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气体放电原子物理模型 fundamental of atomic physics for gas discharge 概述 气体放电为什么会发生 气体放电会以什么形式表现出来 为什么可以通过控制放电参数 电压 频 率等 来控制气体放电 等离子体如何进行诊断 气体放电中的基本粒子 气体放电中的六种基本粒子 电子 光子 正离子 负 离子 基态的原子或分子 激发态的原子或分子 电子 是气体放电等离子体中最活跃的成分 电子在 获得一定程度的能量后引发电离 光子 光电离 辐射光子 吸收光子 正离子 失去电子 一般为外层电子 负离子 吸附电子 基态原子或分子 激发态的原子或分子 活性成分 亚稳态 不能向基 态跃迁的 等离子体中的基本粒子 Charles 等离子体中的基本粒子 1 光子 hv 2 电子 e 3 处于基态能级的原子和分子 A M 4 受激原子或分子 a 电子受激 单电子 A M b 电子受激 双电子 A M c 电子受激 亚稳态 M A d 振动能级受激的分子 V M e 转动能级受激的分子 r M 5 正离子 原子或分子 a 一次电离 A M b 多次电离 A M c 一次电离且电子受激 A M 6 负离子 原子或分子 A M 等离子体中的元过程 Hasted 序号 类型 1 光致激发或束缚 束缚态吸收 2 振动能级致激发 3 光致电离 4 光致去电子 5 电子冲击激发 6 自由态 自由态吸收 7 电子冲击引起分解 8 辐射复合 9 失去电子 10 激发换位 11 退活化 12 分解 13 单电子失去电子 14 电离 15 电荷交换 16 相互中和 17 电荷置换 18 负离子失去电子 19 电子俘获 单电子系统及量子数 卢瑟福原子核式结构学说与经典电磁理论的矛盾 玻尔的原子理论 1913年 丹麦玻尔 半经典 半量子化的 1 定态假设 原子只能处于一系列不连续的能量状态之中 在这 些状态中能量是稳定的 电子虽然做加速运动 但并不向外辐射能量 这些状态叫定态 2 跃迁假设 原子从一种定态 设能量为E2 跃迁到另一种假定 态 设能量为E1 时 它辐射或吸收一定频率的光子 光子的能量由这 两种定态的能量差决定 即 h E2 E1 3 轨道假设 原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道 由 于原子的能量状态是不连续的 因此电子的可能轨道也是不连续的 即 电子不能在任意半径的轨道上运行 只有满足下列条件的轨道才是可能 的 轨道的半径r跟电子的动量mv的乘积等于h 2 的整数倍 即 mvr nh 2 n 1 2 3 式中n的是正整数 叫量子数 这种现象叫做轨道的量子化假设 氢原子的大小和能级 1 大小 氢原子的电子的各条可能轨道的半径rn rn n2r1 r1代表第一条 离核最近的一条 可能轨道的半径 r1 0 53 10 10 m 例 n 2 r2 2 12 10 10 m 2 能级 原子在各个定态时的能量值En称为原子的能级 它对应 电子在各条可能轨道上运动时的能量En 包括动能和势能 En E1 n2 n 1 2 3 E1代表电子在第一条可能轨道上运动时的能量 E1 13 6eV 注意 计算能量时取离核无限远处的电势能为零 电子带负电 在正电 荷的场中为负值 电子的动能为电势能绝对值的一半 总能量为负值 例 n 2 E2 3 4eV n 3 E3 1 51eV n 4 E4 0 85eV 氢原子的大小和能级 基态和激发态 基态 在正常状态下 原子处于最低能级 这时电子在离核最近的轨道 上运动 这种定态 叫基态 激发态 原子处于较高能级时 电子在离核较远的轨道上运动 这种定 态 叫激发态 氢原子的大小和能级 3 原子发光 原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程 原 子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程 是辐射能量的过 程 这个能量以光子的形式辐射出去 吸收或辐射的能量恰等于发生跃 迁的两能级之差 说明 氢原子中只有一个核外电子 这个电子在某个时刻只能在某个可能 轨道上 或者说在某个时间内 由某 轨道跃迁到另一轨道 可能情况只 有一种 可是 通常容器盛有的氢气 总是千千万万个原子在一起 这些 原子核外电子的跃迁时 就会有各种 情况出现了 但是这些跃迁不外乎是 能级图中表示出来的那些情况 微观粒子的量子力学描述 粒子性与波动性 德布罗意关系 测不准关系 kp 4 2 22 pq 微观粒子不可能有确定的动量和坐标 量子力学中 微观粒子的运动状态由波函数来描述 由一组量子数来表征 量子数的数目即粒子的自由度 数 薛定谔方程 1925年奥地利物理学家薛定谔提出的非相对论性的量子力学基本方程 获1933年诺贝尔物理学奖 当其运动速度远小于光速时 它的波函数 所满足的方程为 质量为 的粒子 在势能函数为 的势场中运动 它反映微观粒子运动状态随时间变化 的力学规律 又称含时薛定谔方程 式中 为哈密顿算符 多电子系统及电子组态 原子中的电子的运动状态可由四个量子 数 n l ml ms 来表示 轨道量子数 l 决定电子的轨道角动量 轨道磁量子数 ml 决定轨道角动量的方向 自旋量子数ms决定自旋角动量的方向 主量子数 n 决定电子的能量 泡利不相容原理 原子中不可能有两个或两个以上的电子具 有一组相同的量子数 原子能级图 原子的能态常用 能级图来表示 能级图以原子的 基态为零点 箭头表示原子从 一个能级跃迁到 另一个能级的方 向 垂直线或斜 线的起点是跃迁 前原子所处的能 级 箭头落在终 止的能级上 能级间距与兰德规则 电子自旋使得同一量子能态L分裂为2S 1 个能级 这些能级之间的距离由兰德规则 决定 兰德规则 1 总自旋角动量S取泡利不相 容原理所能容许的最大值 2 确定S后 总轨道角动量L取泡利原理所能允许的最大 值 兰德规则决定了能级之间的距离 选择定则 产生辐射跃迁的能级是有选择的 不是任 意两个能级之间都能实现这种跃迁 选择定则 规定了发生跃迁的两个能级的 轨道角动量 自旋角动量和总角动量的相 互关系 主量子数并没有限制 选择定则确定了能发生跃迁的能级 分子能级 分子的总能量 电子运动的能量 分子绕 重心的转动能量 组成分子的各个原子核 相对于本身平衡位置振动的振动能量 本章小结 气体放电为什么会发生 外层电子 气体放电会以不同的