原子中的電子

1、1原子中的電子原子中的電子第第28章章228.1 氫原子光譜氫原子光譜 玻爾的氫原子理論玻爾的氫原子理論28.2 氫原子的量子力學(xué)處理氫原子的量子力學(xué)處理28.3 電子自旋與自旋軌道耦合電子自旋與自旋軌道耦合28.4 微觀粒子的不可分辨性微觀粒子的不可分辨性 泡利不相容原理泡利不相容原理28.5 各種原子核外電子的組態(tài)各種原子核外電子的組態(tài)28.6 激光激光本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容3教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求2 理解理解描述原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子描述原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù)。數(shù)。了解了解能量能量、角動(dòng)量及空間量子化。、角動(dòng)量及空間量子化。3 了解了解激光工作原理。激光工作原理。 1

2、理解理解氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律及玻爾的氫氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律及玻爾的氫原子理論。原子理論。428.1 氫原子光譜氫原子光譜 玻爾的氫原子理論玻爾的氫原子理論一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律二、玻爾的氫原子理論二、玻爾的氫原子理論三、氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算三、氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算四、玻爾氫原子理論的意義和困難四、玻爾氫原子理論的意義和困難5紅紅藍(lán)藍(lán)紫紫6562.84340.54861.3一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律氫原子的可見(jiàn)光光譜：氫原子的可見(jiàn)光光譜：A即由此得來(lái)。即由此得來(lái)。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom）測(cè)

3、得氫可見(jiàn)光光譜的紅線，測(cè)得氫可見(jiàn)光光譜的紅線， 到到1885年，年，觀測(cè)到的氫原子光譜線已有觀測(cè)到的氫原子光譜線已有14條。條。6 1885 年瑞士數(shù)學(xué)家年瑞士數(shù)學(xué)家巴耳末巴耳末發(fā)現(xiàn)氫原子光譜發(fā)現(xiàn)氫原子光譜可見(jiàn)光可見(jiàn)光部分的規(guī)律部分的規(guī)律, 5 , 4 , 3,nm246.365222nnn 1890 年瑞典物理學(xué)家年瑞典物理學(xué)家里德伯里德伯給出給出氫原子光譜公式氫原子光譜公式,4,3 ,2, 1fn, 3, 2, 1fffinnnn)11(122ifnnR波數(shù)波數(shù) 里德伯常量里德伯常量 17m100973731534. 1R光譜光譜7, 4 , 3, )121(122nnR巴爾末系巴爾末系可

4、見(jiàn)光可見(jiàn)光, 5 , 4, )131(122nnR帕邢系帕邢系, 6 , 5, )141(122nnR布拉開(kāi)系布拉開(kāi)系, 7 , 6, )151(122nnR普豐德系普豐德系, 8 , 7, )161(122nnR漢弗萊系漢弗萊系紅外紅外萊曼系萊曼系, 3 , 2, )111(122nnR紫外紫外8二、玻爾的氫原子理論二、玻爾的氫原子理論（一）經(jīng)典核模型的困難（一）經(jīng)典核模型的困難 根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞核根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞核作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，作加速運(yùn)動(dòng)的作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，作加速運(yùn)動(dòng)的電子將不斷向外輻射電磁波電子將不斷向外輻射電磁波 . vFree+ 原子不斷地向外輻射能量，原子不斷地向外

5、輻射能量，能量逐漸減小，電子繞核旋轉(zhuǎn)的能量逐漸減小，電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也逐漸改變，發(fā)射光譜應(yīng)是頻率也逐漸改變，發(fā)射光譜應(yīng)是連續(xù)譜；連續(xù)譜； 由于原子總能量減小，電子由于原子總能量減小，電子將逐漸的接近原子核而后相遇，將逐漸的接近原子核而后相遇，原子不穩(wěn)定原子不穩(wěn)定 .e+e9（二）玻爾的三個(gè)假設(shè)（二）玻爾的三個(gè)假設(shè)（2）頻率條件頻率條件電子從電子從En躍遷到躍遷到Ek時(shí)，發(fā)射或吸收光子，時(shí)，發(fā)射或吸收光子，光子的頻率為光子的頻率為:hEEknkn（1）定態(tài)假設(shè)定態(tài)假設(shè) 原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，這些原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，這些狀態(tài)稱為原子的穩(wěn)定狀態(tài)（簡(jiǎn)稱定態(tài)），相

