第二章_原子的能级辐射.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,原 子 物 理 学,主讲人：阎占元,第二章 原子的能级和辐射,第二章 原子的能级和辐射,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！,2.1,光谱,-,研究原子结构的重要手段,1,光谱,摄谱仪：把按波长展开后的光谱摄成相片的仪器,光谱,:,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。,棱镜光谱仪,光栅光谱仪,光源,分光器（棱镜或光栅）,纪录仪（感光底片或光电纪录器）,2.1,光谱,-,研究原子结构的重要手段,按光谱结构分类,连续光谱,固体热辐射,线光谱,原子发光,2,光谱的分类,带光谱,分子发光,按光谱机制分类,发射光谱,样品光源,分光器,纪录仪,吸收光谱,连续光源,样品,分光器,纪录仪,光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息,2.2,氢原子的光谱和原子光谱,一氢原子光谱的线系,Balmer,经验公式,线系限,1.,巴尔末系,到,1885,年，已观察到,14,条谱线,（红外三个线系,）,帕邢系：,布喇开系：,普丰特系：,2.2,氢原子的光谱和原子光谱,2.H,原子光谱的其它线系,（远紫外）,赖曼系：,这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：,令：,光谱项,并合原则：,1890,年,Rydberg,用波数改写,:,氢原子的,Rydberg,常数,线系限：,2.2,氢原子的光谱和原子光谱,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,库仑力提供电子绕核运动的向心力：,原子体系的能量：,电子轨道运动的频率：,2.3,玻尔氢原子理论,2,经典理论的困难,!,原子稳定性,困难,:,电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径不断减小，最后落入核内，原子塌缩。,原子寿命,!,光谱分立性,困难,:,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。,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这样的微观客体上。,必须另辟蹊径！,2.3,玻尔氢原子理论,二、玻尔的基本假设,氢原子光谱的经验公式：,两边同乘 ：,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：,2.3,玻尔氢原子理论,玻尔基本假设,(1913,年,),(1),定态（,stationary state,）假设,电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电磁波，能量稳定。,电子轨道和能量分立,(2),跃迁（,transition,）假设,发射,原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收或发射能量。,频率条件,吸收,h,n,2.3,玻尔氢原子理论,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。,(3),角动量量子化假设,为保证定态假设中能量取不连续值，必须 取不连续值，如何做到？,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 的整数倍的轨道才能实际存在。,2.3,玻尔氢原子理论,三、关于氢原子的主要结果,1,、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,轨道量子化,2.3,玻尔氢原子理论,电子的轨道运动速度：,精细结构常数：,2,、量子化能量,能量的数值是分立的，能量量子化,2.3,玻尔氢原子理论,氢原子能级图,激发态,基态,自由态,基态,（,ground state,）,激发态,（,excited 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,玻尔氢原子理论,对氢原子,（理论值）,（实验值）,3,、氢原子光谱,2.3,玻尔氢原子理论,赖曼系,巴耳末系,帕邢系,电子轨道,2.3,玻尔氢原子理论,4,、非量子化轨道跃迁,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,在线系限的短波方向。,自由电子动能,2.3,玻尔氢原子理论,2.4,类氢离子及其光谱,毕克林线系（,1897,年）,1,类氢离子光谱,He,+,，,Li,2+,，,Be,3+,，,B,4+,，,Pickering,从星光中发现类巴耳末系,类氢离子,原子核外只有一个 电子的离子，但原子核带有,Z 1,的正电荷，,Z,不同代表不同的类氢体系。,实验值,核电荷,当,m=4,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。,氢气中掺杂氦，就可以得到毕克林系谱线。这些谱线是,He,+,发出的,n=5,6,7,.,就得到毕克林系谱线,Li2+,，,Be3+,的谱线系先后被观测到,2.4,类氢离子及其光谱,2,里德堡常数的变化,质心速度不变,质点,1,相对,2,的运动相当于固定,2,后质量为 的质点的运动。,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？,2.4,类氢离子及其光谱,类比以前的做法,2.4,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,The Nobel Prize in Physics 1922,for his services in the investigation of the,structure of atoms,and of the,radiation emanating,from them,N.Bohr(1885-1962),实验思想：,电子与原子的碰撞,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,2.,5,弗兰克赫兹实验,电子动能损失是分立的,原子内部能量量子化证据,1914,年,Franck,和,Hertz,电子,汞蒸汽原子 碰撞实验，实验直接而独立地证明了原子内部能级（能量的量子化）的 存在。,K,：热阴极，发射电子,KG,区：电子加速，与,Hg,原子碰撞,GA,区：电子减速，能量大于,0.5,eV,的电子可克服反向偏压，产生电流,电流突然下降时的电压相差都是,4.9V,，即，,KG,间的电压为,4.9V,的整数倍时，电流突然下降。,2.,5,弗兰克赫兹实验,结果分析：,结果分析表明：,汞原子的确有不连续的能级存在，而且,4.9eV,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？,在这个实验装置中，加速电子只要达到,4.9ev,，就被汞原子全部吸收了；因此不可能出现大于,4.9ev,能量以上的非弹性碰撞，故不能观察汞原子的更高激发态。,2.,5,弗兰克赫兹实验,当 ,4.68,，,4.9,，,5.29,，,5.78,，,6.73V,时，下降。,实验结果显示出原子内存在一系列的量子态。