第十六章-電子的自旋與原子的殼層結(jié)構(gòu)-PPT課件

1、第十六章 電子的自旋和原子的殼層結(jié)構(gòu)16.1 原子的軌道磁矩和正常曼效應(yīng) 16.2 電子的自旋 16.3 LS耦合和jj耦合 16.4 原子的殼層結(jié)構(gòu) 16.5 X射線 16.6 激光16.1 原子的軌道磁矩和正常塞曼效應(yīng)電子的電流密度矢量應(yīng)該等于電子的電量（ e）乘以電子的概率流密度矢量即式（15-28），所以處于氫原子定態(tài)y nlm的電子的電流密度矢量可以表示為 j=ejg =ihe （y * nlmynlm ynlmy * nlm） /2me. （16-1）梯度算符在球坐標(biāo)系中可以表示為 =r 0/ r+ 0 / + j 0 1/rsin / j ，式中 r 0 、 0和j 0分別是三個

2、方向的單位矢量?？梢郧蟪鰵湓又杏捎陔娮拥睦@核運(yùn)動所產(chǎn)生的電流密度矢量j的各個分量。由于波函數(shù)ynlm中只有方位角部分 （j）是復(fù)函數(shù)，其余兩部分都是實函數(shù)，電流密度矢量只存在j分量，其余兩個分量都等于零，即 j j =ihe/2me 1/rsin （y * nlm ynlm / jynlm y * / j nlm） = ihe 2imynlm 2 /2me rsin = ehm ynlm 2 /mersin ， （16-2） jr=0 ， j =0. （16-3）jj與j無關(guān)，這表明jj是以z軸為旋轉(zhuǎn)對稱軸的。又由于jr = jq= 0，我們不難想象，定態(tài)氫原子中電子運(yùn)動形成環(huán)繞z軸并以z軸

3、為旋轉(zhuǎn)對稱軸的電流圈，而且整個電流圈產(chǎn)生的磁矩的方向必定沿著z軸。 為了計算氫原子定態(tài)時電子運(yùn)動形成的電流圈所對應(yīng)的磁矩（magnetic moment ），我們可以在電流圈內(nèi)沿著電流方向取一個橫截面為dS的電流圓環(huán)（torus ），如圖16-1所示。電流圓環(huán)對應(yīng)的電流為 dI = jj dS .如果圓環(huán)上任意一點到原子核（點O）的距離為r，則電流圓環(huán)的半徑為rsinq，圓環(huán)的面積為pr2sin2q，所以該電流圓環(huán)所對應(yīng)的磁矩為 dmlz= pr2sin2q dI = pr2sin2q jj dS.氫原子中電子運(yùn)動產(chǎn)生的整個電流圈所對應(yīng)的磁矩為 mlz= dmlz = pr2sin2q jj

4、dS = ehm/2me ynlm 2 （2 prsinq dS） = ehm/2me ynlm 2 dt.式中dt = 2prsinq dS是整個圓環(huán)的體積。圖16-1由于波函數(shù)ynlm（r，q，j）滿足歸一化條件，上式可化為 mlz= ehm/2me = mmB m=0.1，2， ， l， （16-4）式中 mB=eh/2me =9.274015410 24 J T 1， （16-5）稱為玻爾磁子（Bohr magneton ），是原子磁矩的基本單位。式（16-4）所表示的磁矩是原子中電子繞核運(yùn)動產(chǎn)生的，為與以后將要討論的電子內(nèi)稟磁矩（intrinsic magnetic moment）相

5、區(qū)別而稱為軌道磁矩（orbital magnetic moment ）。軌道磁矩在z軸方向的分量mlz只能取一系列分立值，而其中的最大值為 （mlz ）max = lmB. （16-6）（mlz ）max = lmB 軌道磁矩與軌道角動量是相對應(yīng)的，兩者的z分量之比稱為旋磁比（gyromagnetic ratio ），即 1= mlz /Lz = mmB /mh = e/2me = gl（e/2me） （16-7）gl 稱為電子繞核運(yùn)動的朗德（A.Lande， 1888-1975）因子。由上式可見，電子繞核運(yùn)動朗德因子（Lande factor）的值為 gl=1. （16-8）處于強(qiáng)磁場中的原

