【正文】 度 。具有以下幾種相同的含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)。 n深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 五、原子的能級結(jié)構(gòu) （一）原子能級、簡并度 ? 原子由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的核外電子組成，原子核帶正電，電子帶負(fù)電，但二者電量相等。電子一方面繞核作軌道運(yùn)動，一方面本身作自旋運(yùn)動。 ? 電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)時，運(yùn)動并非雜亂無章，各有各的軌道。按照一定規(guī)律分布在若干層特定的軌道上。兩層之間沒有可以讓電子停留的軌道。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 通常情況下，電子在距原子核最近的軌道上運(yùn)動，原子處于最低的能量狀態(tài)， 稱為 基態(tài) (ground state) 。這種狀態(tài)很穩(wěn)定。 ? 一旦有外界的作用，例如電的激發(fā)、光的照射或其它粒子的撞擊，原子系統(tǒng)就得到外力（能量），原子中的電子就會從低軌道跳（躍遷）到某一高軌道上去。原子處在這種狀態(tài)時，稱為 激發(fā)態(tài)(excited state)。 原子在激發(fā)態(tài)很不穩(wěn)定，通常只能停留很短（ 108s）的時間。 ? 除基態(tài)、激發(fā)態(tài)外，還有 一個中間狀態(tài)存在。原子在中間狀態(tài)停留的時間比在激發(fā)態(tài)停留的時間長得多，這一狀態(tài)稱為 亞穩(wěn)態(tài) (103s左右 ) 。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 原子中電子的狀態(tài)由四個量子數(shù)來確定： 主量子數(shù) n。 n=1,2,3,… 。 主量子數(shù)大體上決定原子中電子的能量值。不同的主量子數(shù)表示電子在不同的殼層上運(yùn)動。 ? 角量子數(shù) l。 l=0,1,2,…,(n 1) 。 它表征電子有不同的軌道動量矩。對于 l=0， 1， 2， 3等的電子，依次用 s， p， d， f字母表示。 ? 磁量子數(shù) m。 m=0,177。 1, 177。 2, …, 177。 l。 磁量子數(shù)可以決定軌道動量矩在外磁場方向上的分量。 ? 自旋量子數(shù) s。 s=177。 1/2 ， 決定電子自旋動量矩在外磁場方向上的分量。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 電子具有的量子數(shù)不同，表示不同的電子運(yùn)動狀態(tài) 。電子在一系列確定的分立狀態(tài)運(yùn)動時，相應(yīng)有一系列分立的不連續(xù)的能量值。這些能量通常叫電子（原子系統(tǒng)）的 能級 (energy levels)。依次用 E EE … 、 En表示。也就是說，原子處于每一個能量狀態(tài)時，都有一個確定的能量值，這些數(shù)值各不相同，把它們用高低不同的水平線形象地表示出來，就是原子的能級圖。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 一般說， 處于一定電子態(tài)的原子對應(yīng)某個一定的能級 。反過來， 某一能級并不只對應(yīng)一個電子態(tài) ，可以對應(yīng)于若干個量子態(tài)，即電子可以有兩個或兩個以上的不同運(yùn)動狀態(tài)具有相同的能級。這種能級叫 簡并能級 ，它所對應(yīng)的不同電子運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)目，叫 能級的簡并度 ，用字母 f（ 或 g） 表示。 ? 換句話說，如果一個能級中包含的量子態(tài)數(shù)目不止一個，稱這一能級是簡并的，所包含的數(shù)目稱為該能級的簡并度。如果一個能級只與一個量子態(tài)對應(yīng)，即 g=1，則此能級是非簡并的。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? In real systems containing atoms, molecules or ions, it frequently happens that different configurations of the system can have exactly the same energy. If a given energy level corresponds to a number of different arrangements specified by an integer g, we call g the degeneracy of the level. We call the separate states of the system with the same energy sublevels. 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 原子 狀態(tài) n l m s 簡并度 1s 1 0 0 ↑↓ g1=2 2p 2 1 1 0 1 ↑↓ ↑↓ ↑↓ g2=6 氫原子 1s、 2p態(tài)的簡并度 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 把原子、分子和離子，統(tǒng)稱為粒子。 ? 由于原子熱運(yùn)動，原子間相互碰撞或原子與器壁的碰撞，不可能所有原子都處在基態(tài)，有一定數(shù)量的原子激發(fā)到不同的激發(fā)態(tài)。 ? 