6、應(yīng)的能量狀態(tài)稱為原子的穩(wěn)定狀態(tài)（簡(jiǎn)稱定態(tài)），相應(yīng)的能量分別是分別是E1、 E2、 E3、（E1E2 E3）10（3）量子化條件量子化條件（量子條件）（量子條件） 電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其穩(wěn)定狀態(tài)必須滿足電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其穩(wěn)定狀態(tài)必須滿足2hnL ，n=1, 2, 3, 式中式中L是電子的角動(dòng)量，是電子的角動(dòng)量，n 稱為主量子數(shù)。稱為主量子數(shù)。定義定義約化普朗克常數(shù)約化普朗克常數(shù):2h 則則量子化條件量子化條件成為成為: nL 11三、氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算三、氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算2hnrmnnv由假設(shè)由假設(shè)3量子化條件量子化條件nnnrmre22024v由牛頓定律由牛頓定律,玻

7、爾半徑玻爾半徑m1029. 5112201mehr1n 氫原子能級(jí)公式氫原子能級(jí)公式nnnnremE022421v第第 軌道電子總能量軌道電子總能量212220nrnmehrn), 3 ,2, 1(n 12212220418nEnhmeEnnnnremE022421v（電離能）（電離能）基態(tài)基態(tài)能量能量220418hmeEeV6 .13) 1( n21nEEn激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)能量能量) 1( neV/E 氫原子能級(jí)圖氫原子能級(jí)圖1n基態(tài)基態(tài)6 .132n3n4n激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)40. 351. 185. 0n0自由態(tài)自由態(tài)13 玻爾理論對(duì)氫原子光譜的解釋玻爾理論對(duì)氫原子光譜的解釋fiEEhfiifnn

8、nnchmec, )11(81223204氫原子能級(jí)躍遷氫原子能級(jí)躍遷與光譜系與光譜系1n2n3n4nn0EE萊曼系萊曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系2220418nhmeEn布拉開(kāi)系布拉開(kāi)系17m10097. 1（里德伯常量）（里德伯常量） Rchme3204814萊曼系萊曼系（紫外區(qū)）（紫外區(qū)）巴耳末系巴耳末系(可見(jiàn)區(qū)可見(jiàn)區(qū))帕邢系帕邢系(紅外區(qū)紅外區(qū))布拉開(kāi)系布拉開(kāi)系氫原子能級(jí)和能級(jí)躍遷圖：氫原子能級(jí)和能級(jí)躍遷圖：-13.6eV-3.40eV-1.51eV-0.85eVEn n121EnEn eV6 .132n 由能級(jí)算出的光由能級(jí)算出的光譜線頻率和實(shí)驗(yàn)譜線頻率和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。結(jié)果完

9、全一致。126 534hEEfi 15例例28.1 設(shè)大量氫原子處于設(shè)大量氫原子處于n=4的激發(fā)態(tài)，它們躍遷時(shí)的激發(fā)態(tài)，它們躍遷時(shí)發(fā)射出一簇光譜線，則這簇光譜線最多可能有發(fā)射出一簇光譜線，則這簇光譜線最多可能有 條，條，其中最短的波長(zhǎng)是其中最短的波長(zhǎng)是 。解：解： 可能的躍遷：可能的躍遷： n=4 3, 2, 13 2, 12 1共共 6條譜線條譜線maxmin14maxEEEminmax14hchEE14minEEhc192834106 . 1)6 .13()46 .13(100 . 31063. 6)(1075. 98m975()16例例28.2 一個(gè)氫原子處于主量子數(shù)一個(gè)氫原子處于主量子

10、數(shù)n=3的狀態(tài)，則的狀態(tài)，則該氫原子該氫原子(A)能夠吸收一個(gè)紅外光子能夠吸收一個(gè)紅外光子(B)能夠發(fā)射一個(gè)紅外光子能夠發(fā)射一個(gè)紅外光子(C)能夠吸收也能夠發(fā)射一個(gè)紅外光子能夠吸收也能夠發(fā)射一個(gè)紅外光子(D)不能吸收也不能發(fā)射一個(gè)紅外光子不能吸收也不能發(fā)射一個(gè)紅外光子解：解：n=1n=2n=3發(fā)射可見(jiàn)發(fā)射可見(jiàn)吸收紅外吸收紅外發(fā)射紫外發(fā)射紫外關(guān)鍵看躍遷中，較關(guān)鍵看躍遷中，較低能級(jí)低能級(jí)n=? ( A )17解：解：例例28.3 氫原子從定態(tài)氫原子從定態(tài) l 躍遷到定態(tài)躍遷到定態(tài) k 可發(fā)射一個(gè)光子?？砂l(fā)射一個(gè)光子。已知定態(tài)已知定態(tài) l 的電離能為的電離能為0.85eV，又知從基態(tài)使氫原子，又知從

