第二章-原子的能级和辐射.pptx

第二章第二章 原子的能级和辐射原子的能级和辐射教学内容：教学内容：1 1、背景知识、背景知识2 2、玻尔模型、玻尔模型3 3、实验验证之一：光谱、实验验证之一：光谱4 4、实验验证之二、实验验证之二:夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验教学重点：教学重点：玻尔模型，玻尔模型，光谱光谱.1.1背景知识背景知识 经典力学、经典力学、经典力学、经典力学、经典电磁电磁场理论、经典电磁电磁场理论、经典电磁电磁场理论、经典电磁电磁场理论、经典统计力学经典统计力学经典统计力学经典统计力学（1 1）“紫外灾难紫外灾难”，经典理论得出的瑞利金斯公，经典理论得出的瑞利金斯公 式，在高频部分趋无穷。式，在高频部分趋无穷。2 2）“以太漂移以太漂移”，迈克尔逊莫雷实验表明，不，迈克尔逊莫雷实验表明，不存在以太。存在以太。在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云不安的乌云不安的乌云不安的乌云 两大困惑：两大困惑：“夸克禁闭夸克禁闭”和和“对称性对称性破缺破缺 一、量子假说根据之一：黑体辐射一、量子假说根据之一：黑体辐射黑体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体。黑体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体。且只与温度有关，而和材料及表面状态无关且只与温度有关，而和材料及表面状态无关 。1 1、基尔霍夫定律任何物体的辐射、基尔霍夫定律任何物体的辐射在同一温度下的辐射本领和吸收本在同一温度下的辐射本领和吸收本领成正比领成正比问题：在实验中如何测能量谱密度问题：在实验中如何测能量谱密度（，T T）2 2、斯特藩定律黑体辐射的总本领与它的绝对、斯特藩定律黑体辐射的总本领与它的绝对温度的四次方成正比温度的四次方成正比维恩定律辐射能量分布定律维恩定律辐射能量分布定律 维恩位移律维恩位移律 4 4、瑞利金斯定律和紫外灾难、瑞利金斯定律和紫外灾难 从经典能量按自由度均分定律从经典能量按自由度均分定律、普朗克的量子假说、普朗克的量子假说 对一定频率的电磁波，物体只能以对一定频率的电磁波，物体只能以 h h 为单位为单位吸收或发射它，即吸收或发射电磁波只能以吸收或发射它，即吸收或发射电磁波只能以“量量子子”方式进行，每一份能量方式进行，每一份能量 叫一能量子。叫一能量子。h=6.62607551034 Js 二、量子假说根据之二：光电效应二、量子假说根据之二：光电效应（一）（一）光电效应的实验规律光电效应的实验规律、截止频率或红限频率、截止频率或红限频率、遏止电势与入射光强、遏止电势与入射光强无关光电子的最大能量与无关光电子的最大能量与光强无关光强无关 OV0o只只有有当当入入射射光光频频率率 大大于于一一定定的的频频率率 o o时时，才才会会产产生生光光电效应电效应 3 3 3 3、驰豫时间当、驰豫时间当、驰豫时间当、驰豫时间当 o o o o，光一照上，几乎立刻（光一照上，几乎立刻（光一照上，几乎立刻（光一照上，几乎立刻（101010mnm，可得到同一线系中各，可得到同一线系中各光谱的波数值。光谱的波数值。（3 3）改变公式中的）改变公式中的m m值，就可得到不同的线系。值，就可得到不同的线系。（六）光谱项，并合原则光谱项，并合原则 里德伯公式准确地表述了氢原子光谱线系，而且其规律里德伯公式准确地表述了氢原子光谱线系，而且其规律简单而明显，这就说明它深刻地反映了氢原子内在的规律性。简单而明显，这就说明它深刻地反映了氢原子内在的规律性。最明显的一点是，氢原子发射的任何一条谱线的波数都可以最明显的一点是，氢原子发射的任何一条谱线的波数都可以表示成两项之差，即：表示成两项之差，即：其中，每一项都是正整数的函数，并且两项的形式一样。其中，每一项都是正整数的函数，并且两项的形式一样。若我们用若我们用T来表示这些项值，则有来表示这些项值，则有由上式可见，氢原子光谱的任何一条谱线，都可以表示成两由上式可见，氢原子光谱的任何一条谱线，都可以表示成两个光谱项之差。个光谱项之差。综上所述，氢原子光谱有如下规律：综上所述，氢原子光谱有如下规律：（1 1）谱线的波数由两个光谱项之差决定：）谱线的波数由两个光谱项之差决定：（2 2）当）当m m保持定值，保持定值，n n取大于取大于m m的正整数时，可给出的正整数时，可给出同一光谱系的各条谱线的波数同一光谱系的各条谱线的波数。（3 3）改变）改变m m数值，可给出不同的光谱线系。数值，可给出不同的光谱线系。