第二章_原子的能级辐射.ppt

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1、原原 子子 物物 理理 学学主讲人：阎占元主讲人：阎占元第二章第二章 原子的能级和辐射原子的能级和辐射第二章第二章 原子的能级和辐射原子的能级和辐射原子核外面的电子有什么性质？原子核外面的电子有什么性质？核外电子的状态和光谱有关系！核外电子的状态和光谱有关系！2.1 光谱光谱-研究原子结构的重要手段研究原子结构的重要手段1光谱光谱摄谱仪：把按波长展开后摄谱仪：把按波长展开后的光谱摄成相片的仪器的光谱摄成相片的仪器光谱光谱:各种波长的光的强度随波长或频率的分布情况各种波长的光的强度随波长或频率的分布情况光谱仪：将混合光按不同波长成分展开成光谱的仪器。光谱仪：将混合光按不同波长成分展开成光谱的仪器

2、。棱镜光谱仪棱镜光谱仪光栅光谱仪光栅光谱仪光源光源光源光源分光器（棱镜或光栅）分光器（棱镜或光栅）分光器（棱镜或光栅）分光器（棱镜或光栅）纪录仪纪录仪纪录仪纪录仪（感光（感光（感光（感光底片或底片或底片或底片或光电纪光电纪光电纪光电纪录器）录器）录器）录器）2.1 2.1 光谱光谱-研究原子结构的重要手段研究原子结构的重要手段按光谱结构分类按光谱结构分类按光谱结构分类按光谱结构分类连续光谱连续光谱连续光谱连续光谱固体热辐射固体热辐射固体热辐射固体热辐射线光谱线光谱线光谱线光谱原子发光原子发光原子发光原子发光2光谱的分类光谱的分类带光谱带光谱带光谱带光谱分子发光分子发光分子发光分子发光按光谱机制

3、分类按光谱机制分类按光谱机制分类按光谱机制分类发射光谱发射光谱发射光谱发射光谱样品光源样品光源样品光源样品光源分光器分光器分光器分光器纪录仪纪录仪纪录仪纪录仪吸收光谱吸收光谱吸收光谱吸收光谱连续光源连续光源连续光源连续光源样品样品样品样品分光器分光器分光器分光器纪录仪纪录仪纪录仪纪录仪光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息2.22.2氢原子的光谱和原子光谱氢原子的光谱和原子光谱一氢原子光谱的线系一氢原子光谱的线系BalmerBalmer经验公式经验公式经验公式经验公式线系限

4、1.巴尔末系巴尔末系到到1885年，已观察到年，已观察到14条谱线条谱线（红外三个线系（红外三个线系（红外三个线系（红外三个线系）帕邢系：帕邢系：帕邢系：帕邢系：布喇开系：布喇开系：布喇开系：布喇开系：普丰特系：普丰特系：普丰特系：普丰特系：2.22.2氢原子的光谱和原子光谱氢原子的光谱和原子光谱2.H2.H2.H2.H原子光谱的其它线系原子光谱的其它线系原子光谱的其它线系原子光谱的其它线系（远紫外）（远紫外）（远紫外）（远紫外）赖曼系：赖曼系：赖曼系：赖曼系：这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性？这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性？这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性？这

5、些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性？线系的一般表示：线系的一般表示：线系的一般表示：线系的一般表示：令：令：令：令：光谱项光谱项光谱项光谱项并合原则：并合原则：并合原则：并合原则：1890189018901890年年年年RydbergRydbergRydbergRydberg用波数改写用波数改写用波数改写用波数改写:氢原子的氢原子的氢原子的氢原子的RydbergRydbergRydbergRydberg常数常数常数常数线系限：线系限：线系限：线系限：2.22.2氢原子的光谱和原子光谱氢原子的光谱和原子光谱一、经典理论的困难一、经典理论的困难1 经典理论（行星模型）对原子体系的描述经典理论

6、（行星模型）对原子体系的描述库仑力提供电子绕核运动的向心力：库仑力提供电子绕核运动的向心力：原子体系的能量：原子体系的能量：电子轨道运动的频率：电子轨道运动的频率：2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论2 经典理论的困难经典理论的困难!原子稳定性原子稳定性困难困难:电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径不断减小，最后落入核内，原子塌缩。不断减小，最后落入核内，原子塌缩。原子寿命原子寿命!光谱分立性光谱分立性困难困难:电子绕核运动频率电子绕核运动频率电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。电磁波频率等于电子回转频率，发射光