11、基態(tài)使氫原子激發(fā)到定態(tài)激發(fā)到定態(tài) k 所需能量為所需能量為 10.2eV，則在上述躍遷中，則在上述躍遷中，氫原子所發(fā)射的光子的能量為氫原子所發(fā)射的光子的能量為 eV。按題意按題意 El= -0.85eVEk= -13.6+10.2= -3.4 (eV)光子能量：光子能量：El -Ek= -0.85 -( -3.4)= 2.55 (eV)思考思考：所發(fā)射的光子屬于什么光區(qū)：所發(fā)射的光子屬于什么光區(qū)?18例例28.4 在氫原子光譜中，巴耳末系的最短波長(zhǎng)的譜在氫原子光譜中，巴耳末系的最短波長(zhǎng)的譜線所對(duì)應(yīng)的光子能量為線所對(duì)應(yīng)的光子能量為 eV.解：解： min max Emax=0-E2=3.40 e

12、V思考思考：最長(zhǎng)波長(zhǎng)的譜線所對(duì)應(yīng)的光子能量最長(zhǎng)波長(zhǎng)的譜線所對(duì)應(yīng)的光子能量?其它系其它系?19（1）正確地指出正確地指出原子能級(jí)原子能級(jí)的存在（原子能量量子化）；的存在（原子能量量子化）；（2）正確地指出正確地指出定態(tài)定態(tài)和和角動(dòng)量量子化角動(dòng)量量子化的概念；的概念；（3）正確的解釋了氫原子及類氫離子光譜；正確的解釋了氫原子及類氫離子光譜；四、玻爾氫原子理論的意義和困難四、玻爾氫原子理論的意義和困難（4）無(wú)法解釋無(wú)法解釋比氫原子更復(fù)雜的原子；比氫原子更復(fù)雜的原子；（5）把微觀粒子的運(yùn)動(dòng)視為有確定的把微觀粒子的運(yùn)動(dòng)視為有確定的軌道軌道是不正確的；是不正確的；（6）是是半半經(jīng)典經(jīng)典半半量子量子理論，存

13、在邏輯上的缺點(diǎn)，即把理論，存在邏輯上的缺點(diǎn)，即把 微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)，又微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)，又 賦予它們量子化的特征。賦予它們量子化的特征。20 用薛定諤方程求解氫原子中電子的能級(jí)和本征波用薛定諤方程求解氫原子中電子的能級(jí)和本征波函數(shù)，是量子力學(xué)創(chuàng)立初期最令人信服的成就。函數(shù)，是量子力學(xué)創(chuàng)立初期最令人信服的成就。 質(zhì)子的質(zhì)量比電子的質(zhì)量大的多，在氫原子中可近質(zhì)子的質(zhì)量比電子的質(zhì)量大的多，在氫原子中可近似認(rèn)為似認(rèn)為質(zhì)子靜止而電子運(yùn)動(dòng)，因此電子的能量就代表質(zhì)子靜止而電子運(yùn)動(dòng)，因此電子的能量就代表整個(gè)氫原子的能量。整個(gè)氫原子的能量。電子受質(zhì)子的庫(kù)侖力作用，勢(shì)能

14、電子受質(zhì)子的庫(kù)侖力作用，勢(shì)能函數(shù)為函數(shù)為rerU024)( 由于求解過(guò)程比較復(fù)雜，重點(diǎn)介紹求解所得結(jié)果由于求解過(guò)程比較復(fù)雜，重點(diǎn)介紹求解所得結(jié)果的某些特性并討論其物理意義。的某些特性并討論其物理意義。28.2 氫原子的量子力學(xué)處理氫原子的量子力學(xué)處理21 以質(zhì)子的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。由于在一般情況下，氫以質(zhì)子的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。由于在一般情況下，氫原子為一穩(wěn)定的系統(tǒng)，由定態(tài)薛定諤方程可得：原子為一穩(wěn)定的系統(tǒng)，由定態(tài)薛定諤方程可得：Erezyxm02222222242波函數(shù)波函數(shù) 必須滿足必須滿足單值單值、有限有限、連續(xù)連續(xù)的條件。的條件。 上述方程滿足這些條件的解與三個(gè)整數(shù)上述方程滿足這些條件的解與