6、子所發(fā)出的每一條光譜線都將分裂為三條，這種現(xiàn)象稱為正常塞曼（P.Zeeman， 1865-1943）效應(yīng)。對分裂后的三條譜線的研究表明，其中一條與原先的譜線同頻率，另外兩條分別大于和小于原先譜線的頻率，頻率增大量和減小量相等，并且與外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小有關(guān)。我們已經(jīng)知道，光譜線的分裂是由于能級分裂引起的。如果原先的能級是簡并的，電子由這個能級向低能級躍遷，發(fā)出一條光譜線，而在磁場的作用下這個能級的簡并（degeneration ）被解除或部分解除，從而分裂為多個能級，當(dāng)電子從這些能級向低能級躍遷時，就會發(fā)出多條光譜線，這就是原先的一條光譜線分裂為多條的原因。1896年，塞曼（31歲）利

7、用一半徑為10英尺的凹形羅蘭光柵來觀察處于強(qiáng)磁場中的鈉火焰的光譜，發(fā)現(xiàn)光譜線在磁場中發(fā)生了分裂，這就是塞曼效應(yīng)這是物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的磁場對光有影響的第三個實例。以具有一個價電子的堿金屬（alkali metal ）原子為例進(jìn)行討論。在無外磁場作用時，可以認(rèn)為堿金屬原子中的一個價電子在原子核和內(nèi)層電子共同產(chǎn)生的勢場中運(yùn)動。一旦施加了沿z方向的外磁場，不僅破壞了原先勢場的球?qū)ΨQ（spherical symmetry ）性，而且還附加了一種新的能量，即電子軌道磁矩與外磁場之間的相互作用能。我們一定還記得，氫原子中電子是在由原子核提供的純庫侖場中運(yùn)動，能量的本征值En只與主量子數(shù)有關(guān)，簡并度是n2。而在堿

8、金屬原子中，價電子是處于由原子核和內(nèi)層電子共同提供的所謂屏蔽庫侖場中運(yùn)動，能量的本征值不僅與主量子數(shù)n有關(guān)，還與角量子數(shù)l有關(guān)，即應(yīng)表示為Enl，簡并度變?yōu)?l+1。電子軌道磁矩m與磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的外磁場之間的相互作用能Em可以表示為 Em= m B =mlzB =eBhm/2me， m=0.1，2，l， （16-9） 所以能量的本征值應(yīng)表示為 Enlm=Enl+ eBhm/2me， m=0.1，2，l， （16-10）可見處于強(qiáng)磁場作用下的堿金屬原子的能量本征值與主量子數(shù)n、角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m都有關(guān)，這意味堿金屬原子能級的2l+1度簡并全部解除了，原先簡并的一個能級分裂為2l+1個能級，

9、分裂后的能級間距為 Enlm Enl （m 1）= eBh/2me= lh， （16-11）式中 l=eB/2me ， （16-12）稱為拉莫爾頻率（Larmor frequency ）。分裂后的能級間距都相等，并與外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小成正比。這個結(jié)論與實驗結(jié)果相符。圖16-2 圖16-316.2 電子的自旋 施特恩（O.Stern， 1888-1969）-格拉赫（W.Gerlach， 1889-1979）實驗裝置的示意圖 圖16-4由原子射線源O射出的銀原子射線，經(jīng)過狹縫變成細(xì)束后，進(jìn)入一個強(qiáng)度很大并在z方向存在梯度的不均勻磁場，最后沉積在照相板P上。整個實驗裝置都放置在高真空容器內(nèi)。

10、不均勻磁場是由不對稱（asymmetry ）磁極產(chǎn)生的。照相板上得到的銀原子沉積痕跡有兩條。 沒有不均勻磁場的作用，銀原子束不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在照相板P上得到的沉積痕跡只能是處于z = 0的一條短線。磁感應(yīng)強(qiáng)度B及其梯度dB/dz都沿著z軸的正方向。在不均勻磁場的作用下，銀原子的運(yùn)動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明銀原子具有一定的磁矩，暫且把這個磁矩記為m。銀原子的磁矩m必定要與磁場B發(fā)生相互作用，其相互作用能為 EB= m B =mBcosq = mzB. 式中q是原子磁矩m與磁場方向之間的夾角，并取磁場方向與z軸方向一致，mz是銀原子磁矩在z方向的分量。而銀原子所受不均勻磁場的作用力f沿z方向的分量可以表示