7、谱为连续谱。描述宏观物体运动规律的经典理论描述宏观物体运动规律的经典理论,不能随意地推广到原子不能随意地推广到原子这样的微观客体上。这样的微观客体上。必须另辟蹊径！必须另辟蹊径！2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论二、玻尔的基本假设二、玻尔的基本假设氢原子光谱的经验公式：氢原子光谱的经验公式：两边同乘 ：右边右边右边右边为能量，应该是原子在辐射前后的能量之差原子能量的一般表示：初期量子理论：初期量子理论：2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论玻尔基本假设玻尔基本假设(1913年年)(1)(1)定态（定态（定态（定态（stationary statestationary state

8、）假设）假设）假设）假设电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电磁波，能量稳定。磁波，能量稳定。磁波，能量稳定。磁波，能量稳定。电子轨道和能量分立电子轨道和能量分立电子轨道和能量分立电子轨道和能量分立(2)(2)跃迁（跃迁（跃迁（跃迁（transitiontransition）假设）假设）假设）假设发射发射发射发射原子在不同定态之间跃迁，以电磁原子在不同定态之间跃迁，以电磁原子在不同定态之间跃迁，以电磁原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收

9、或发射能量。辐射形式吸收或发射能量。辐射形式吸收或发射能量。辐射形式吸收或发射能量。频率条件频率条件频率条件频率条件吸收吸收吸收吸收hn2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论一个硬性的规定常常是在建立一个新理一个硬性的规定常常是在建立一个新理论开始时所必须的。论开始时所必须的。(3)(3)角动量量子化假角动量量子化假角动量量子化假角动量量子化假设设设设 为保证定态假设中能量取不连续值，必须为保证定态假设中能量取不连续值，必须 取不连续值，取不连续值，如何做到？如何做到？玻尔认为：符合经典力学的一切可能轨道中，只有玻尔认为：符合经典力学的一切可能轨道中，只有那些角动量为那些角动量为 的整数

10、倍的轨道才能实际存在。的整数倍的轨道才能实际存在。2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论三、关于氢原子的主要结果三、关于氢原子的主要结果1 1、量子化轨道半径、量子化轨道半径圆周运动：电子定态轨道角动量满足量子化条件：氢原子玻尔半径氢原子玻尔半径氢原子玻尔半径氢原子玻尔半径轨道量子化轨道量子化轨道量子化轨道量子化2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论电子的轨道运动速度：精细结构常数：精细结构常数：精细结构常数：精细结构常数：2 2、量子化能量、量子化能量能量的数值是分立的，能量量子化2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论 氢原子能级图氢原子能级图激激发发态态基态基态自自由由态

11、态基态基态基态基态（ground stateground state）激发态激发态激发态激发态（excited stateexcited state）电离能：将一个基态电子电离至少需要的能量。对氢,13.59eV.2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论对氢原子对氢原子对氢原子对氢原子（理论值）（理论值）（理论值）（理论值）（实验值）（实验值）（实验值）（实验值）3 3、氢原子光谱、氢原子光谱2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论赖曼系赖曼系赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系帕邢系帕邢系电子轨道电子轨道电子轨道电子轨道2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论

12、4 4、非量子化轨道跃迁、非量子化轨道跃迁连续谱的形成连续谱的形成 连续谱是由自由电子与氢离子结合形成氢原子时连续谱是由自由电子与氢离子结合形成氢原子时产生的光谱。产生的光谱。俘获前：俘获后：电子处于氢原子某一能量状态，减少的能量以光子的形式辐射，频率连续分布频率连续分布频率连续分布频率连续分布,在线系在线系在线系在线系限的短波方向。限的短波方向。限的短波方向。限的短波方向。自由电子动能2.3 2.3 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论2.4 2.4 类氢离子及其光谱类氢离子及其光谱毕克林线系（毕克林线系（毕克林线系（毕克林线系（18971897年）年）年）年）1 1类氢离子光谱类氢离子光谱类氢离子