以后将会看到，这三条规律对所有原子以后将会看到，这三条规律对所有原子光谱都适用，所不同的只是各原子的光谱项光谱都适用，所不同的只是各原子的光谱项的具体形式各有不同而已。的具体形式各有不同而已。.2 .2 玻尔模型玻尔模型（一）经典轨道和定态条件（一）经典轨道和定态条件原子中的电子绕核运动时，只能在某原子中的电子绕核运动时，只能在某些特定的允许轨道上转动，但不辐射些特定的允许轨道上转动，但不辐射电磁能量，因此原子处于这些状态时电磁能量，因此原子处于这些状态时是稳定的，是稳定的，由牛顿第二定律：由牛顿第二定律：原子的能量：原子的能量：电子轨道运动的频率：电子轨道运动的频率：最大的能量为最大的能量为0，而且，而且，大，大。（二）频率条件（二）频率条件 能量只与一个整数能量只与一个整数n n有关有关 能量只能取一定的分立能量只能取一定的分立值值 在某一状态在某一状态 上，无论电子有无加速上，无论电子有无加速度，其能量都是一定的度，其能量都是一定的 定态定态再进一步再进一步能量量子化能量量子化 轨道半径轨道半径r r是量子化的是量子化的 分立的值分立的值r rn n 角动量角动量 是量子化的。是量子化的。(三三)角动量量子化角动量量子化 玻玻尔尔的的这这几几个个假假设设是是否否正正确确？只只有有通通过过实实验验检验。检验。（四）氢原子的能级、半径（四）氢原子的能级、半径电电子子的的轨轨道道半半径径只只能能是是a a1 1,4a4a1 1,9a,9a1 1等等玻玻尔尔半半径径的的整整数数倍倍，即即轨轨道半径是量子化的道半径是量子化的.玻尔理论的一个成功之处玻尔理论的一个成功之处 处于定态时原子所允处于定态时原子所允许的能量值。能量是许的能量值。能量是量子化的量子化的 实验测得，氢原子的电离电势为实验测得，氢原子的电离电势为13.6V13.6V.实际上，实际上，这个理论和实验的符合是玻尔理论的这个理论和实验的符合是玻尔理论的又一成功之处。又一成功之处。氢原子的轨道和能级氢原子的轨道和能级即轨道半径是量子化的即轨道半径是量子化的,能量是量子化的能量是量子化的.3.3 实验验证之一实验验证之一一氢原子光谱一氢原子光谱玻尔的氢原子理论成功的给出了里德伯常数的表达式和数玻尔的氢原子理论成功的给出了里德伯常数的表达式和数值，这是玻尔理论的成功之三。而里德伯公式能成功地解值，这是玻尔理论的成功之三。而里德伯公式能成功地解释氢光谱，也就是说玻尔理论在处理氢原子问题上是成功释氢光谱，也就是说玻尔理论在处理氢原子问题上是成功的，这是玻尔理论的成功之四。的，这是玻尔理论的成功之四。玻尔理论的最主要成功之处是玻尔理论的最主要成功之处是：（1 1）它从理论上满意地解释了氢光谱的经验规）它从理论上满意地解释了氢光谱的经验规 律律里德伯公式。里德伯公式。（2 2）它用已知的物理量计算出了里德伯常数，）它用已知的物理量计算出了里德伯常数，而且和实验值符合得较好。而且和实验值符合得较好。（3 3）它较成功地给出了氢原子半径的数据。）它较成功地给出了氢原子半径的数据。（4 4）它定量地给出了氢原子的电离能。）它定量地给出了氢原子的电离能。二、类氢离子光谱二、类氢离子光谱类氢离子：原子核带类氢离子：原子核带Z Z个单位的正电荷，核外有一个电子个单位的正电荷，核外有一个电子绕核运动。绕核运动。氦离子氦离子HeHe+、锂离子、锂离子LiLi+、铍离子、铍离子BeBe+毕克林线系毕克林线系 一一组组几几乎乎与与巴巴耳耳末末线线系系的的谱谱线线相相重重合合，但但显显然然波波长长稍稍有有差差别别（短短）。一一组组大大约约分分布布在在两两条条相相邻邻的的巴巴耳耳末末线线系的谱线之间。系的谱线之间。2.42.4实验验证之二：夫兰克实验验证之二：夫兰克-赫兹实验赫兹实验一、夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验1 1实验装置实验装置 电 压 电 子 的 能 量 （）增加 电流 2 2实验结果实验结果电电流流突突然然下下降降时时的的电电压压相相差差都都是是4.9V4.9V，即即，KGKG间间的的电电压压为为4.9V4.9V的的整整数倍时，电流突然下降。数倍时，电流突然下降。3 3分析和结论分析和结论HgHg原原子子只只吸吸收收4.9eV4.9eV的的能能量量。这这就就清清楚楚地地证证实实了了原原子子中中量量子子态态的的存存在在，原原子子的的能能量量不不是是连连续续变变化化的的，而而是是由一些分立的能级组成。由一些分立的能级组成。4.9eV4.9eV是不是是不是HgHg原子的第一激发态与基态之间的能原子的第一激发态与基态之间的能级之差呢？级之差呢？HgHg原子的第一激发电势为原子的第一激发电势为4.9V4.9V。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？