lecture_16北師大物理

1、量子力學基礎簡單回顧o 氫原子n 能量、軌道角動量（大小和方向）量子化n 波函數（電子在原子核外概率性分布）-電子云n 電子自旋-內稟自由度o假設與實驗驗證o自旋角動量與自旋磁矩的取值量子力學基礎氫原子能級躍遷圖與光譜線系1 n2 n3 n4 n n0 l1 l2 l3 lnE(eV)0-3.4-13.6躍遷選擇定則量子力學基礎從氫原子到多電子原子o 原子序數（原子核中質子數）Z=1變?yōu)閆1o 多電子原子的核外任一電子除了受核的庫侖引力（表現為以核為中心的庫侖勢能）外，還受到核外其余電子的庫侖斥力o 體系的勢能函數形式更加復雜，能級結構也更加復雜量子力學基礎幾種原子的特征譜線量子物理學基礎第二

2、十六章 多電子原子26-1 堿金屬原子26-2 原子中電子的殼層結構26-3 X射線26-4 激光多電子原子26-1 堿金屬原子o 包括鋰（3Li）、鈉（11Na）、鉀（19K）、銣（37Rb）、銫（55Cs）和鈁（87Fr）等元素周期表中第一族的元素o 共同特點：核外電子中有一個和原子核離得較遠，其余Z-1個電子和原子核結合得較緊密一起組成原子實，離核較遠的電子稱為價電子-價電子模型o 堿金屬原子可看成是由一個電量為-e的價電子和凈電量為+e的原子實組成的體系，價電子在原子實的電場中運動，與氫原子有相似之處多電子原子一、堿金屬原子的光譜和能級o 一般可觀察到四個線系o 隨著波數的增大，每一線

3、系中各譜線強度越來越小，譜線也越來越密集，最后趨于線系限，兩個輔線系具有相同的線系限o 譜線的波數可以用光譜項之差表示，而光譜項可表示為有效量子數量子數虧損多電子原子鋰原子的量子數虧損和譜線系波數主線系漫線系銳線系基線系多電子原子鋰原子價電子的能級圖主量子數相同時，角量子數越小對應能級越低隨著主量子數增大，不同角量子數對應的能級之間差別逐漸減小躍遷必須滿足選擇定則任意，1 n2 n3 n4 n n0 l1 l2 l3 l多電子原子二、堿金屬原子能級特點理論解釋o 能級對角量子數的簡并解除n 原子實與價電子的相互作用改變了價電子感受到的勢能函數n 原子實極化，原子實電荷分布等效為點電荷與電偶極子

4、疊加n “軌道”貫穿，原子實的有效電荷數1多電子原子三、堿金屬原子光譜的精細結構主線系銳線系漫線系第一條第二條第三條第四條線系限原子譜線是由原子能級之間躍遷產生的；譜線分裂反映了原子能級具有更復雜的結構。多電子原子鈉原子的精細結構能級圖任意，躍遷選擇定則：堿金屬原子的價電子除了s能級之外，各能級都是由兩個很靠近的能級組成（能級分裂），分裂間隔隨主量子和角量子數的增大而很快減小。多電子原子26-2 原子中電子的殼層結構o 1869年，俄國門捷列夫，元素周期表（元素性質隨其原子量增加呈周期性變化）o 之后，人們認識到這種周期性變化取決于原子中核電荷數Z，后稱原子序數o 接著，玻爾指出，元素的周期性

5、重復可用核外電子的殼層排列解釋o 能量最低原理和泡利不相容原理多電子原子一、元素周期表多電子原子電離能多電子原子原子半徑多電子原子二、電子的殼層填充o 殼層 和支殼層o 電子在排列殼層時服從兩個原理n 泡利不相容原理：同一原子中不能有兩個或兩個以上的電子處于同一個狀態(tài)；狀態(tài)標記為一組四個量子數o 殼層和支殼層填充數 和n 能量最低原理o 能級的高低次序由主和角量子數共同決定o 經驗規(guī)律：按 的增加能級升高o 原子的電子組態(tài)多電子原子26-3 X射線獲1901年Nobel物理學獎 獎勵他在發(fā)現后以其名字命名的射線上所作出的非凡的貢獻Wilhelm Conrad Rntgen 1845-1923G