,加速区：,KG,1,碰撞区：,G,1,G,2,2.,5,弗兰克赫兹实验,改进的,夫兰克,-,赫兹实验,（,1920,）,J.Franck(1882-1964),G.Hertz(1887-1975),for their discovery of the,laws governing the impact of an electron upon an atom,The Nobel Prize in Physics 1925,2.,5,弗兰克赫兹实验,电离势的测定,2.6,量子化通则,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,或,索末菲等做了形式上推广,p,是广义动量,q,是广义坐标,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,量子化通则,2.7,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.,电子的椭圆轨道运动,问题的提出：高分辨光谱发现 由三条紧靠的谱线组成。,动量：,线动量,角动量,坐标：,r,原子的能量：,对每一坐标引用量子化条件，有：,n,r,称为径量子数,n,称为角量子数,根据角动量守恒，,P,不随,改变,电子的椭圆轨道运动,a,0,为玻尔半径,n,=,n,r,+,n,主量子数,*,轨道形状与量子数的关系,：,长半轴只决定于,n,，与,n,无关，所以,n,相同的轨道，长半轴相同,短半轴决定于,n,、,n,，,对同一,n,。若,n,不同，短半轴也不相同。,与玻尔圆形轨道理论完全相同，只与,n,有关,电子的椭圆轨道运动,对于同一,n,，,有几个,n,值呢？,当,n,=,0,时，,b=0,轨道变为直线，该情形不存在,。,当,n,=,n,时，,a=b,轨道为圆形，玻尔的圆形轨道。,因此，对于同一,n,，,n,和,n,r,取值为：,n,r,=n,-1,n,-2,n,-3,0,n,=1,2,3,n,n,=1,2,3,电子的椭圆轨道运动,例：,b=,a,0,/Z,a=a,0,/Z,n,=1,n,=,1,n,=2,n,=,2,1,b=2,a,0,/Z,a=4a,0,/Z,b=4,a,0,/Z,a=4a,0,/Z,电子的椭圆轨道运动,n,=3,n,=,2,1,b=3,a,1,/Z,a=9a,1,/Z,b=6,a,1,/Z,a=9a,1,/Z,3,b=9,a,1,/Z,a=9a,1,/Z,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,2.,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,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，而是连续的进动。,一个电子轨道的进动,2.7,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,展成级数形式得：,2.7,电子的椭圆轨道运动与相对论修正,例：计算,H,原子,n=4,的能级由相对论效应引起的能级分裂,解：,n,=1,2,3,4,计算结果表明系统的总能量不仅与,n,有关，而且还与椭圆的角动量有关,(,不同的偏心率椭圆对应有不同的角动量,),。,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,电子的椭圆轨道运动与相对论修正,2.8,对应原理 玻尔理论的地位,1.,对应原理,对应原理是物理学发展中的一个重要原理,1906,年，普朗克指出：,h-0,的极限情况下，量子物理可还原为经典物理。,1913,年，玻尔氢原子理论建立过程中，尽量少修改经典理论，看什么情况下才必须用量子理论来克服困境。,1920,年，提出对应原理：,在大量子数,n-,的极限条件下，量子规律趋向经典规律，得到一致的结果。,例：氢原子理论结果符合对应原理的要求,两能级差：,能级趋于连续，量子化特性消失。,2.8,对应原理 玻尔理论的地位,m-n,=1,当,n,很大时：,当,n,很大时,，相邻两个能级的跃迁频率：,电子的轨道运动频率：,代入上式得：,当,n,很大时，量子与经典理论相符。,2.,玻尔理论成就,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,2.8,对应原理 玻尔理论的地位,3.,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，但加速电子在定态上却不发射电磁波？,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？！,2.8,对应原理 玻尔理论的地位,一 自发辐射 受激辐射,1,自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁,.,由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射,.,.,发光前,.,。,发光后,自发辐射,2.9.,激光原理,2,光吸收,原子吸收外来光子能量,并从低能级 跃迁到高能级,且,这个过程称为光吸收,.,吸收后,。,.,吸收前,.,2.9.,激光原理,3,受激辐射,由,受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光,.,原子中处于高能级 的电子,会在外来光子,(,其频率恰好满足,),的诱发下向低能级 跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射,.,.,.,。,发光前 发光后,受激辐射的光放大示意图,2.9.,激光原理,二 激光原理,1,粒子数正常分布和粒子数反转分布,表明,处于低能级的电子数大于高能级的电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布,.,叫做粒子数反转,.,已知,粒子数的正常分布,.,.,.,.,.,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,粒子数反转分布,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,。,。,。,。,。,2.9.,激光原理,三 激光器,1,氦氖气体激光器,输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等优点,氦和氖的原子能级示意图,基态,激发,氦,氖,632.8nm,3s,3p,5s,2.9.,激光原理,2,光学谐振腔 激光的形成,光,在,粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡,.,2.9.,激光原理,四 激光器的特性和应用,1,方向性好,利用激光准直仪可使长为,2.5km,的隧道掘进偏差不超过,16nm.,2,单色性好,3,相干性好,普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光,激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光,.,激光的 单色性比普通光高 倍,.,激光器的种类和原理,2.9.,激光原理,氦,-,氖激光器,染料激光器,P-N,激光,器,高能激光武器,低能激光武器,固体激光器,激光制导,激光通讯,.,激光测距,打孔,