11、為 fz= dEB/dz =mzdB/dz， （16-15）銀原子在這個力的作用下將發(fā)生z方向的偏轉(zhuǎn)。如果不均勻磁場的橫向距離為l，銀原子進(jìn)入磁場的平均速率為 ，則在不均勻磁場中運(yùn)行的時間為t = l/vy，忽略照相板P與磁極之間的間隙，偏轉(zhuǎn)距離Dz可以表示為 Dz =（fz/M）t2 /2 =（mz/2Mvy2）dB/dz， （16-16） 1925年烏倫貝克（G.Uhlenbeck， 1900-1974）和高斯密特（S.Goudsmit， 1902-1979）提出了電子自旋的假設(shè)：每個電子都具有自旋角動量S，它在空間任一方向上的投影Sz只能取兩個值， 即 Sz=+h/2， h/2; （16

12、-18）與自旋角動量S相對應(yīng)的磁矩是自旋磁矩ms，它們之間的關(guān)系是 m s= eS/me ， （16-19）式中me和-e分別是電子的質(zhì)量和電量。上式表示，電子的自旋磁矩在空間任一方向（如外磁場方向）的分量只有兩個可能的取值。Uhlenbeck， Kramers， and Goudsmit原來，引起銀原子射線束偏轉(zhuǎn)的正是銀原子中電子的自旋磁矩ms。照相板上出現(xiàn)上、下兩條銀原子沉積痕跡，是由于電子的自旋磁矩ms在空間只能有兩個可能的取向，所以在外磁場方向的分量只有兩個可能的數(shù)值。可見，自旋角動量S也具有空間量子化的性質(zhì)，S在外磁場方向的分量Sz只能取兩個可能的數(shù)值。自旋磁矩與自旋角動量是相對應(yīng)的

13、，兩者的z分量之比稱為電子自旋的旋磁比，即 s =msz/Sz = e/me = gs（e/2me）， （16-21）gs 稱為電子自旋的朗德因子，簡稱自旋g因子。由上式可見，電子自旋的g因子是繞核運(yùn)動的g因子的兩倍，1986年的推薦值是 gs=2 msz /mB =29.2847701/9.2740154 =2.0023193. （16-22）仿照軌道角動量在空間任一方向的分量Lz 的本征值的表示 Lz=mh， m=0.1，2，l， 可以寫出自旋角動量在空間任一方向的分量Sz的本征值為 Sz=msh， ms= 0.1，2，s . 式中s稱為自旋量子數(shù)，簡稱自旋（spin ），ms稱為自旋磁量

14、子數(shù)。與m可取2l+1個可能的數(shù)值一樣，對于確定的s值，ms也應(yīng)取2s+1個可能的數(shù)值。根據(jù)烏倫貝克和高斯密特的假設(shè)，電子自旋角動量在空間任一方向上的投影Sz只能取兩個值，所以ms也只能取兩個可能的數(shù)值，即 2s + 1 = 2 ，故 s=1/2. （16-23）這表示，電子的自旋量子數(shù)為1/2，因而電子的自旋磁量子數(shù)ms的兩個可能的數(shù)值必定是 ms=1/2， 1/2. （16-24）三、堿金屬原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)堿金屬原子都是類氫原子（hydrogenlike atom），原子實的軌道角動量、自旋角動量等都等于零，價電子的軌道角動量就是整個原子的軌道角動量，價電子的自旋角動量就是整個原子的自旋

15、角動量，價電子的各量子數(shù)也就可以用來描述整個原子的狀態(tài)。用大寫的字母S， P， D， F等分別表示軌道量子數(shù)l = 0， 1， 2， 3等，并分別代表原子態(tài)。堿金屬的原子光譜有四個主要線系：主線系（principal series ）、銳線系（sharp series ）、漫線系（diffuse series ）和基線系（fundamental series ），對于鋰原子光譜，它們分別對應(yīng)于nP2S的躍遷、nS 2P的躍遷、nD 2P的躍遷和nF 3D的躍遷。當(dāng)用高分辨率的光譜儀觀察光譜時可以發(fā)現(xiàn)，每條光譜線不是簡單的一條線，而是二條或三條線，這就是光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，所有的堿