13、光谱类氢离子光谱HeHe+，LiLi2+2+，BeBe3+3+，B B4+4+，PickeringPickering从星光中发现类巴耳末系从星光中发现类巴耳末系从星光中发现类巴耳末系从星光中发现类巴耳末系类氢离子类氢离子类氢离子类氢离子原子核外只有一个原子核外只有一个原子核外只有一个原子核外只有一个 电子的离子，但原子核带有电子的离子，但原子核带有电子的离子，但原子核带有电子的离子，但原子核带有Z 1Z 1的正电荷，的正电荷，的正电荷，的正电荷，Z Z不同代表不同的类氢体系。不同代表不同的类氢体系。不同代表不同的类氢体系。不同代表不同的类氢体系。实验值实验值实验值实验值核电荷核电荷当当m=4

14、m=4 时，时，类氢离子光谱的正确解释，是玻尔理论被接受的一个关键问题。类氢离子光谱的正确解释，是玻尔理论被接受的一个关键问题。氢气中掺杂氦，就可以得到毕克林系谱线。这些谱线是氢气中掺杂氦，就可以得到毕克林系谱线。这些谱线是氢气中掺杂氦，就可以得到毕克林系谱线。这些谱线是氢气中掺杂氦，就可以得到毕克林系谱线。这些谱线是HeHe+发出的发出的发出的发出的 n=5,6,7,.n=5,6,7,.就得到毕克林系谱线就得到毕克林系谱线就得到毕克林系谱线就得到毕克林系谱线Li2+Li2+，Be3+Be3+的谱线系先后被观测到的谱线系先后被观测到的谱线系先后被观测到的谱线系先后被观测到 2.4 2.4 类氢

15、离子及其光谱类氢离子及其光谱2 2里德堡常数的变化里德堡常数的变化里德堡常数的变化里德堡常数的变化质心速度不变质心速度不变质心速度不变质心速度不变质点质点质点质点1 1相对相对相对相对2 2的运动相当于固定的运动相当于固定的运动相当于固定的运动相当于固定2 2后质量为后质量为后质量为后质量为 的质点的运动。的质点的运动。的质点的运动。的质点的运动。原子核质量有限带来的修正原子核质量有限带来的修正原子核质量有限带来的修正原子核质量有限带来的修正 毕克林系谱线为什么和巴耳末系谱线不重合？毕克林系谱线为什么和巴耳末系谱线不重合？毕克林系谱线为什么和巴耳末系谱线不重合？毕克林系谱线为什么和巴耳末系谱线

16、不重合？2.4 2.4 类氢离子及其光谱类氢离子及其光谱类比以前的做法类比以前的做法类比以前的做法类比以前的做法2.4 2.4 类氢离子及其光谱类氢离子及其光谱玻尔理论解释了原子光谱分立性和原子的稳定性玻尔理论解释了原子光谱分立性和原子的稳定性玻尔理论解释了原子光谱分立性和原子的稳定性玻尔理论解释了原子光谱分立性和原子的稳定性The Nobel Prize in Physics 1922The Nobel Prize in Physics 1922for his services in the investigation of for his services in the investiga

17、tion of the the structure of atomsstructure of atoms and of the and of the radiation emanatingradiation emanating from them from themN.Bohr N.Bohr(1885-(1885-1962)1962)实验思想：实验思想：实验思想：实验思想：电子与原子的碰撞电子与原子的碰撞电子与原子的碰撞电子与原子的碰撞非弹性碰撞：非弹性碰撞：非弹性碰撞：非弹性碰撞：电子失去一部分或全部动能，转化为原子内部能量，使原子激发或电离。原子能级是分立的原子能级是分立的原子能级是分立的

18、原子能级是分立的2.2.5 5弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验电子动能损失是分立的电子动能损失是分立的电子动能损失是分立的电子动能损失是分立的原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据19141914年年年年FranckFranck和和和和Hertz Hertz 电子电子电子电子汞蒸汽原子汞蒸汽原子汞蒸汽原子汞蒸汽原子 碰撞碰撞碰撞碰撞实验，实验直接而独立地证明了原子内部能级实验，实验直接而独立地证明了原子内部能级实验，实验直接而独立地证明了原子内部能级实验，实验直接而独立地证明了原子内部能级（能量的量子化）的（能量的量子化）的（能量的量子化）的（能量

