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工學(xué)]第二十一章原子的量子理論(參考版)

2025-01-15 12:53本頁面
  

【正文】 用氬的蘭綠激光為猴子作視網(wǎng)膜脫落焊接手術(shù) 激光全息底片 再現(xiàn)的物象 全息技術(shù) 如全息技術(shù)、干涉計量和測距;又如材料加工,醫(yī)學(xué)上的激光手術(shù),農(nóng)業(yè)的種子處理,以及各種軍事應(yīng)用等。 4. 極高的亮度 輸出功率為 10mW 的 HeNe 激光器產(chǎn)生的亮度比太陽大幾千倍。 激光具有不同于普通光的一系列性質(zhì): 2. 良好的單色性 HeNe 激光器發(fā)出的激光頻率寬度只有 。 在諧振腔中必須是駐波才能形成穩(wěn)定的激光振蕩,則要求光腔的長度為半波長的整數(shù)倍,即 ?,3,2,1 ,2 ?? nnL ?M2 M1 M2 M1 全反射鏡 半反射鏡 偏離軸線的光逸出腔外 輸出 平行軸線的光來回反射 四 . 激光器 氦 氖氣體激光器 E’2 E1 E2 基態(tài) 碰撞交換 放電 nm E’1 基態(tài) He Ne E’3 M1 M2 高壓直流電源 陽極 陰極 毛細(xì)管 nm He、 Ne混合氣體 激光器的基本結(jié)構(gòu)包含三個部分 :( 1)工作物質(zhì);( 2)光學(xué)諧振腔;( 3)激勵能源。 三 . 激光原理 1. 粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)與光放大 當(dāng)頻率為 的光子入射時, dt 時間內(nèi)由于受激輻射和受激吸收使入射單色光波場凈增的相干光子數(shù)為 hEE /)( 12 ???tNNBNNN )d)((ddd 12212121 ???? ??亞穩(wěn)態(tài) E2 E1 E3 基態(tài) 激發(fā)態(tài) 光激勵 nm 紅寶石受強(qiáng)光照射,鉻離子被激勵到激發(fā)態(tài),很快轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài),實現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)對基態(tài)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 t 時刻處于低能級 E1上的原子數(shù)為 N1,則 dt 時間內(nèi)受激吸收由低能級 E1到高能級 E2上的原子數(shù)為 tNBN d)(d 11212 ???3. 受激吸收 hEE /)( 12 ???受激吸收 E2 E1 ?hB12為愛因斯坦受激吸收系數(shù), 為輻射能密度。 hEE /)( 12 ???受激輻射 E2 E1 ?h?hB21為愛因斯坦受激輻射系數(shù), 為輻射能密度。 自發(fā)輻射 E2 E1 ?h 在頻率為 的入射光子激勵下,處于高能級 E2上的原子以一定的概率向低能級 E1躍遷,同時發(fā)出一個頻率為 的光子。 在兩能級 E1和 E2( E2 E1 )上原子數(shù)之比為 kTEi iN /e ??一 . 原子在各能級上的分布 kTEENN /)(12 12e ??? 在沒有外界影響的條件下,處于高能級 E2上的原子以一定的概率向低能級 E1躍遷,同時發(fā)出一個頻率為 的光子。 219 激光 大量同種原子構(gòu)成的原子系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時,遵從玻爾茲曼分布律,處于能量為 Ei上的原子數(shù)為 由此可得 N2 N1,即表明 在熱平衡下,高能級上的原子數(shù)小于低能級上的原子數(shù)。 原子中電子的各能級能量由低到高順序為 6d 7 s , 6 p , 5 d , 4 f , 6 s , 5 p , 4 d , 5 s , 4 p , 3 d , 4 s , 3 p , 3 s , 2 p , 2 s , 1 s , 電子在泡利不相容原理限制下,按照以上順序填充(有少數(shù)例外)。 根據(jù)泡利不相容原理可以算出每一殼層最多可容納多少個電子 : 主量子數(shù)為 n 的殼層, l 有 n 個可能值 )1(, ,2 ,1 ,0 ?? nl ?對應(yīng)于每個 l , ml有 ( 2 l +1) 個可能值,再考慮到電子自旋,此 殼層最大電子數(shù)為 21022 ]}1)1(2[22{)12(2 nnnlZnl??????? ???殼層: K, L, M, 容納的最大電子數(shù): 2, 8, 18, 得 三 . 能量最小原理 當(dāng)原子處于正常狀態(tài)時,每一個電子都盡量占據(jù)最低空能級。 2. 角量子數(shù) l 3. 磁量子數(shù) ml 4. 自旋量子數(shù) mS ?,3 ,2 ,1?n)1(, ,2 ,1 ,0 ?? nl ?lm l ???? , ,2 ,1 ,0 ?21??Sm一 . 多電子原子的量子態(tài) 二 . 泡利不相容原理 主量子數(shù) n相同的電子屬于同一殼層 ?,3 ,2 ,1 ?n殼層: K, L, M, 同一殼層中角量子數(shù) l 相同的屬于同一支殼層 ?,3 ,2 ,1 0, ?l支殼層: s, p, d, f, 在一個原子內(nèi)不可能有兩個或更多的電子處在同一狀態(tài),即具有完全相同的一組量子數(shù)。 S???z π221 h?π221 hS?167。 磁場 銀原子源 N S 玻璃片 ? 電子的自旋 斯忒恩 格拉赫實驗( 1922年) 銀原子的價電子處于 s 態(tài),無軌道角動量和軌道磁矩, 1925年倫貝爾和高斯米特提出電子自旋假設(shè),電子具有 自旋磁矩 和 自旋角動量 。角動量在空間給定方向的投影為 lmhmL llz ????? , ,2 ,1 ,0 ,π2 ?即角動量在給定方向的分量是量子化的。 217 氫原子 電子自旋 氫原子中可認(rèn)為質(zhì)子固定不動,電子在原子核電場中與
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