稿共八十一页哦Z 该元素的原子序数该元素的原子序数 某元素发出的某元素发出的K 线的频率线的频率n=1n=2被电子打被电子打出的空穴出的空穴 ZeK 莫塞莱

32、莫塞莱（Moseley）定律：定律：莫塞莱定律用量子力学解释：莫塞莱定律用量子力学解释：第五十五页，讲稿共八十一页哦历史上就是用历史上就是用 莫塞莱公式莫塞莱公式 来测定元素来测定元素Z 的的,表上被颠倒了的位置。表上被颠倒了的位置。指出了指出了 Z=43,61,75（Tc，Pm，Re）这三个元素）这三个元素在周期表中的位置。在周期表中的位置。K 系只与元素本身有关，与化学结构无关，系只与元素本身有关，与化学结构无关，这更说明了这更说明了X 射线线状谱的射线线状谱的标识标识作用。作用。并纠正了并纠正了Ni28Co27与与在周期在周期第五十六页，讲稿共八十一页哦四四、X 射线的应用射线的应用 透

33、视、衍射、透视、衍射、CT、X 射线荧光分析射线荧光分析X 射线连续谱的应用射线连续谱的应用透视透视（医学、工业）（医学、工业）心脏起搏器的心脏起搏器的 X 光光照片（假彩色）照片（假彩色）起搏器起搏器心脏心脏 电线电线第五十七页，讲稿共八十一页哦 同同方方威威视视集集装装箱箱检检测测系系统统，用用高高能能X射射线线对对集集装箱进行透视。装箱进行透视。申报为毛毯，但检测表明实为小汽车。申报为毛毯，但检测表明实为小汽车。第五十八页，讲稿共八十一页哦申报为柚申报为柚木木藏有藏有象牙象牙第五十九页，讲稿共八十一页哦粒子激发粒子激发X射线荧光分析射线荧光分析（PIXE）Particle Induced

34、 X ray Emission特点：特点：以质子激发为例以质子激发为例 灵敏度高，灵敏度高，1 0.1 g/g，样品，样品 10 g 进行微区分析进行微区分析 mm m 无损，多元素同时分析，是表面分析。无损，多元素同时分析，是表面分析。由能量定成分（由能量定成分（Z），），由谱线强度定含量。由谱线强度定含量。p,轰击样品产生特征轰击样品产生特征 X 射线射线,能量能量原理：原理：第六十页，讲稿共八十一页哦质子荧光分析举例：质子荧光分析举例：越王勾践剑的分析越王勾践剑的分析勾践剑勾践剑1965年湖北江陵望山一号墓出土。年湖北江陵望山一号墓出土。同时出土的还有同时出土的还有辅剑辅剑（花纹同、无铭

35、文）。（花纹同、无铭文）。古剑宝库中的珍品，举世闻名。古剑宝库中的珍品，举世闻名。在地下埋藏了大约在地下埋藏了大约2500年（春秋战国时），年（春秋战国时），至今至今光华四射，锋利无比。光华四射，锋利无比。剑长剑长64.1cm，分析面积大，要求精度高，分析面积大，要求精度高，这两柄剑是我国这两柄剑是我国要确保无损。要确保无损。用用质子荧光分析质子荧光分析最合适。最合适。第六十一页，讲稿共八十一页哦Si(Li)探测器探测器放大放大 多道分析器多道分析器 样品样品剑上有黑色和黄色花纹剑上有黑色和黄色花纹分析各部分的成分、含量分析各部分的成分、含量质子束直径质子束直径：2 mm质质子子静静电电加加速

36、速器器第六十二页，讲稿共八十一页哦越王勾践剑黑花纹处的越王勾践剑黑花纹处的PIXE能谱能谱（质子能量（质子能量1.7MeV，束流强度约，束流强度约5nA，测量时间，测量时间10min）第六十三页，讲稿共八十一页哦用质子激发用质子激发X射线分析各部分成份射线分析各部分成份CuSnPbFeSAs剑刃剑刃80.318.80.40.4微微黑花纹黑花纹73.922.81.41.8微微微微剑格剑格41.542.66.13.75.9微微 Cu Sn-Pb合金合金 锋利锋利 剑柄硫璃层为钾钙玻璃剑柄硫璃层为钾钙玻璃 含铁量比铜少，硫化处理含铁量比铜少，硫化处理 防锈防锈第六十四页，讲稿共八十一页哦 激光激光又

37、名又名莱塞莱塞 （Laser），），它的全名是：它的全名是：（Light amplification by stimulated emission of radiation）“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”世界上第一台激光器诞生于世界上第一台激光器诞生于1960年。年。它们的基本原理都是基于它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦年爱因斯坦提出的受激辐射理论。提出的受激辐射理论。3.7 激光简介激光简介第六十五页，讲稿共八十一页哦一、受激辐射一、受激辐射（stimulated radiation）若若入入射射光光子子的的能能量量h 等等于于原原子子高高、低低能能级级的的能能量量差差