大量原子組成的系統(tǒng)在熱平衡條件下，原子數(shù)（或稱集居數(shù)）按能級分布遵循一個確定的統(tǒng)計分布規(guī)律，即服從玻爾茲曼定律 ： ? N表示處于能級 E上的單位體積中的粒子數(shù) ， N0為單位體積中的總粒子數(shù) ， kb= 1023J/K， 稱為玻爾茲曼常數(shù)； T為熱平衡時的絕對溫度 ， 單位為開 【 爾文 】 （ 符號 K） ； e=。 （二） 粒子數(shù)目按能級的分布 0EkTN N e ??深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 玻爾茲曼分布闡明了粒子在能級上的正常分布。從總的粒子集團(tuán)來看，處于能量較低能級的粒子較多，處于能量較高能級的粒子較少，而處于基態(tài)粒子最多。也就是說，處于熱平衡狀態(tài)的粒子體系，高能級上的粒子數(shù)總是少于低能級上的粒子數(shù)。處于越高的能級，粒子數(shù)越少，而且按指數(shù)減少。 N2為單位體積內(nèi)處于高能級 (upper level)E2上的原子數(shù)， N1為單位體積內(nèi)處于低能級 (lower level)E1上的原子數(shù)。 f f1分別為能級 E2和 E1的簡并度，為簡化起見令 f2=f1。 ]e xp[ )(1212 12TkEEbffNN ???深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? Boltzmann?s Principle states that when a collection of atoms is in thermal equilibrium at a positive temperature T, the relative populations of any two energy levels E1 and E2 are given by ? Thus for a collection of atoms is in equilibrium at a normal positive temperature T, an upperlevel population is always smaller than a lowerlevel population. ]e xp[ )(12 12TkEEbNN ???深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 （三）輻射躍遷和非輻射躍遷 ? 一個處于高能級 E2的原子，總是力圖使自己的能量狀態(tài)過渡到低的能級 E1。 ? 只有在滿足輻射躍遷選擇定則時，一個處于高能級 E2的原子才能通過發(fā)射一個能量?=h?=E2E1的光子，而使它躍遷到低能級 E1。 ? 也只有在滿足輻射躍遷選擇定則時，一個處于低能級 E1的原子才有可能吸收一個能量為?=h?=E2E1的外來光子，而使該原子躍遷到高能級 E2。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 這種發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級間躍遷的現(xiàn)象叫 輻射躍遷 。它必須滿足輻射躍遷選擇定則。 ? 非輻射躍遷 表示原子在不同能級躍遷時并不伴隨光子的發(fā)射或吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給它的能量 (如果放出的內(nèi)能以熱運(yùn)動的形式出現(xiàn) )，所以 不存在選擇定則的限制 。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 光的受激輻射基本概念 ? 光與物質(zhì)的共振相互作用，特別是其中的受激輻射是激光器的物理基礎(chǔ) ? 1900年普朗克（ Max Planck）用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律 ? 1913年波爾（ Niels Bohr）提出原子中電子運(yùn)動狀態(tài)量子化假設(shè) ? 1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 一、黑體輻射的普朗克公式 ? 處于某一溫度 T的物體能夠發(fā)出和吸收電磁輻射，稱為熱輻射或溫度輻射。 如果某一物質(zhì)能夠完全吸收任何波長的電磁輻射，則稱此物體為絕對黑體，簡稱黑體。 ? 處于某一溫度 T的黑體在熱平衡情況下，吸收的輻射能量等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場之間處于能量 (熱 )平衡狀態(tài)。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 這種平衡必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場。這種輻射場稱為 黑體輻射或平衡輻射 （ blackbody radiation） 。 ? 黑體輻射是黑體溫度 T和輻射場頻率 ?的函數(shù) ，用 單色能量密度 ??來描述：在單位體積內(nèi)，頻率處于 ?附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量 (J?m3?s） 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? A particularly important kind of radiation field is that emitted by a black body. Such a body absorbs with 100% efficiency all the radiation falling on it, irrespective of the radiation frequency. A close approximation to a black body (absorber and emitter) is a enclosed cavity containing a small hole. Radiation that ent