16、金屬原子的光譜都有類似的精細(xì)結(jié)構(gòu)。例如，在光學(xué)實驗中常用的鈉黃光是主線系第一條譜線，是從3P 3S躍遷形成的，是由波長分別為589.0 nm和589.6 nm兩條譜線組成的。凡是自旋量子數(shù)為半奇數(shù)（s = 1/2， 3/2，）的粒子，稱為費(fèi)米子，如電子、中子和質(zhì)子等。由費(fèi)米子組成的粒子系統(tǒng)，服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計法；凡是自旋量子數(shù)為整數(shù)（s = 0， 1， 2， ）的粒子，稱為玻色子，如光子（s = 1）、p介子（s = 0）等。由玻色子組成的粒子系統(tǒng)，服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計法。16.3 LS耦合和jj耦合16.4 原子的殼層結(jié)構(gòu)圖16-8元素性質(zhì)的周期性 門捷列夫于1869年發(fā)現(xiàn)，如果將元素按

17、原子量的大小次序排列起來，它們的性質(zhì)會顯示出周期性的變化。雖然當(dāng)時這種排列還比較粗糙，不很連貫，并存在一些空位，但是元素性質(zhì)的周期性變化仍能明顯地表現(xiàn)出來，并且在這種周期性特征的指導(dǎo)下，先后發(fā)現(xiàn)了一些新元素（鈧Sc、鍺Ge和鎵Ga等）。從原子中移走一個電子所需要的能量，稱為電離能（ionization energy ）。圖表示了電離能隨原子序數(shù)Z的變化關(guān)系，這種關(guān)系清楚地顯示了元素化學(xué)性質(zhì)的周期性變化的特性。圖中峰值所對應(yīng)的Z值歷史上稱為幻數(shù)（magic number ），它們是2， 10， 18， 36， 54， 86等。幻數(shù)的存在，預(yù)示著元素性質(zhì)周期性的更深層次的實質(zhì)，這就是原子中電子的殼

18、層結(jié)構(gòu)（shell structure ）。 元素的性質(zhì)決定于原子中電子所處的狀態(tài)，而電子的狀態(tài)是由四個量子數(shù)，即n、 l、m和ms 來表征的，對此我們并不陌生，現(xiàn)概述如下：（1） 主量子數(shù)n：依照原子中電子的能量由低到高，n可取從1開始的一系列正整數(shù)，即n = 1， 2， 3， ；（2） 軌道量子數(shù)l：也稱角量子數(shù)，反映了電子軌道角動量的大小。對于同一個n值下的不同l的狀態(tài)，電子的能量也有差別。在n值一定的情況下，l可取n個可能的數(shù)值，即l = 0， 1， 2， ， n -1；（3） 磁量子數(shù)m：反映了電子軌道角動量在空間的取向，或軌道角動量在某特定方向（如磁場方向）的分量。對于給定的l值，

19、m可取2l+1個可能的數(shù)值，即m = 0， 1， 2， ， l；（4） 自旋磁量子數(shù)ms ：表示電子自旋角動量在空間的取向，或自旋角動量在磁場方向的分量，自旋角動量向上，ms 取1/2，自旋角動量向下，ms 取-1/2。電子在狀態(tài)上的分布遵從兩個原理：（1） 泡利（W.Pauli， 1900-1958）不相容原理（Pauli exclusion principle ）：在原子中不可能有兩個或兩個以上的電子占據(jù)同一個狀態(tài)，也就是不可能有兩個或兩個以上的電子具有相同的一組量子數(shù)（n， l， m， ms ）；（2） 能量最低原理（principle of least energy ）：在原子處于基態(tài)