38、E2 E1、且且高高能能级级上上有有原原子子存存在在时时，入入射射光光子子的的电电磁磁场场就就会会诱诱发发原原子子从从高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级，级，同时放出一个与入射光子完全相同的光子同时放出一个与入射光子完全相同的光子h E2E1N2N1辐辐射射的的光光子子：频频率率、相相位位、振振动动方方向向和和传传播播方方向向相相同同的的光子。光子。光放大作用光放大作用第六十六页，讲稿共八十一页哦二、粒子数布居反转二、粒子数布居反转（population inversion）N2 N1 由大量原子组成的系统，在温度不太低的由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，平衡态，原子数目按能级的分布

39、服从原子数目按能级的分布服从玻耳兹玻耳兹曼统计分布：曼统计分布：粒子数布居反转粒子数布居反转第六十七页，讲稿共八十一页哦He Ne 气体激光器的粒子数反转：气体激光器的粒子数反转：He是辅助物质，是辅助物质，Ne是激活物质，是激活物质，之比为之比为5:1 10:1。（电子的碰撞使（电子的碰撞使He原子被原子被He与与 Ne激发的概率使比激发的概率使比Ne原子被激发的概率大）原子被激发的概率大）第六十八页，讲稿共八十一页哦电电子子碰碰撞撞跃跃迁迁碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳态受激受激辐射辐射粒子数粒子数布居反布居反转发布转发布与管壁碰撞发生与管壁碰撞发生无辐射跃迁无辐射跃迁0.6328 m1.1

40、5 m3.39 m红光红光红外红外第六十九页，讲稿共八十一页哦三、光学谐振腔三、光学谐振腔（optical harmonic oscillator）激励能源激励能源全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光 为了加强光放大，受激辐射光需要反复通过为了加强光放大，受激辐射光需要反复通过激活物质，激活物质，这就需要在激活物质两侧有两个反这就需要在激活物质两侧有两个反射镜，构成一个射镜，构成一个“光学谐振腔光学谐振腔”。第七十页，讲稿共八十一页哦 使使激激光光具具有有极极好好的的单单色色性（选频）性（选频）光光学学谐谐振振腔腔除除使使受受激激辐辐射射沿沿轴轴线线反反复复放放大大外外，还还有另一重要

41、作用：有另一重要作用：，光学谐振腔具有选频作用。，光学谐振腔具有选频作用。0 1.3 109 Hz 氦氦氖氖激激光光器器Ne原原子子的的0.6328 m（）受受激激辐辐射射光光的的谱谱线线宽宽度度为为而而HeNe激光器输出激光的激光器输出激光的 可达可达 。第七十一页，讲稿共八十一页哦某某时时刻刻A处处的的光光有有刚刚产产生生的的,也也有有来来回回反反射射一一次次、两次、两次、.的的,它们要产生干涉。它们要产生干涉。产生相长干涉才有输出产生相长干涉才有输出,条件是光程差为：条件是光程差为：可以存在的频率为：可以存在的频率为：输出输出LAn（折射率）（折射率）第七十二页，讲稿共八十一页哦 相邻两

42、种频率的间隔为相邻两种频率的间隔为 数量级估计：数量级估计：1m，n1.0第七十三页，讲稿共八十一页哦II0而氦氖激光器而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为：谱线的宽度为：因此，在因此，在 区间中，可以存在的频率种数为：区间中，可以存在的频率种数为：=1.3109 Hz通通过过缩缩短短腔腔长长和和控控制制反反射射镜镜膜膜厚厚等等手手段段可可使使输输出出频频率率数数减少。减少。第七十四页，讲稿共八十一页哦I区间中只存在一种频率。区间中只存在一种频率。则则 k要增大到要增大到10倍，倍，在在 区间中只可能存在区间中只可能存在例如，利用例如，利用缩短腔长缩短腔长来来加大加大 k，可以使，可以

43、使 一种频率。一种频率。如如上述上述HeNe激光器激光器 L从从 1m缩短到缩短到 0.1m，（但损失了光强）（但损失了光强）获得了线宽极窄的获得了线宽极窄的0.6328 m 谱线激光输出。谱线激光输出。极大地提高了单色性。极大地提高了单色性。第七十五页，讲稿共八十一页哦四、激光器的三个主要组成部分的作用四、激光器的三个主要组成部分的作用1、激活介质、激活介质 2、激励能源、激励能源 单色性。单色性。有合适的能级结构，有合适的能级结构，能实现粒子数反转。能实现粒子数反转。3、光学谐振腔、光学谐振腔保证光放大，保证光放大，使激光有良好的使激光有良好的方向性和方向性和使原子激发，维持粒子数反转。使

44、原子激发，维持粒子数反转。第七十六页，讲稿共八十一页哦五、激光的特点五、激光的特点1、相干性极好、相干性极好2、方向性极好、方向性极好3、亮度和强度极高、亮度和强度极高第七十七页，讲稿共八十一页哦神光神光-装置的两路激光系统装置的两路激光系统神光神光-装置的八路激光系统装置的八路激光系统 我国的激光核聚变装置我国的激光核聚变装置第七十八页，讲稿共八十一页哦 激光核聚变激光核聚变 这这是是激激光光NOVA靶靶室室，在在靶靶室室内内十十束束激激光光同同时时聚聚向向一一个个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。第七十九页，讲稿共八十一页哦高能激光（约高能激光（约5500 oC的高温）焊接硬质材料的高温）焊接硬质材料【演示演示】CO2 激光器激光器第八十页，讲稿共八十一页哦感谢大家观看第八十一页，讲稿共八十一页哦