三、改进夫兰克三、改进夫兰克-赫兹实验赫兹实验（19201920）实验结果显示出求原子内存在一系列的量子态。实验结果显示出求原子内存在一系列的量子态。当当 4.684.68，4.94.9，5.295.29，5.785.78，6.73V6.73V时，时，下降。下降。2.5 2.5 碱金属原子光谱的实验规律碱金属原子光谱的实验规律H H原子：能级原子：能级 光谱项光谱项由由 谱线的波长谱线的波长解释实验规律解释实验规律一、实验规律一、实验规律H H原子光谱：原子光谱：当当 时，时，系限。系限。碱金属原子的里德伯公式碱金属原子的里德伯公式 当 时，系限。主线系主线系 第一辅线系第一辅线系 第二辅线系第二辅线系 柏格曼系柏格曼系 二、原子实极化和轨道贯穿二、原子实极化和轨道贯穿1 1、价电子与原子实、价电子与原子实LiLi：Z=3=2Z=3=2 1 12 2+1+1NaNa：Z=11=2Z=11=2(1(12 2+2+22 2)+1)+1K K：Z=19=2Z=19=2(1(12 2+2+22 2+2+22 2)+1)+1RbRb：Z=37=2Z=37=2(1(12 2+2+22 2+3+32 2+2+22 2)+1)+1CsCs：Z=55=2Z=55=2(1(12 2+2+22 2+3+32 2+3+32 2+2+22 2)+1)+1FrFr：Z=87=2Z=87=2(1(12 2+2+22 2+3+32 2+4+42 23+32 2+2+22 2)+1)+1共同之处：最外层只有一个电子共同之处：最外层只有一个电子价电子价电子其余部分和核形成一个紧固的团体其余部分和核形成一个紧固的团体原子实原子实碱金属原子：带一个正电荷的原子实碱金属原子：带一个正电荷的原子实+一个价电子一个价电子H H原子：带一个正电荷的原子核原子：带一个正电荷的原子核+一个电子一个电子首先是基态不同首先是基态不同-Li-Li、NaNa、K K、RbRb、CsCs、FrFr的基态依次为：的基态依次为：2s2s、3s3s、4s4s、5s5s、6s6s、7s7s。其次是能量不同其次是能量不同2 2、原子实极化、原子实极化 价价电电子子吸吸引引原原子子实实中中的的正正电电部部分分，排排斥斥负负电电部部分分 原原子子实实正正、负负电电荷荷的的中中心心不不再再重重合合 原子实极化原子实极化 能量降低能量降低小，小，小，极化小，极化强，能量强，能量低低 3 3、轨道贯穿、轨道贯穿当当 很很小小时时，价价电电子子的的轨轨道道极极扁扁，价价电电子子的的可可能能穿穿过过原原子子实实 轨轨道贯穿。道贯穿。实外实外 Z Z*=1=1 贯穿贯穿 Z Z*1 1 平均：平均：Z Z*1 1光谱项：光谱项：小小 贯穿几率贯穿几率 大大 能量低能量低 图图7 7铒离子（铒离子（ErEr3+3+）能级结构）能级结构放大条件：工作物质在泵浦光作用下，处于粒子数反转状放大条件：工作物质在泵浦光作用下，处于粒子数反转状态。为了得到共振放大，要求放大介质的能级结构与输入态。为了得到共振放大，要求放大介质的能级结构与输入的信号光相匹配。的信号光相匹配。图图8 8 光纤放大器实验装置图光纤放大器实验装置图掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）的主要构成部分）的主要构成部分：1 1、掺铒光纤（、掺铒光纤（EDFEDF）2 2、泵浦激光器（、泵浦激光器（LDLD）3 3、波长选择耦合器（、波长选择耦合器（WSCWSC）或）或波分复用（WDMWDM）4 4、光滤波器和光隔离器（、光滤波器和光隔离器（ISOISO）图图图图5 5 5 5 单模光纤的损耗曲线单模光纤的损耗曲线单模光纤的损耗曲线单模光纤的损耗曲线三个通信窗口三个通信窗口三个通信窗口三个通信窗口1.31 1.31 m m、1.551.55 m m、0.850.85 m m光学损耗光学损耗 弯曲损耗弯曲损耗 熔接损耗熔接损耗 端面损耗端面损耗图图1313光纤激光器的基本结构光纤激光器的基本结构增益介质、谐振腔增益介质、谐振腔(将介质膜直接镀在光纤端将介质膜直接镀在光纤端面上、定向耦合器或者光纤光栅等方式构成谐振腔）面上、定向耦合器或者光纤光栅等方式构成谐振腔）、泵浦源、泵浦源WDMOutput coupler1480nm LDPC controllerEDF FFP filterIsolatorOutput图图14 14 环形环形 腔掺铒激光器腔掺铒激光器图图16 16 自注入锁定掺镱光纤激光器输出光谱自注入锁定掺镱光纤激光器输出光谱光子晶体光纤：光子晶体光纤：光子能隙全反射光子能隙全反射无损耗，色散可设计，无损耗，色散可设计，大直径单模光纤大直径单模光纤所有波长能单模工作所有波长能单模工作