15、三個(gè)整數(shù) 有關(guān)，可用如下形式表示：有關(guān)，可用如下形式表示：lmln、)(、rlmln、r其中其中 為空間一點(diǎn)的球坐為空間一點(diǎn)的球坐標(biāo)，原點(diǎn)在質(zhì)子處。標(biāo)，原點(diǎn)在質(zhì)子處。磁量子數(shù)磁量子數(shù)角量子數(shù)角量子數(shù)主量子數(shù)主量子數(shù)lmln22（1）能量量子化能量量子化和和主量子數(shù)主量子數(shù)), 2 , 1(eV16 .131)4(2222024nnnmeEn， 能量是量子化的，能量是量子化的，n稱稱為主量子數(shù)。為主量子數(shù)。討論：討論：量子化條件和量子數(shù)量子化條件和量子數(shù)（2）角動(dòng)量量子化角動(dòng)量量子化和和角量子數(shù)角量子數(shù)) 1( llL) 1( , 2 , 1 , 0nl（3）角動(dòng)量空間量子化角動(dòng)量空間量子化和和

16、磁量子數(shù)磁量子數(shù)lzmL lml, 2, 1, 023對(duì)于確定的角量子數(shù)對(duì)于確定的角量子數(shù)l，磁量子數(shù)，磁量子數(shù) ml 可取可取 (2l+1)個(gè)值。個(gè)值。0Z，B61222, 1, 02Lmll22空間取向量子化空間取向量子化。2428.5 各種原子核外電子的組態(tài)各種原子核外電子的組態(tài)一、四個(gè)量子數(shù)一、四個(gè)量子數(shù)二、電子的殼層分布二、電子的殼層分布25一、四個(gè)量子數(shù)一、四個(gè)量子數(shù) 描述原子中描述原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要一組量子數(shù)需要一組量子數(shù)u主量子數(shù)主量子數(shù) n=1, 2, 3, 是決定能量的主要因素是決定能量的主要因素u軌道角量子數(shù)軌道角量子數(shù) l = 0,1,2(n-1) n，

17、l，ml ， msu軌道磁量子數(shù)軌道磁量子數(shù)lml 2, 1, 0決定決定電子繞核運(yùn)動(dòng)的電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量的大小角動(dòng)量的大小決定決定電子繞核運(yùn)動(dòng)的電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量的空間取向角動(dòng)量的空間取向u自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù)21 sm決定決定電子電子自旋角動(dòng)量的空間取向自旋角動(dòng)量的空間取向26二、電子的殼層分布（兩個(gè)基本原理）二、電子的殼層分布（兩個(gè)基本原理）同一個(gè)同一個(gè)n 組成一個(gè)組成一個(gè)殼層殼層（K, L, M, N, ）相同相同 n, l 組成一個(gè)組成一個(gè)次殼層次殼層（s, p, d, f, ）（1）電子是費(fèi)米子，由）電子是費(fèi)米子，由泡利不相容原理泡利不相容原理在同一原子中不可能有兩個(gè)電子處

18、于相同的量子態(tài)在同一原子中不可能有兩個(gè)電子處于相同的量子態(tài) 當(dāng)當(dāng)n一定時(shí)，一定時(shí)，l可取可取n個(gè)不同的值，且對(duì)于個(gè)不同的值，且對(duì)于l的每個(gè)值，的每個(gè)值，ml和和ms共共可取可取2(2l+1)個(gè)不同的值個(gè)不同的值。一次殼層內(nèi)最多可容納一次殼層內(nèi)最多可容納(2l+1)2個(gè)電子。個(gè)電子。主量子數(shù)為主量子數(shù)為n的殼層可容納的最大電子數(shù)為：的殼層可容納的最大電子數(shù)為：21022) 12(nlZnln271945年諾貝爾物理學(xué)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者獎(jiǎng)獲得者 泡利泡利奧地利人奧地利人Wolfgang Pauli 1900 1958提出泡利不相容原理提出泡利不相容原理28（2）能量最小原理：）能量最小原理：電