20、時，電子所占據(jù)的狀態(tài)總是使原子的能量為最低。根據(jù)這兩個原理，原子中每一個由一組量子數(shù)（n， l， m， ms ）所決定的狀態(tài)只允許一個電子占據(jù)，同時，電子必定先占據(jù)能量最低的狀態(tài)，而能量最低的狀態(tài)是主量子數(shù)n為最小的狀態(tài)。1945年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國新澤西州普林斯頓大學(xué)的奧地利物理學(xué)家泡利（Wolfgang Pauli，1900-1958），以表彰他發(fā)現(xiàn)所謂泡利不相容原理。在多電子原子中，隨著電子數(shù)的增加，被電子占據(jù)的狀態(tài)的主量子數(shù)n大體上是逐漸增大的。于是我們可以按照n的不同，把電子所處狀態(tài)劃分為許多殼層，主量子數(shù)n相同的各狀態(tài)屬于同一個殼層。n = 1， 2， 3， 4， 5， 的殼層

21、分別表示為K， L， M， N， O， 殼層，而處于這些殼層上的電子分別稱為K層電子， L層電子， M層電子， N層電子， O層電子， 對于給定的主量子數(shù)n，軌道量子數(shù)l有n個可能的數(shù)值，所以在一個殼層中，按照軌道量子數(shù)l的不同又可以劃分為n個支殼層，對應(yīng)于l = 0， 1， 2， 3， 4， 5， 的各支殼層分別用s， p， d， f， g， h， 表示，處于這些支殼層上的電子，分別稱為s電子， p電子， d電子， f電子， g電子， h電子， 對于給定的軌道量子數(shù)l，磁量子數(shù)m有2l+1個可能的數(shù)值；對于給定的n、l和m，自旋磁量子數(shù)ms 可取1/2兩個可能的數(shù)值。于是，可以算得主量子數(shù)為

22、n的殼層上所能容納的電子數(shù)，為 Zn= 2（2l+1） =2n2. （16 - 54）由上式立即可以求得，K殼層可容納2個電子，L殼層可容納8個電子，M殼層可容納18個電子，等等。表16-1列出了原子各殼層和子殼層所能容納的電子數(shù)。洪德定則（hund rule ）可以表述為：（1） 由同一電子組態(tài)形成的具有相同l值的能級中，重數(shù)最高的，即s值最大的能級位置最低。（2） 由同一電子組態(tài)形成的具有不同l值的能級中，具有最大l值的能級位置最低。（3） 如果電子組態(tài)為（nl）v ，對于同一l值、不同j值的各能級的次序，有兩種情形：當(dāng)價電子數(shù)v （2l+1）時，具有最大j值的能級位置最低，這稱為倒轉(zhuǎn)次序

23、。能量最低的那個原子態(tài)就是基態(tài)。這就需要判斷原子態(tài)的能量的高低。在LS耦合下，由電子組態(tài)形成的各能級的高低次序，可以根據(jù)洪德定則來確定。如果電子正好填滿支殼層，那么m與ms 的正值和負(fù)值必定是成對出現(xiàn)，原子的自旋角動量、軌道角動量和總角動量都必定等于零，這種原子的基態(tài)為 。所以，根據(jù)這種情形，對于未滿支殼層的原子，其原子態(tài)只決定于未滿支殼層上的電子組態(tài)。如硼原子基態(tài)的電子組態(tài)是1s2 2s2 2p，其原子態(tài)應(yīng)由2p決定。可以求得由電子組態(tài)2p形成的原子態(tài)是 和 。再根據(jù)洪德定則第（3）條可以確定原子態(tài) 的能量比 高，所以 是基態(tài)。 16.5 X射線 圖16-9是產(chǎn)生X射線的X射線管的示意圖。在

24、真空玻璃管內(nèi)封有陽極A和陰極K，并在陽極和陰極之間加上幾萬到幾十萬伏的電壓。陰極K是由鎢絲制成的，當(dāng)鎢絲通電加熱時就會產(chǎn)生熱電子。這些熱電子在A、K之間的電場的作用下將以極高的速率撞擊陽極A。陽極也稱為靶，一般是由高熔點金屬制成的。當(dāng)靶受到高速電子的撞擊時，就發(fā)射出X射線，同時自身的溫度也不斷升高，需要通入冷卻液降溫。 圖16-9軔致輻射（bremsstrahlung）是由于高速電子受到靶的制動使運(yùn)動速度變化而發(fā)射的電磁波。當(dāng)加速電壓超過某臨界值時，由靶上發(fā)出的X射線中，除了連續(xù)譜（continuous spectrum ）以外，還包含線狀譜（line spectrum ），這種線狀譜就是標(biāo)識