19、的量子化）的 存在。存在。存在。存在。KK：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子KGKG区：电子加速，与区：电子加速，与区：电子加速，与区：电子加速，与HgHg原原原原子碰撞子碰撞子碰撞子碰撞GAGA区：电子减速，能量大区：电子减速，能量大区：电子减速，能量大区：电子减速，能量大于于于于0.5 0.5 eVeV的电子可克服反向的电子可克服反向的电子可克服反向的电子可克服反向偏压，产生电流偏压，产生电流偏压，产生电流偏压，产生电流电流突然下降时的电压相差电流突然下降时的电压相差都是都是4.9V，即，即，KG间的电压间的电压为为4.9V的整数倍时，电流突的整数倍时

20、，电流突然下降。然下降。2.2.5 5弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验结果分析：结果分析：结果分析：结果分析：结果分析表明：结果分析表明：汞原子的确有不连续的能级汞原子的确有不连续的能级存在，而且存在，而且4.9eV为汞原子的第一激发电位。为汞原子的第一激发电位。为什么更高的激发态未能得到激发？为什么更高的激发态未能得到激发？为什么更高的激发态未能得到激发？为什么更高的激发态未能得到激发？在这个实验装置中，加速电子只要达到在这个实验装置中，加速电子只要达到4.9ev4.9ev，就被汞原子，就被汞原子全部吸收了；因此不可能出现大于全部吸收了；因此不可能出现大于4.9ev4.9ev能量以上的非弹性能量

21、以上的非弹性碰撞，故不能观察汞原子的更高激发态。碰撞，故不能观察汞原子的更高激发态。2.2.5 5弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验当当 4.68，4.9，5.29，5.78，6.73V时，时，下降。下降。实验结果显示出原子内存在一系列的量子态。实验结果显示出原子内存在一系列的量子态。加速区：加速区：加速区：加速区：KGKG1 1碰撞区：碰撞区：碰撞区：碰撞区：GG1 1GG2 22.2.5 5弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验改进的改进的夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验（19201920）J.Franck J.Franck(1882-1964)(1882-1964)G.Hertz G.Hertz(1887

22、-(1887-1975)1975)for their discovery of the for their discovery of the laws laws governing the impact of an electron governing the impact of an electron upon an atomupon an atom The Nobel Prize in Physics 1925The Nobel Prize in Physics 19252.2.5 5弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验电离势的测定电离势的测定2.6 2.6 量子化通则量子化通则玻尔的量子化条件可

23、以这样理解：玻尔的量子化条件可以这样理解：一个周期内动量和位移的乘积或角动量和角位移的乘积一个周期内动量和位移的乘积或角动量和角位移的乘积 或或索末菲等做了形式上推广索末菲等做了形式上推广p是广义动量是广义动量,q是广义坐标是广义坐标,积分是对一个周期的积分积分是对一个周期的积分例1:玻尔量子化可由量子化通则得到对氢原子,电子轨道角动量是守恒量,例2:普朗克能量量子化可由量子化通则得到谐振子坐标:动量:谐振子能量:得:2.6 2.6 量子化通则量子化通则2.7 2.7 电子的椭圆轨道运动与相对论修正电子的椭圆轨道运动与相对论修正1916年,索末非考虑了更一般的椭圆轨道运动情形.1.1.电子的椭

24、圆轨道运动电子的椭圆轨道运动问题的提出：高分辨光谱发现问题的提出：高分辨光谱发现 由三条紧靠的谱线组成。由三条紧靠的谱线组成。动量：动量：动量：动量：线动量线动量角动量角动量 坐标：坐标：坐标：坐标：r r r r原子的能量：原子的能量：原子的能量：原子的能量：对每一坐标引用量子化条件，有：对每一坐标引用量子化条件，有：n nr r称为径量子数称为径量子数称为径量子数称为径量子数n n 称为角量子数称为角量子数称为角量子数称为角量子数根据角动量守恒，根据角动量守恒，P不随不随 改变改变电子的椭圆轨道运动电子的椭圆轨道运动a0为玻尔半径为玻尔半径n=nr+n 主量子数主量子数*轨道形状与量子数的