19、子優(yōu)先占據(jù)最低能態(tài)電子優(yōu)先占據(jù)最低能態(tài)32103d3p3s 2102p2s 101s ZKLMn = 1n = 2n = 3nl即：原子處于正常狀態(tài)時(shí)，電子的排布應(yīng)使原子的即：原子處于正常狀態(tài)時(shí)，電子的排布應(yīng)使原子的能量最低。能量最低。29殼層殼層 與次殼層與次殼層 殼層殼層由具有相同主量子數(shù)由具有相同主量子數(shù)n的所有量子態(tài)組成的所有量子態(tài)組成主量子數(shù)主量子數(shù)n 1 2 3 4 5 6 7殼層符號(hào)殼層符號(hào) K L M N O P Q可容電子數(shù)可容電子數(shù) 2 8 18 32 50 72 98 次殼層次殼層由同一殼層中具有相同角量子數(shù)由同一殼層中具有相同角量子數(shù)l的量子態(tài)組成的量子態(tài)組成30角量子

20、數(shù)角量子數(shù) l 0 1 2 3 4 5 6次殼層符號(hào)次殼層符號(hào) s p d f g h i可容電子數(shù)可容電子數(shù) 2 6 10 14 18 22 26原子中電子的填充：原子中電子的填充：先填先填n較小的殼層，在同一較小的殼層，在同一n中，中，先填先填 l 較小的次殼層，在不同殼層鄰接處，較小的次殼層，在不同殼層鄰接處， 比較它們比較它們的的(n+0.7l)值。（值。（ n + 0.7l ）的值越大，能級(jí)越高。）的值越大，能級(jí)越高。例例：鉀鉀(Z=19)的電子組態(tài)：的電子組態(tài)：162622433221spspssn+0.7l=4.4n+0.7l=4.0不是不是13d31例例28.5 原子內(nèi)電子的量

21、子態(tài)由原子內(nèi)電子的量子態(tài)由n、l、ml、ms四個(gè)量子四個(gè)量子數(shù)表征，當(dāng)數(shù)表征，當(dāng)n、l、ml一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為 ；當(dāng)當(dāng)n、l一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為 ；當(dāng)；當(dāng)n一定時(shí)，一定時(shí)，不同量子態(tài)數(shù)目為不同量子態(tài)數(shù)目為 .解：解：當(dāng)當(dāng)n、l 、ml一定時(shí)，一定時(shí)，ms可取兩個(gè)不同的值可取兩個(gè)不同的值. 當(dāng)當(dāng)n、l一定時(shí)，一定時(shí)，ml可取可取2l+1個(gè)不同的值個(gè)不同的值, 且對(duì)于且對(duì)于ml的每個(gè)值，的每個(gè)值，ms可取兩個(gè)不同的值可取兩個(gè)不同的值. 2 2(2l+1)l = 0, 1, 2, 3 例例28.6 主量子數(shù)主量子數(shù)n=4的量子態(tài)中，角量子數(shù)的

22、量子態(tài)中，角量子數(shù) l 的可能取的可能取值為值為 ；磁量子數(shù)；磁量子數(shù)ml的可能取值為的可能取值為 。ml = 0, 1, 2, 3 思考：思考：自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù)mS的可能取值的可能取值?解：解：3228.6 激光激光一、自發(fā)輻射一、自發(fā)輻射 受激輻射受激輻射二、激光原理二、激光原理三、激光器的三個(gè)主要組成部分三、激光器的三個(gè)主要組成部分四、激光器四、激光器五、激光器的特性和應(yīng)用五、激光器的特性和應(yīng)用33 激光激光又名又名萊塞萊塞 （Laser），），它的全名是：它的全名是：（Light amplification by stimulated emission of radiation

23、）“輻射的受激發(fā)射光放大輻射的受激發(fā)射光放大”世界上第一臺(tái)激光器誕生于世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960年。年。 它們的基本原理都是基于它們的基本原理都是基于1916年愛(ài)因斯坦年愛(ài)因斯坦提出的提出的受激輻射受激輻射理論。理論。34一、自發(fā)輻射一、自發(fā)輻射 受激輻射受激輻射1 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 原子在沒(méi)有外界干預(yù)的情況下，電子會(huì)由處于激發(fā)原子在沒(méi)有外界干預(yù)的情況下，電子會(huì)由處于激發(fā)態(tài)的高能級(jí)態(tài)的高能級(jí)E2自動(dòng)躍遷到低能級(jí)自動(dòng)躍遷到低能級(jí)E1，這種躍遷稱為，這種躍遷稱為自自發(fā)躍遷發(fā)躍遷。由自發(fā)躍遷而引起的光輻射稱為。由自發(fā)躍遷而引起的光輻射稱為自發(fā)輻射自發(fā)輻射。hEE12.1E2E發(fā)光前發(fā)光前.。2

