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1、原子光谱与分子光谱第1页，本讲稿共27页氢放电管23 kV光阑全息干板 三棱镜（或光栅）光 源实验及氢原子的巴耳末线系照片实验及氢原子的巴耳末线系照片第2页，本讲稿共27页一一 氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性 1885 1885 年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律的规律 1890 1890 年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式波数波数 里德伯常量里德伯常量 第一节第一节 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论第3页，本讲稿共27页莱曼系莱曼系紫外紫外巴尔末系巴尔末系可见光可见光帕邢系帕邢系布喇开系布
2、喇开系普芬德系普芬德系汉弗莱系汉弗莱系红外红外第一节第一节 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论第4页，本讲稿共27页二二 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论（1 1）经典核模型的困难经典核模型的困难 根据经典电磁理论，电子绕核作根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波不断向外辐射电磁波.+原子不断地向外辐射能量，原子不断地向外辐射能量，能量逐渐减小，电子绕核旋转的能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，发射光谱应是频率也逐渐改变，发射光谱应是连续谱；连续谱；由于原子总能量减小，电子由于原子总能量减小，电子将逐渐的接近原子核而
3、后相遇，将逐渐的接近原子核而后相遇，原子不稳定原子不稳定.+第一节第一节 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论第5页，本讲稿共27页（2 2）玻尔的三个假设玻尔的三个假设 假设一假设一 电子在原子中，可以在一些电子在原子中，可以在一些特定特定的轨道上运动而的轨道上运动而不不辐射电磁波，这时原子处于辐射电磁波，这时原子处于稳定稳定状态（状态（定态定态），并具有一定），并具有一定的能量的能量.量子化条件量子化条件频率条件频率条件 假设二假设二 电子以速度电子以速度 在半径为在半径为 的圆周上绕核运的圆周上绕核运动时，只有电子的动时，只有电子的角动量角动量 等于等于 的的整数倍整数倍的那些的那些轨道是轨
4、道是稳定稳定的的.主主量子数量子数 假设三假设三 当原子从高能量当原子从高能量 的定态跃迁到低能量的定态跃迁到低能量的定态时，要发射频率为的定态时，要发射频率为 的光子的光子.第一节第一节 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论第6页，本讲稿共27页由假设由假设 2 量子化条件量子化条件由牛顿定律由牛顿定律,玻尔半径玻尔半径 氢原子能级公式氢原子能级公式第第 轨道电子总能量轨道电子总能量第一节第一节 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论第7页，本讲稿共27页（电离能）（电离能）基态基态能量能量激发态激发态能量能量 氢原子能级图氢原子能级图基态基态激激发发态态自自由由态态第一节第一节 氢原子的玻尔理论氢原
5、子的玻尔理论第8页，本讲稿共27页 玻尔理论对氢原子光谱的解释玻尔理论对氢原子光谱的解释氢氢原原子子能能级级跃跃迁迁与与光光谱谱系系莱曼系莱曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系（里德伯常量）（里德伯常量）第一节第一节 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论第9页，本讲稿共27页（1 1）正确地指出正确地指出原子能级原子能级的存在（原子能量量子化）；的存在（原子能量量子化）；（2 2）正确地指出正确地指出定态定态和和角动量量子化角动量量子化的概念；的概念；（3 3）正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；四四 氢原子玻尔理论的意义和困难氢原子玻尔理论的意义和困难
6、（4 4）无法解释无法解释比氢原子更复杂的原子；比氢原子更复杂的原子；（5 5）把微观粒子的运动视为有确定的把微观粒子的运动视为有确定的轨道轨道是不正确的；是不正确的；（6 6）是是半半经典经典半半量子量子理论，存在逻辑上的缺点，即把理论，存在逻辑上的缺点，即把 微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又 赋予它们量子化的特征赋予它们量子化的特征.第一节第一节 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论第10页，本讲稿共27页一一 氢原子氢原子球坐标的定态薛定谔方程球坐标的定态薛定谔方程第二节第二节 四个量子数四个量子数第11页，本讲稿共27页1.能量量子化能量
7、量子化 与主量子数与主量子数能量能量主量子数主量子数 n=1，2，3，电子云电子云电子在这些地方出现的电子在这些地方出现的概率最大概率最大电子云密度电子云密度 概率密度概率密度nlm2（r,）玻尔氢原子理论中，电子的轨道位置玻尔氢原子理论中，电子的轨道位置第二节第二节 四个量子数四个量子数第12页，本讲稿共27页2.角动量量子化与角量子数角动量量子化与角量子数 角量子数角量子数 l=0，1，2，,n-13.角动量空间量子化与磁量子数角动量空间量子化与磁量子数 电子绕核转动的角动量电子绕核转动的角动量 L 的大小的大小角动量角动量 L 的在外磁场方向的在外磁场方向Z 的投影的投影磁量子数磁量子数
8、 ml=0,1,2,l 第二节第二节 四个量子数四个量子数第13页，本讲稿共27页磁量子数磁量子数 ml=0,1,2L 在在 Z 方向的投影方向的投影zL 的大小的大小例如例如 l=2 电子角动量的大小及空间取向电子角动量的大小及空间取向？z第二节第二节 四个量子数四个量子数第14页，本讲稿共27页 电子自旋角动量大小电子自旋角动量大小 S 在外磁场方向的投影在外磁场方向的投影s 自旋量子数自旋量子数电子自旋角动量在电子自旋角动量在 外磁场中的取向外磁场中的取向自旋磁量子数自旋磁量子数 ms 取值个数为取值个数为 二二.电子自旋电子自旋(1925年乌伦贝克等年乌伦贝克等)ms=1/22s+1=