25、关系轨道形状与量子数的关系：长半轴只决定于长半轴只决定于n，与，与n无关，所以无关，所以n相同的轨道，长半轴相同相同的轨道，长半轴相同短半轴决定于短半轴决定于n、n，对同一对同一n。若。若n不同，短半轴也不相同。不同，短半轴也不相同。与玻尔圆形轨道理论完全相同，只与与玻尔圆形轨道理论完全相同，只与与玻尔圆形轨道理论完全相同，只与与玻尔圆形轨道理论完全相同，只与n n有关有关有关有关电子的椭圆轨道运动电子的椭圆轨道运动对于同一对于同一n，有几个有几个n值呢？值呢？当当n=0 0时，时，b=0,b=0,轨道变为直线，该情形不存在轨道变为直线，该情形不存在。当当n=n时，时，a=b,轨道为圆形，玻尔

26、的圆形轨道。轨道为圆形，玻尔的圆形轨道。因此，对于同一因此，对于同一n，n和和nr取值为：取值为：nr=n-1,n-2,n-3,0n=1,2,3 nn=1,2,3 电子的椭圆轨道运动电子的椭圆轨道运动例：例：b=b=a a0 0/Z/Za=aa=a0 0/Z/Zn=1,n n=1 1n=2,n n=2 21 1b=2b=2a a0 0/Z/Za=4aa=4a0 0/Z/Zb=4b=4a a0 0/Z/Za=4aa=4a0 0/Z/Z电子的椭圆轨道运动电子的椭圆轨道运动n=3,n n=2 21 1b=3b=3a a1 1/Z/Za=9aa=9a1 1/Z/Zb=6b=6a a1 1/Z/Za=9

27、aa=9a1 1/Z/Z3 3b=9b=9a a1 1/Z/Za=9aa=9a1 1/Z/Z原子核处于圆形轨道圆心，每个椭圆轨道一个焦点上。原子核处于圆形轨道圆心，每个椭圆轨道一个焦点上。原子核处于圆形轨道圆心，每个椭圆轨道一个焦点上。原子核处于圆形轨道圆心，每个椭圆轨道一个焦点上。电子的椭圆轨道运动电子的椭圆轨道运动2.2.相对论修正相对论修正按相对论原理，物体质量随它的运动速度而改变：物体动能：2.7 2.7 电子的椭圆轨道运动与相对论修正电子的椭圆轨道运动与相对论修正椭圆轨道运动时电子的轨道不是闭合的，椭圆轨道运动时电子的轨道不是闭合的，而是连续的进动。而是连续的进动。一个电子轨道的进动

28、2.7 2.7 电子的椭圆轨道运动与相对论修正电子的椭圆轨道运动与相对论修正对椭圆轨道相对论修正对椭圆轨道相对论修正展成级数形式得：2.7 2.7 电子的椭圆轨道运动与相对论修正电子的椭圆轨道运动与相对论修正例：计算例：计算例：计算例：计算HH原子原子原子原子n=4n=4的能级由相对论效应引起的能级分裂的能级由相对论效应引起的能级分裂的能级由相对论效应引起的能级分裂的能级由相对论效应引起的能级分裂解：解：解：解：n n=1,2,3,4=1,2,3,4计算结果表明系统的总能量不仅与计算结果表明系统的总能量不仅与n n有关，而且还与椭有关，而且还与椭圆的角动量有关圆的角动量有关(不同的偏心率椭圆对

29、应有不同的角动不同的偏心率椭圆对应有不同的角动量量)。巧合地解释了 的三条谱线更高分辨光谱发现 由5条紧靠的谱线组成。2.7 2.7 电子的椭圆轨道运动与相对论修正电子的椭圆轨道运动与相对论修正2.82.8对应原理对应原理 玻尔理论的地位玻尔理论的地位1.1.对应原理对应原理对应原理是物理学发展中的一个重要原理对应原理是物理学发展中的一个重要原理19061906年，普朗克指出：年，普朗克指出：h-0h-0的极限情况下，量子的极限情况下，量子物理可还原为经典物理。物理可还原为经典物理。19131913年，玻尔氢原子理论建立过程中，尽量少年，玻尔氢原子理论建立过程中，尽量少修改经典理论，看什么情况