24、E1Eh發(fā)光后發(fā)光后自自發(fā)發(fā)輻輻射射352 光吸收光吸收 當(dāng)外來(lái)光子的能量當(dāng)外來(lái)光子的能量 滿足滿足 時(shí)，時(shí)， 原子中原子中處于低能級(jí)處于低能級(jí) 的電子就會(huì)吸收光子的能量，并從低的電子就會(huì)吸收光子的能量，并從低能級(jí)能級(jí) 躍遷到高能級(jí)躍遷到高能級(jí) , 這個(gè)過(guò)程稱為這個(gè)過(guò)程稱為光吸收光吸收。 2E1E12EEhh吸收后吸收后。.2E1Eh吸收前吸收前.1E2E受激吸收受激吸收1E363 受激輻射受激輻射由受激輻射得到的放大了的光是相干光，稱之為由受激輻射得到的放大了的光是相干光，稱之為激光激光。 原子中處于高能級(jí)原子中處于高能級(jí)E2的電子，會(huì)在外來(lái)光子的電子，會(huì)在外來(lái)光子(其頻率其頻率恰好滿足恰好

25、滿足 )的誘發(fā)下向低能級(jí)的誘發(fā)下向低能級(jí)E1躍遷，躍遷， 并發(fā)并發(fā)出與外來(lái)光子一樣特征的光子，這叫出與外來(lái)光子一樣特征的光子，這叫受激輻射受激輻射。12EEh.1E2E.。2E1E 發(fā)光前發(fā)光前 發(fā)光后發(fā)光后hhh受激輻射的光放大受激輻射的光放大示意圖示意圖37二、激光原理二、激光原理1 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布kTEiiCN/e2211ENENkTEENN/ )(2121e/ 表明，處于低能級(jí)的電子數(shù)大于高能級(jí)的電表明，處于低能級(jí)的電子數(shù)大于高能級(jí)的電子數(shù)，這種分布叫做子數(shù)，這種分布叫做粒子數(shù)的正常分布粒子數(shù)的正常分布。 叫做叫做粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)粒子

26、數(shù)布居反轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或稱或稱布居反轉(zhuǎn)布居反轉(zhuǎn)。 12NN 21NN 12EE 已知已知粒子數(shù)的正常分布粒子數(shù)的正常分布1E2E.。1N2N12EE 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布2E1E. . .。2N1N12EE 38 美國(guó)物理學(xué)家梅曼于美國(guó)物理學(xué)家梅曼于1960年年9月制成第一臺(tái)紅寶石月制成第一臺(tái)紅寶石固體激光器。固體激光器。 從外界輸入能量（如光照，放電等），把低能級(jí)上從外界輸入能量（如光照，放電等），把低能級(jí)上的原子激發(fā)到高能級(jí)上去，這個(gè)過(guò)程叫做的原子激發(fā)到高能級(jí)上去，這個(gè)過(guò)程叫做激勵(lì)激勵(lì)（也（也叫叫泵浦泵浦）。）。紅寶石中鉻離子能級(jí)示意圖紅寶石中鉻離子能級(jí)示意圖.

27、1E2E.?；鶓B(tài)基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)3E392 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 激光的形成激光的形成 光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)中往返傳播，使諧振腔光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)中往返傳播，使諧振腔內(nèi)的光子數(shù)不斷增加，從而獲得很強(qiáng)的光，這種現(xiàn)內(nèi)的光子數(shù)不斷增加，從而獲得很強(qiáng)的光，這種現(xiàn)象叫做象叫做光振蕩光振蕩。加強(qiáng)光須滿足加強(qiáng)光須滿足駐波條件駐波條件2kl.激光光束激光光束全反射鏡全反射鏡l光學(xué)諧振腔示意圖光學(xué)諧振腔示意圖部分透光反射鏡部分透光反射鏡40三、激光器的三個(gè)主要組成部分的作用三、激光器的三個(gè)主要組成部分的作用1、工作物質(zhì)、工作物質(zhì) 2、激勵(lì)能源（泵浦源）、激勵(lì)能源（泵浦源）有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)，有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)， 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3、光學(xué)諧振腔、光學(xué)諧振腔保證光放大，保證光放大，使激光有良好的使激光有良好的方向性和單色性。方向性和單色性。使原子激發(fā)，維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。使原子激發(fā)，維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。41四、激光器四、激光器 1 氦氖氣體激光器氦氖氣體激光器 氦氖激光器氦氖激光器全反射鏡全反射鏡部分反射鏡