6、ermany多電子原子一、X射線的產生及其波長測定幾萬伏電壓0.001nm-10nm多電子原子X射線在晶體上的衍射1913年，布拉格父子提出：當射線入射到不同晶面時會產生反射波，它們產生干涉極大值的條件為在滿足這個條件的方位將觀察到強衍射峰。經典電磁波的干涉現象多電子原子二、X射線的發(fā)射譜產生機制：高速電子打到靶子被驟然減速產生電磁輻射（軔致輻射）。連續(xù)譜的一個顯著特點是對于確定的工作電壓U，存在一個波長的最小值，該值和陽極材料無關，只取決于工作電壓U。多電子原子巴克拉和X射線標識譜Charles Glover Barkla1877-1944the United Kingdom獲1917年No

7、bel物理學獎 獎勵他發(fā)現元素的X射線標識譜多電子原子標識譜線的特點o 疊加在連續(xù)譜上的細銳的現狀譜，只有當工作電壓超過某一臨界值時才會出現o 同種元素無論是單質還是化合物，標識譜相同o 不同陽極材料的標識譜不同，隨原子序數增大，標識譜線的波長單調減小，而不像光學光譜那樣呈周期性變化多電子原子標識譜線的產生機制X-ray emissionx-ray photon靶原子中內層電子的躍遷產生由于某種原因，靶原子內某殼層中的電子被擊出，該內殼層上出現空位，較外層電子就會來填充而輻射電磁波，這就是X射線標識譜線。多電子原子X射線標識譜線系KKKKKLLLLMMMNNKLMNO1 n2 n3 n4 n5

8、 n多電子原子莫塞萊定律Henry Moseley1887-1915Britisho 標識譜K線系的頻率近似正比于產生該譜線的元素的原子序數Z的平方。o 提供了實驗測定元素的原子序數Z的手段。o 間接證明了玻爾原子理論的正確性。多電子原子三、X射線的吸收譜o X射線穿透本領很強，但各種物質對其仍有一定的吸收作用；o 確定的材料對X射線的吸收會隨入射波長的減小而很快降低，但當X射線波長為某些特定值時，吸收會突然加強，稱為吸收限（吸收邊緣），對應的入射X射線波長稱為吸收限波長。o 當入射光子的能量正好等于某殼層上電子的電離能時，X射線就會被共振吸收，使吸收系數突然增大，出現吸收限。多電子原子26-

9、4 激光Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationo單色性強；o相干性強；o方向性好；n利用激光準直儀可使長為2.5km的隧道掘進偏差不超過16nmo強度（亮度）高。多電子原子激光理論和激光器的先驅Charles Hard Townes 1915-USA獲1964年Nobel物理學獎在量子電子學領域的基礎性工作（建立了在微波和光頻段電磁輻射的受激發(fā)射的放大理論）導致了激光器的建成。Basov1922-2001Prokhorov1916-2002USSR多電子原子一、自發(fā)輻射和受激輻射受激吸收受激發(fā)射自發(fā)輻射愛因斯坦的二能級原子

10、與光的相互作用模型處于熱平衡狀態(tài)下的原子（或分子）體系，在各個能級上的布居數服從玻耳茲曼分布率多電子原子excited stateground stateE0E2二、粒子數反轉metastable state10-3sE1population inversion多電子原子三、光學共振腔光在粒子數反轉的工作物質中往返傳播，使諧振腔內的光子數不斷增加，從而獲得很強的光,這種現象叫做光振蕩。駐波條件2kl .激光光束全反射鏡l部分透光反射鏡多電子原子四、實用激光器o 紅寶石激光器o 氦氖氣體激光器o 化學激光器n 染料激光器n Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光器n 二氧化碳氣體激光器o 半導體激光器激光器的發(fā)展：波長范圍、大功率、小型化多電子原子氦氖氣體激光器氦氖激光器全反射鏡部分反射鏡AK氦和氖的原子能級示意圖基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)氦氖632.8nm123輸出激光單色性好、結構簡單、使用方便、成本低多電子原子紅寶石激光器世界