25、輻射（characteristic radiation ）。標(biāo)識輻射與靶金屬的原子殼層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。每一種元素有一套一定波長的射線譜，可以作為識別這種元素的標(biāo)記，故得名標(biāo)識譜。圖16-10點線畫出了在35 kV加速電壓下，由鉬靶發(fā)出的兩條標(biāo)識譜線Ka和Kb疊加在連續(xù)譜上的情形。圖16-10莫塞萊（H.G.J.Moseley， 1887-1915）測量了從鋁到金總共38種元素的標(biāo)識譜發(fā)現(xiàn)，各元素的K線系和L線系都有相似的結(jié)構(gòu)，譜線頻率隨原子序數(shù)（atomic number ）的增加而緩慢增大。對于Ka譜線的頻率，莫塞萊總結(jié)出下面的經(jīng)驗公式 vka=Rc（Z 1）2（1/12 1/22）. （16

26、 - 56）這一規(guī)律稱為莫塞萊定律，式中R是里德伯常量，Z是原子序數(shù)，莫塞萊首先指出原子序數(shù)的實質(zhì)就是原子核的電荷數(shù)。上式與氫原子光譜的頻率公式很相似，差別在于用（Z-1）2 代替了Z2 。這是由于在K （n = 1）殼層上出現(xiàn)了一個空位，考慮到電子對原子核的屏蔽作用，在L （n = 2）殼層上的電子感受到的原子核的有效電荷數(shù)則（effective charge number ）是Z 1。莫塞萊（H.G.J.Moseley， 1887-1915）顯然，帶電粒子沿圓周作加速運(yùn)動比沿直線作加速運(yùn)動所產(chǎn)生的輻射要強(qiáng)得多。可以證明，在圓周運(yùn)動中，帶電粒子所產(chǎn)生的輻射與粒子質(zhì)量的四次方成反比。如果電子和

27、質(zhì)子沿相同半徑的圓形軌道以相同的能量作圓周運(yùn)動，那么電子產(chǎn)生的輻射能量要比質(zhì)子大1013 倍。因此，通常是在電子同步加速器上獲得這種輻射的，故稱同步輻射（synchrotron radiation ）。俄歇（P.V.Auger）當(dāng)在外層電子向空位躍遷時，可以不發(fā)射X射線，而是將能量傳遞給同層的其他電子或更外層的某個電子，這個電子獲得能量而脫離原子，就稱為俄歇（P.V.Auger）電子。由于俄歇電子的能量決定于原子內(nèi)層能級的結(jié)構(gòu)，因此從俄歇電子能量和強(qiáng)度的測量中可以獲得原子的結(jié)合能和內(nèi)層能級結(jié)構(gòu)等方面的信息。固體材料的俄歇電子譜可以用于對材料表面的組成和結(jié)構(gòu)的分析。同步輻射至優(yōu)異特性：（1）強(qiáng)度

28、大?？梢宰C明，當(dāng)能量為E（單位為GeV）的電子沿半徑為R （單位為m）的圓周運(yùn)動時，如果電子流強(qiáng)度為I（單位為A），則同步輻射的總功率P（單位為kW）可以表示為目前超大功率的X光管所產(chǎn)生的X射線的功率在10 W的量級，而一臺普通的同步加速器產(chǎn)生的同步輻射的功率在10 kW 的量級，德國的一臺20 GeV的同步加速器可產(chǎn)生功率達(dá)1500 kW的同步輻射。（2） 能譜寬。同步輻射是連續(xù)譜，波長的范圍很寬，可以作為波長連續(xù)可調(diào)的光源，最短波長決定于電子的能量。（3） 方向性好。同步輻射的角分布（angle distribution ）與電子的速度有關(guān)，當(dāng)電子的速度接近光速時，同步輻射幾乎全部集中在電

