91原子發(fā)光的機(jī)理

1、§9-1 原子發(fā)光的機(jī)理我們知道，當(dāng)固體和氣體加熱到很高溫度時，就會發(fā)光，它們是主要的人造光源，太陽和遙遠(yuǎn)的星球，處在高溫等離子狀態(tài)，是宇宙中最卓越的光源，從最亮的星球上發(fā)射出許多和我們在實驗室里所觀察到的相同的光譜，這一事實直接證明了我們看到的來自宇宙的光，也同樣可以來自地球上某些化學(xué)元素，從氣體分子，液體，和固體內(nèi)部所發(fā)出的光，在許多方面和從單個原子所發(fā)的光相類似。因此，我們先簡要地介紹一下原子的發(fā)光機(jī)理，然后再討論激光方面的問題。一、玻爾的氫原子模型為了要從原子結(jié)構(gòu)出發(fā)來說明發(fā)光的基本原理，首先介紹玻爾的氫原子模型。按照玻爾理論，氫和類氫原子是由質(zhì)量為、帶有負(fù)電荷的單個電子和質(zhì)

2、量為、帶有電荷的原子核所組成的，電子圍繞著原子核作圓周運動(圖91)（圖9-1），Z是原子序數(shù)，對氫原子來說Z=1，電子與原子核之間的靜電吸引力，等于電子圍繞原子核轉(zhuǎn)動的向心力，因此 （9-1）式中，為電子與原子核間的距離，即原子半徑，為電了繞核轉(zhuǎn)動的速度，在單位制下，。 玻爾引用量子論，提出了一個假設(shè)，電子的角動量，只能等于的整數(shù)倍，即 （9-2）式中，為普朗克常數(shù)，等于稱為主量子數(shù)，可取正整數(shù)1、2、3、。玻爾的這個假設(shè)，意味著電了運動的軌道不是任意的，而只能是一些量子化的軌道，把（9-1）式和（9-2）式聯(lián)立起來，可以解出玻爾模型中的氫和類氫原子中電子的軌道半徑為 （9-3）并可得出電子

3、的軌道速度為 （9-4）式中圖9-2定性地描出了1、2、3、4、5等五個圓軌道的相對大小，玻爾從理論上成功地算出了氫原子的大小交得出軌道之間的躍遷頻率，這些理論計算值與已知的實驗結(jié)果在一定程度上是符合的。二、能級圖我們可以根據(jù)玻爾的這個假設(shè)算出電子在每一個玻爾軌道上的總能量，從經(jīng)典的觀點來講，這具總能量是電子勢能與動能之和，電子勢能為由（9-1）式得電子動能為所以電子總能量為 （9-5）總能量是負(fù)的，表示要把電子從原子中移開必須對電子做功，這正是我們所預(yù)期的，（9-5）式是原子結(jié)構(gòu)的一個重要方程，它給出了氫原子的能量，只要知道電子處于第幾個軌道，即知道的數(shù)字，就可以根據(jù)（9-5）式求出它的總能

4、量，也就是說可用來表征能量的大小，越大，能量就越大，而大，表示電子所在的軌道半徑大；小，表示電子所在的軌道半徑小(圖92)（圖9-2），習(xí)慣上，也可以畫一條條水平線，用它的高低來代表能量的大小，這樣的圖形就稱為能級圖（圖93）（圖9-3），能量單位一般采用電子伏特（）。三、原子發(fā)光的機(jī)理為了說明發(fā)光的機(jī)制，玻爾又作了另一個假定，他認(rèn)為，當(dāng)電子在某一個固定的允許軌道上運動時，并不發(fā)射光子，當(dāng)電子從一個能量較大的狀態(tài)跳躍到另一個能量較小的狀態(tài)時，電子的總能量發(fā)生變化，這部分能量的改變值，就以光子的形式輻射出來，反之，當(dāng)電子從一個能量較小的狀態(tài)躍遷到能量較大的狀態(tài)時，它吸收光子。例如，從圖9-3來看，我們用、，分別代表時的能量，當(dāng)電子從躍遷到時，它的能量增加了-，因此它必須吸收能量，若該能量是光子提供的，則相就原光子的能量為，又如，如果電子從跳到，它的能量減少了，因此它輻射出能量為的光子，且=。量子力學(xué)處理的結(jié)果說明，一個原子、分子或離子可能具有的狀態(tài)是很多的，每一個狀態(tài)都具有特定的能量，在許多可能狀態(tài)