原子中的電子1第1頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氫原子的量子力學(xué)處理用薛定諤方程求解氫原子中電子的能級(jí)和本征波函數(shù)，是量子力學(xué)創(chuàng)立初期最令人信服的成就。質(zhì)子的質(zhì)量比電子的質(zhì)量大的多，在氫原子中可近似認(rèn)為質(zhì)子靜止而電子運(yùn)動(dòng)，因此電子的能量就代表整個(gè)氫原子的能量。電子受質(zhì)子的庫(kù)侖力作用，勢(shì)能函數(shù)為由于求解過(guò)程比較復(fù)雜，下面只介紹求解的思路和步驟，列出結(jié)果并討論物理意義。第2頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§3.5各種原子核外電子的排布一、四個(gè)量子數(shù)描述原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要一組量子數(shù)主量子數(shù)n=1,2,3,…是決定能量的主要因素；軌道角量子數(shù)l=0,1,2…(n-1)

—n，l，ml

，ms軌道磁量子數(shù)第3頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1945年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者

——泡利奧地利人WolfgangPauli1900—1958提出泡利不相容原理第4頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月能量最小原理：電子優(yōu)先占據(jù)最低能態(tài)32103d3p3s2102p2s101sZeKLMn=1n=2n=3第5頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月L0zLz角動(dòng)量的空間量子化

（spacequantization）角動(dòng)量的大小為：l

=0,1,2,3,…由于角動(dòng)量在空間的取向

只有（2l+1）種可能性，因而其空間的取向是量子化的。只有五種可能的取向。l=2，

例如：對(duì)z軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱第6頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月施特恩—蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的意義原子沉積層不是連續(xù)一片，而是分開(kāi)的線，

(2)發(fā)現(xiàn)了新的矛盾

l=0，應(yīng)有一條沉積線。(3)提供了原子的“態(tài)分離”技術(shù)，至今仍適用。(1)證明了空間量子化的存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻有兩條沉積線，這說(shuō)明原來(lái)對(duì)原子中電子運(yùn)動(dòng)的描述是不完全的。說(shuō)明角動(dòng)量空間量子化的存在。第7頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子自旋（electronspin）的影響很小

1925年烏倫貝克（G.E.Uhlenbeck）和古茲電子不是質(zhì)點(diǎn)，有固有的自旋角動(dòng)量應(yīng)的自旋磁矩

電子帶負(fù)電，磁矩的方和相提出了大膽的假設(shè)：米特（S.Goudsmit）根據(jù)施—蓋實(shí)驗(yàn)的事實(shí)，向和自旋的方向應(yīng)相反。第8頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月和朝下兩種取向。這一經(jīng)典圖象若把電子視為r=10-16m的小球，算出的電子表面速度>c!面對(duì)按經(jīng)典圖象理解所給出的“荒謬”結(jié)果，烏、古二人(當(dāng)時(shí)不到25歲)曾想撤回自旋的論文，相對(duì)于外磁場(chǎng)方向（z），有朝上z按S

估受到了泡利的責(zé)難。第9頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“Youarebothyoungenoughtoallowyourselvessomefoolishness!”

但他們的導(dǎo)師埃倫菲斯特(P.Ehrenfest)鼓勵(lì)道：自旋角動(dòng)量也應(yīng)有

s—自旋量子數(shù)，mS—自旋磁量子數(shù)可給出自旋角動(dòng)量的量子化：l=0,1,2…(n1)自旋雖然不能用經(jīng)典的圖象來(lái)理解，但仍軌道角動(dòng)量類比軌道角動(dòng)量的量子化，然和角動(dòng)量有關(guān)。第10頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、電子的殼層分布一支殼層內(nèi)電子可有(2l+1)×2種量子態(tài)，主量子數(shù)為n的殼層可容納的電子數(shù)為：同一個(gè)n組成一個(gè)殼層（K,L,M,N,…）相同n,l組成一個(gè)支殼層（s,p,d,f,…）電子是費(fèi)米子，由泡利不相容原理自旋磁量子數(shù)第11頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微觀粒子的全同性同種微觀粒子的質(zhì)量、自旋、電荷等固有性質(zhì)都是全同的，不能區(qū)分。不過(guò)經(jīng)典理論尚可按運(yùn)動(dòng)軌道來(lái)區(qū)分同種粒子。而在量子理論中，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是用波函數(shù)描寫(xiě)的，沒(méi)有確定的軌道，因此也是不可區(qū)分的。物理把這稱做“不可分辨性”，或“全同性”。量子它們第12頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全同粒子按自旋劃分，可分為兩類：

1、費(fèi)米子（Fermion）e

,p,n

,等,費(fèi)米子和玻色子泡利不相容原理例如：費(fèi)米子是自旋s為半整數(shù)的粒子自旋s=1/2。費(fèi)米子波函數(shù)反對(duì)稱：“不能有兩個(gè)全同費(fèi)米子處于同一單粒子態(tài)”—泡利不相容原理（Pauliexclusionprinciple）當(dāng)量子態(tài)A=B時(shí)，第13頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光子

—s=1。玻色子的波函數(shù)是對(duì)稱的：—s=0，例如：一個(gè)單粒子態(tài)可容A=B時(shí)，不受泡利不相容原理的制約。

2、玻色子（Boson）玻色子是自旋s為0或整數(shù)的粒子這表明：納多個(gè)玻色子，第14頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

激光又名萊塞

（Laser），它的全名是：（Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）“輻射的受激發(fā)射光放大”世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960年。它們的基本原理都是基于1916年愛(ài)因斯坦提出的受激輻射理論?！?.7激光簡(jiǎn)介第15頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、受激輻射（stimulatedradiation）

若入射光子的能量h等于原子高、低能級(jí)的能量差E2E1、且高能級(jí)上有原子存在時(shí)，入射光子的電磁場(chǎng)就會(huì)誘發(fā)原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)放出一個(gè)與入射光子完全相同的光子hE2E1N2N1●●輻射的光子：頻率、相位、振動(dòng)方向和傳播方向相同的光子。－光放大作用第16頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)（populationinversion）N2<N1N1N2EnNn要產(chǎn)生光放大必須N2>N1由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：—粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)第17頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月HeNe氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)，之比為5:110:1。（電子的碰撞使He原子被He與Ne激發(fā)的概率使比Ne原子被激發(fā)的概率大）第18頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子碰撞躍遷碰撞轉(zhuǎn)移

亞穩(wěn)態(tài)受激輻射粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)發(fā)布與管壁碰撞發(fā)生無(wú)輻射躍遷0.6328m1.15m3.39m紅光紅外第19頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、光學(xué)諧振腔（opticalharmonicoscillator）

激勵(lì)能源全反射鏡部分反射鏡激光為了加強(qiáng)光放大，受激輻射光需要反復(fù)通過(guò)激活物質(zhì)，這就需要在激活物質(zhì)兩側(cè)有兩個(gè)反射鏡，構(gòu)成一個(gè)“光學(xué)諧振腔”。第20頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月使激光具有極好的單色性（選頻）光學(xué)諧振腔除使受激輻射沿軸線反復(fù)放大外，還有另一重要作用：，光學(xué)諧振腔具有選頻作用。第21頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、激光器的三個(gè)主要組成部分的作用1、激活介質(zhì)

2、激勵(lì)能源

單色性。有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3、光學(xué)諧振腔保證光放大，使激光有良好的方向性和使原子激發(fā)，維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第22頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、激光的特點(diǎn)1、相干性極好2、方向性極好3、亮度和強(qiáng)度極高第23頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月神光