9、2则则 s=1/2，第二节第二节 四个量子数四个量子数第15页，本讲稿共27页三三.四个量子数四个量子数（表征电子的运动状态）（表征电子的运动状态）1.主量子数主量子数 n (1,2,3,)2.副量子数副量子数 l (0，1，2，.,n-1)3.磁量子数磁量子数 ml (0，1，2，.,l)4.自旋磁量子数自旋磁量子数 ms (1/2,-1/2)大体上决定了电子能量大体上决定了电子能量决定电子的轨道角动量大小，对能量也有稍许影响。决定电子的轨道角动量大小，对能量也有稍许影响。决定电子轨道角动量空间取向决定电子轨道角动量空间取向决定电子自旋角动量空间取向决定电子自旋角动量空间取向第二节第二节 四
10、个量子数四个量子数第16页，本讲稿共27页例例求求解解一群氢原子被外来单色光照射后发射的谱线中，在巴耳末系一群氢原子被外来单色光照射后发射的谱线中，在巴耳末系中只能观察到中只能观察到 3 条谱线条谱线（1）外来光的波长）外来光的波长（2）外来单色光子的能量）外来单色光子的能量（3）除巴耳末系的）除巴耳末系的3条谱线外还有几条谱线条谱线外还有几条谱线(1)(2)(3)除巴耳末系还可能的谱线除巴耳末系还可能的谱线（共（共7条）条）第二节第二节 四个量子数四个量子数第17页，本讲稿共27页 一一 自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射1 自发辐射自发辐射 原子在没有外界干预的情况下原子在没有外界干预的情
11、况下,电子会由处于激发电子会由处于激发态的高能级态的高能级 自动跃迁到低能级自动跃迁到低能级 ,这种跃迁称为自这种跃迁称为自发跃迁发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.发光前发光前.。发光后发光后自自发发辐辐射射第五节第五节 激光激光第19页，本讲稿共27页2 光吸收光吸收 原子吸收外来光子能量原子吸收外来光子能量 ,并从低能级并从低能级 跃迁跃迁到高能级到高能级 ,且且 ,这个过程称为光吸收这个过程称为光吸收.吸收后吸收后。.吸收前吸收前.受激吸收受激吸收第五节第五节 激光激光第20页，本讲稿共27页3 受激辐射受激辐射由受激辐射得到的放大了的光是
12、相干光由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光称之为激光.原子中处于高能级原子中处于高能级 的电子的电子,会在外来光子会在外来光子(其频率其频率恰好满足恰好满足 )的诱发下向低能级的诱发下向低能级 跃迁跃迁,并发并发出与外来光子一样特征的光子出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射这叫受激辐射.。发光前发光前 发光后发光后 受激辐射的光受激辐射的光放大示意图放大示意图第五节第五节 激光激光第21页，本讲稿共27页二二 激光原理激光原理1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布粒子数正常分布和粒子数布居反转分布 表明表明,处于低能级的电子数大于高能级的电处于低能级的电子数大于高能级的电子数子数
13、,这种分布叫做粒子数的正常分布这种分布叫做粒子数的正常分布.叫做粒叫做粒子数布居反转子数布居反转,简称粒子数反转或称布居反转简称粒子数反转或称布居反转.已知已知粒子数的正常分布粒子数的正常分布.。粒子数反转分布粒子数反转分布.。第五节第五节 激光激光第22页，本讲稿共27页 美国物理学家梅曼于美国物理学家梅曼于1960年年9月制成第一台红宝月制成第一台红宝石固体激光器石固体激光器.从外界输入能量（如光照从外界输入能量（如光照,放电等）放电等）,把低能级上的把低能级上的原子激发到高能级上去原子激发到高能级上去,这个过程叫做这个过程叫做激励激励（也叫泵浦）（也叫泵浦）.红宝石中铬离子能级示意图红宝
14、石中铬离子能级示意图.。基态基态亚稳态亚稳态激发态激发态第五节第五节 激光激光第23页，本讲稿共27页2 光学谐振腔光学谐振腔 激光的形成激光的形成 光在粒子数反转的工作物质中往返传播光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的使谐振腔内的光子数不断增加光子数不断增加,从而获得很强的光从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡这种现象叫做光振荡.加强光须满足加强光须满足驻波条件驻波条件.激光光束激光光束全反射镜全反射镜光学谐振腔示意图光学谐振腔示意图部分透光反射镜部分透光反射镜第五节第五节 激光激光第24页，本讲稿共27页三三 激光器激光器 1 氦氖气体激光器氦氖气体激光器 氦氖激光器氦氖激光器
15、全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜AK 输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等优点优点氦和氖的原子能级示意图氦和氖的原子能级示意图基态基态亚稳态亚稳态氦氦氖氖632.8nm123第五节第五节 激光激光第25页，本讲稿共27页2 红宝石激光器红宝石激光器 红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它发出的红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它发出的激光是脉冲激光，波长为激光是脉冲激光，波长为694.3nm.。全全反反射射镜镜半半透透射射镜镜红宝石棒红宝石棒。脉冲灯脉冲灯红宝石激光示意图红宝石激光示意图激光器发展的主要方面激光器发展的主
16、要方面 （1）扩展了激光）扩展了激光的波长范围的波长范围.（2）激光的功率）激光的功率大大提高大大提高.（3）激光器已能）激光器已能实现小型化实现小型化.第五节第五节 激光激光第26页，本讲稿共27页四四 激光器的特性和应用激光器的特性和应用1 方向性好方向性好 利用激光准直仪可使长为利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过的隧道掘进偏差不超过16nm.2 单色性好单色性好3 能量集中能量集中4 相干性好相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光发出的不是相干光,激光的发光过程是受激辐射激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光它发出的光是相干光.激光的激光的 单色性比普通光高单色性比普通光高 倍倍.第五节第五节 激光激光第27页，本讲稿共27页