30、下才必须用量子理修改经典理论，看什么情况下才必须用量子理论来克服困境。论来克服困境。19201920年，提出对应原理：年，提出对应原理：在大在大量子数量子数n-n-的极限条件下，量子规律趋向经的极限条件下，量子规律趋向经典规律，得到一致的结果。典规律，得到一致的结果。例：氢原子理论结果符合对应原理的要求例：氢原子理论结果符合对应原理的要求两能级差：两能级差：能级趋于连续，量子化特性消失。能级趋于连续，量子化特性消失。2.82.8对应原理对应原理 玻尔理论的地位玻尔理论的地位 m-nm-n=1,=1,当当n n很大时：很大时：当当n n很大时很大时，相邻两个能级的跃迁频率：，相邻两个能级的跃迁频

31、率：电子的轨道运动频率：电子的轨道运动频率：代入上式得：代入上式得：当当n n很大时，量子与经典理论相符。很大时，量子与经典理论相符。2.2.玻尔理论成就玻尔理论成就提出了微观体系特有的量子规律，如能量提出了微观体系特有的量子规律，如能量量子化、角动量量子化，频率条件等，启量子化、角动量量子化，频率条件等，启发了原子物理向前发展的途径。发了原子物理向前发展的途径。提出了动态的原子结构轮廓；提出了经典理提出了动态的原子结构轮廓；提出了经典理论有的不适用于原子内部论有的不适用于原子内部第一次把光谱的实验事实纳入一个理论体系中第一次把光谱的实验事实纳入一个理论体系中2.82.8对应原理对应原理 玻尔

32、理论的地位玻尔理论的地位3.3.玻尔理论的困难玻尔理论的困难由于没有抛弃经典理论框架，不可避免地导致了由于没有抛弃经典理论框架，不可避免地导致了理论的先天性缺陷。理论的先天性缺陷。为什么电子与原子核遵守库仑定律，但加速电子在为什么电子与原子核遵守库仑定律，但加速电子在定态上却不发射电磁波？定态上却不发射电磁波？谱线强度？偏振？选择定则？等；谱线强度？偏振？选择定则？等；为什么不能推广至仅比氢多一个电子的氦原子？！为什么不能推广至仅比氢多一个电子的氦原子？！2.82.8对应原理对应原理 玻尔理论的地位玻尔理论的地位 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

33、的情况下原子在没有外界干预的情况下,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2.9.2.9.激光原理激光原理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.2.9.2.9.激光原理激光原理3 受激辐射受激辐射由由受激辐射得到的放大了的光是相干光受激辐

34、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,并并发出与外来光子一样特征的光子发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2.9.2.9.激光原理激光原理二二 激光原理激光原理1 粒子数正常分布和粒子数反转分布粒子数正常分布和粒子数反转分布 表明表明,处于低能级的电子数大于高能级的处于低能级的电子数大于高能级的电子数电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布这种分

35、布叫做粒子数的正常分布.叫叫做粒子数反转做粒子数反转.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.。2.9.2.9.激光原理激光原理三三 激光器激光器 1 氦氖气体激光器氦氖气体激光器 输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等优点低等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 激发激发氦氦氖氖632.8nm3s3p 5s2.9.2.9.激光原理激光原理2 光学谐振腔光学谐振腔 激光的形成激光的形成 光光在在粒子数反转的工作物质中往返传播粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔使谐振腔内的光子数不断增

36、加内的光子数不断增加,从而获得很强的光从而获得很强的光,这种现象叫做这种现象叫做光振荡光振荡.2.9.2.9.激光原理激光原理四四 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的隧道掘进偏差的隧道掘进偏差不超过不超过16nm.2 单色性好单色性好3 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,发出的不是相发出的不是相干光干光,激光的发光过程是受激辐射激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是它发出的光是相干光相干光.激光的激光的 单色性比普通光高单色性比普通光高 倍倍.激光器的种类和原理激光器的种类和原理2.9.2.9.激光原理激光原理氦氦氦氦-氖激光器氖激光器氖激光器氖激光器染料激光器染料激光器染料激光器染料激光器P-N P-N P-N P-N 激光激光激光激光器器器器 高能激光武器高能激光武器高能激光武器高能激光武器低能激光武器低能激光武器低能激光武器低能激光武器固体激光器固体激光器固体激光器固体激光器激光制导激光制导激光制导激光制导激光通讯激光通讯激光通讯激光通讯.激光测距激光测距激光测距激光测距打孔打孔打孔打孔