29、子運(yùn)動的切線方向，其準(zhǔn)直性可與激光相媲美。（4） 偏振性好。同步輻射是完全的線偏振波（linearly polarized wave ），振動面與電子回旋的軌道平面相垂直。（5） 時間結(jié)構(gòu)好。脈沖寬度（pulse width ）很窄，脈沖間隔較長且可調(diào)，有利于觀測與時間有關(guān)的現(xiàn)象。同步輻射作為一種性能優(yōu)異的新光源，目前已經(jīng)應(yīng)用于固體物理和材料科學(xué)的研究以及超大規(guī)模集成電路研制中，并且已經(jīng)展現(xiàn)了它的廣闊的應(yīng)用前景。16.6 激光假設(shè)原子處于能量為E1的低能態(tài)，由于從外界吸收了一個能量為DE的光子而達(dá)到能量為E2的高能態(tài)，這一過程稱為光吸收。當(dāng)原子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)時，必將發(fā)射出能量為 hv=E

30、2 E1 =DE的光子，這一過程稱為光輻射（light radiation ）。而光輻射可能有兩種情形，一種情形是原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，這稱為自發(fā)躍遷（spontaneous transition），相應(yīng)的輻射稱為自發(fā)輻射（spontaneous radiation）。另一種情形是在外界的影響下原子才由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，這稱為感應(yīng)躍遷（stimulated transition ），相應(yīng)的輻射稱為受激輻射（stimulated radiation ）。原子在某一能態(tài)停留的平均時間，就是該能態(tài)的平均壽命（average life ），用t表示。處于高能態(tài)的原子中，在單位時間內(nèi)從高能態(tài)

31、E2自發(fā)躍遷到低能態(tài)E1 的原子數(shù)比率A21 ，稱為原子自發(fā)躍遷的概率，它與高能態(tài)E2的平均壽命t之間有下面的關(guān)系 t =1/A21.這表明，自發(fā)躍遷的概率越大，該能態(tài)的平均壽命就越短。一般激發(fā)態(tài)自發(fā)躍遷的概率都很大，所以激發(fā)態(tài)的平均壽命通常極其短暫，約為10-8 s。處于高能態(tài)E2的原子在發(fā)生自發(fā)躍遷之前，若受到能量為hn = DE的外來光子的擾動，就可能發(fā)生感應(yīng)躍遷，從高能態(tài)E2躍遷到低能態(tài)E1 ，同時發(fā)生受激輻射，即發(fā)出一個與外來光子同頻率、同相位、同振動方向和同傳播方向的光子。這樣，連同入射的那個光子，將得到兩個同樣的光子。既然入射一個光子可以得到兩個處于相同狀態(tài)的光子，那么能否得到三

32、個、四個乃至更多的同頻率、同相位、同振動方向和同傳播方向的光子呢？如果發(fā)生這種被稱為光放大的過程，那么我們就能獲得一束單色性和相干性都很好的高強(qiáng)度光束，這就是激光（ light amplification by stimulated emission of radiation ，laser）。在通常的物質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion）是難以實現(xiàn)的，這是由于這些物質(zhì)的原子激發(fā)態(tài)的平均壽命都極其短暫，當(dāng)原子被激發(fā)到高能態(tài)后，會立即自發(fā)躍遷返回基態(tài)，不可能在高能態(tài)等待并積攢足夠多的原子從而出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的情形。有些物質(zhì)的原子能級中存在一種平均壽命比較長的高能態(tài)能級，這種能級

33、稱為亞穩(wěn)能級（metastable level ），亞穩(wěn)能級的存在使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)成為可能。 圖16-12圖16-12畫出了某種物質(zhì)的原子中存在的一部分能級的示意圖，四個能級中E2是亞穩(wěn)能級。當(dāng)用頻率為 v30=（E3 - E0）/h 的光照射該物質(zhì)時，將會有大量的原子從基態(tài)E0 激發(fā)到高能態(tài)E3，由于E3能級的壽命極短，處于E3能態(tài)的原子將通過與其他原子碰撞等無輻射躍遷很快到達(dá)亞穩(wěn)能級E2。由于亞穩(wěn)能級E2的壽命比較長，所以在這個能級上可以積攢足夠多的原子。而這時處于E1 能級的原子數(shù)則是極少的，于是就形成了E2能級對E1 能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由E2到E1 的自發(fā)輻射就會引發(fā)光放大過程，產(chǎn)生頻率為 v21=（E2 E1 ） /h （16 - 59） 的受激輻射。顯然，在形成E2能級對E1 能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程中，外界是要向工作物質(zhì)提供能量的。原子獲得能量才得以從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，這種過程稱為抽運(yùn)過程（pumping proc