高二物理競賽Stern-Gerlach實驗與原子空間取向的量子化課件

1、Stern-Gerlach實驗與原子空間取向的量子化1921年史特恩(O.Stern)和蓋拉赫(W.Gerlach)實驗首次觀測到原子在磁場中取向量子化。實驗原理：從容器O的小孔逸出的銀原子經狹縫S1和S2準直后，以速度v沿x方向運動。在狹縫S2右邊有一個橫向非均勻的磁場Bz,Bz的大小沿z方向發(fā)生變化。原子在Bz的作用下將偏離X軸，而落到屏上距X軸距離Z2處.2．玻爾-索末菲理論與實驗比較軌道角動量：外場方向投影：

共對應某一角量子數nφ的軌道角動量取值，該軌道在外磁場中只有2nφ+1個可能的取向，也是量子化的!ZZZ史特恩-蓋拉赫實驗中出現偶數分裂的事實說明電子的軌道運動似乎不是全部的運動。換句話說，

軌道磁矩應該只是原子總磁矩的一部分！相應的磁矩又是什么呢？共

個奇數，但實驗結果是偶數。第四章電子自旋那另一部分的運動是什么呢？愛因斯坦的發(fā)射和吸收定則設某原子體系只有能級這些能級按大小排列為受激吸收：由較低能級躍遷到較高能級只能從外界吸收能量。原子由較高能級躍遷到較低能級可以分為兩種：自發(fā)輻射：不受外界影響情況下由受激輻射：在外界輻射場作用下由兩種躍遷皆發(fā)射:原子、分子、離子，統稱粒子相互作用的三種過程自發(fā)輻射(SP)

E1E2hn(Spontaneous

Emission)受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulatedabsorption)受激輻射(STE)hnE1E22hn(StimulatedEmission)輻射頻率根據統計物理中，Maxwell-Boltzman分布,大量原子相互碰撞，達到平衡時，各個狀態(tài)的原子數Ni決定于狀態(tài)的能量Ei和溫度T：E1E2E1E2hnhn

自發(fā)輻射（SpontaneousEmission）。主要特征：無需外來光，隨機發(fā)光。自發(fā)輻射幾率(Spontaneoustransitionrate)A21

：一個原子單位時間內由狀態(tài)2自發(fā)躍遷到狀態(tài)1的幾率dt時間內，從狀態(tài)2躍遷到狀態(tài)1的原子數：推導A21ands

的關系式E1E2hn

在自發(fā)輻射過程中，E2能級上粒子隨時間按指數衰減；自發(fā)輻射幾率A21與自發(fā)輻射(能級)壽命ts呈倒數關系；

ts越長，狀態(tài)越穩(wěn)定，不易躍遷，反之亦然；10-8s量級；

A21只決定于物質本身性質，與輻射場無關；光譜線強度與初態(tài)原子數和躍遷幾率成正比：原子停留在狀態(tài)2的時間有長有短，計算狀態(tài)2的原子的平均壽命s

：

受激躍遷

受激吸收stimulatedabsorption(STA)

受激發(fā)射stimulatedemission(STE)hnE1E2

受頻率為的光的作用

受激吸收系數

B12一個原子單位時間內從狀態(tài)1躍遷到狀態(tài)2的幾率

受激輻射系數

B21

受激躍遷幾率與輻射場的強度成正比；能級21and12的受激躍遷幾率相等；受激躍遷與自發(fā)輻射是本質不同的物理過程；可得到狀態(tài)2躍遷到狀態(tài)1的原子總數：

B12和B21的大小只與物質本身性質有關，與外界輻射場無關；激光原理激光產生的條件:粒子數反轉分布

水泵將水池E1中水提升到E3中

E3有較粗排水管，水易進入E2E2的粗排水管用活塞堵住，則總有E2

中水超過E1的時刻打開活塞，E2中水奔流而出

用定能量定波長光對工作物質照射，使得處于能級E1的原子激發(fā)到E3能級；

E3能級壽命短，很快以非輻射躍遷方式轉移到E2能級，E2壽命長，且自發(fā)輻射幾率?。患毠?；大量原子集中在E2能級，實現粒子數的布局反轉；以合適頻率光觸發(fā)輻射躍遷，實現受激輻射大于受激吸收的輻射現象；采用合適方法，讓產生的光子反復通過激光物質，產生雪崩效應，持續(xù)發(fā)射大量特征相同的光子，完成了放大功能，稱光泵浦過程。對應原理對應原理是物理學發(fā)展中的一個重要原理1906年，普朗克指出：h0的極限情況下，量子物理可還原為經典物理。1920年，提出對應原理：

在大量子數n∞的極限條件下，量子規(guī)律趨向經典規(guī)律，得到一致的結果。

在原子范疇內的現象與宏觀范圍內的現象可以各自遵循本范圍內的規(guī)律；例1：氫原子理論結果符合對應原理的要求兩能級差：時，能級趨于連續(xù)，量子化特性消失。例2：氫原子理論結果符合對應原理的要求電子軌道運動頻率：即為經典理論輻射頻率玻爾理論輻射頻率：

時，原子輻射頻率趨于經典電子軌道運動頻率及其高次諧頻。寶象勛章對應原理——互斥即互補

玻爾理論成就提出了微觀體系特有的量子規(guī)律，如能量量子化、角動量量子化，頻率條件等，啟發(fā)了原子物理向前發(fā)展的途徑。提出了動態(tài)的原子結構輪廓；指出了經典理論有的不適用于原子內部；第一次把光譜的實驗事實納入一個理論體系中；歷史地位：承前啟后玻爾理論的困難由于沒有拋棄經典理論框架，不可避免地導致了理論的先天性缺陷。為什么電子與原子核遵守庫侖定律，但加速電子在定態(tài)上卻不發(fā)射電磁波？譜線強度？偏振？選擇定則？等；不能推廣至僅比氫多一個電子的氦原子？！玻爾正在授課

玻爾（左）和海森伯（中）泡利（右）在一起玻爾理論在人們認識原子結構的進程中有很大的貢獻----1922年玻爾獲諾貝爾物理獎

玻爾與五子玻爾研究所（1）“彈性”碰撞：當二粒子碰撞時，如果只有粒子平移能量的交換，內部能量不變?；玖Ｗ悠揭苿幽茌^小時。（2）“非彈性”碰撞：當二粒子碰撞，原子或分子的內部能量有增減，粒子