2022-2023学年高二物理竞赛课件：原子的激发和辐射激光原理

原子的激发和辐射激光原理 2023/7/30 2 原子的激发和辐射激光原理 通过前面的讨论知道： 1、一个原子可处于不同状态，不同状态具有不同能量； 2、不同状态的能量值是彼此分立的，称为能级； 3、能量最低状态称作基态，能量较高状态称作激发态。 原子状态的改变： 1、原子的激发：处于较低能态的原子吸收光子能量跃迁 到能量较高状态的过程； 2、原子的辐射：处于较高能态的原子通过辐射光子退到 能量较低状态的过程。 其中吸收和发射光子的能量为hν，大小等于原子两能级 差，即满足辐射跃迁的频率条件。 下面具体讨论这两个问题。 2023/7/30 3 用三个坐标确定电子的空间位置: r: 电子的径向位置； φ: r在轨道平面上的方位角，用α表 示轨道角动量与极轴之间的夹角； ψ: r在水平面上的投影所具有的方位角。 其实质就是选择球坐标系。与三个坐标相对应的动量为 线动量： 角动量： 角动量在Z方向分量： 分别满足量子化条件： nr径向量子数 nφ角量子数 nψ磁量子数 习惯选取Z方向 为外磁场方向 2023/7/30 4 右图给出三种情况下 轨道平面的分布图。 1、磁量子数是原子角动量 空间量子化的标志。 2、无外磁场时，能级与磁量子数无关,原子光谱中不显 示空间量子化效应。但是这种性质仍然存在。 3、施特恩-格拉赫实验和塞曼效应实验中,证实了在外 磁场中原子轨道空间取向量子化的现象。但是定量 结果不正确。 注意几点： 2023/7/30 5 一、碰撞及其分类 首先明确，微小粒子的碰撞是指粒子之间发生相互作用， 但是两个粒子不一定要接触。碰撞是原子激发和辐射的 根本原因，可以是原子或其它微小粒子与原子的碰撞。 碰撞分为两类： 弹性碰撞：两个粒子碰撞时只有平动动能的改变，而粒 子的内部能量不发生改变； 非弹性碰撞：两个粒子碰撞时粒子的内部能量发生变化。 第一类：碰撞时内能增加（来自于平动动能）而被激发； 第二类：碰撞时内能减小（转化为平动动能）而退激。 一般情况下，碰撞粒子的平动动能较小时发生弹性碰撞；如果碰撞粒子的平动动能足够大，可使原子吸收能量从低能级跃迁到高能级，发生第一类非弹性碰撞；同时也可使处于高能级原子跃迁到低能级。同时要遵守力学上的能量守恒和动量守恒。 2023/7/30 6 二、原子在各能态的分布 前面我们讨论能级和状态都是指单个原子的可能能级和 可能状态，而每一个原子只能处于某一个状态，进而具 有与相应能态对应的能量。然而对于大量原子而言，由 于碰撞，彼此交换能量，有些会被激发到高能级上去， 有些在低能级，达到平衡时都遵从Boltzmann分布 其中：Ei代表能级，T是绝对温度，gi是简并度 由此可以看出： 对于处于平衡状态下的原子系统，能级越高，原子数 越少。很明显基态上的原子数最多，符合能量最小原 理要求。 2023/7/30 7 三、原子状态改变的三种方式 1、自发辐射 处于高能级的原子不稳定，除前面讨论的通过碰撞可以 放出外，还可以自发地从高能级跃迁到低能级。 设有两个能级E1、E2，很明显有 发生跃迁的原子数目也就是状态2上原子减少数目-dN2 负指数衰减 一个原子在单位时间内由状态2自发跃迁到状态1的几率。 物理意义： 平均寿命： 平均寿命与跃迁几率成反比 2023/7/30 8 2、受激发射和吸收 当原子处于电磁辐射场中时，原子与辐射场发生作用， 结果发生两种情况： 1、处于高激发态原子不稳定，会从高能级跃迁到低能 级，多余的能量以辐射的形式放出； 2、处于低能级的原子吸收辐射场光子进而从低能级跃 迁到高能级。 但是不论发射还是吸收光子，光子的频率不是任意的， 要满足hν=ΔE。 象这种由于受到外电磁辐射作用而使原子状态发生改 变的现象称作受激发射或受激吸收。 很明显受激发射与前面所说的自发辐射是不同的。自发 辐射只要是高能级就能向低能级跃迁，而受激发射是要 满足一定频率条件的。 2023/7/30 9 由于受激跃迁，原子数量变换遵循（假设2高1低）： 其中ρν是辐射场的辐射密度。 在辐射场作用下一个原子单位时间内从1跃迁到2而吸收 辐射的几率 在辐射场作用下一个原子单位时间内从2跃迁到1而发出 辐射的几率 2到1的总跃迁为 一般情况下 2023/7/30 10 四、激光原理 激光是光受激辐射光放大的简称，因此激光的基本原理 就是光放大原理，那么怎样才能实现光放大呢？ 对于两个能级E1<E2，很明显 N1>N2，此时发