玻尔理论和激光课件

§16.3

氫原子光譜玻爾理論

經典物理在解釋熱輻射上的困難—

普朗克能量子論1900年經典物理在解釋光電效應上的困難—

愛因斯坦光量子論1905年經典物理在解釋氫光譜上的困難—

玻爾氫原子理論1913年舊量子論半經典、半量子過渡性理論，已被量子力學所取代。玻爾氫原子理論在物理學史上曾起重要作用。原子結構模型的研究

原子的輻射是由一定的頻率成份構成的特徵光譜，這些特徵光譜是一條條離散的線狀譜，它只決定於原子本身，所以稱其為原子特徵光譜。原子光譜是研究原子結構的一種重要手段。--------（一）湯姆遜模型原子中的正電荷和原子品質均勻分佈在半徑為的球體範圍內，電子浸於其中(plum-puddingmodel)（二）盧瑟福模型1911年盧瑟福提出原子的有核模型：（英國原子物理學家）

為檢驗湯姆孫的模型，1909年盧瑟福等人作了α粒子散射實驗

原子中心有一個帶正電的原子核，它幾乎集中了原子的全部品質，電子圍繞這個核旋轉，核的尺寸與整個原子相比是很小的。

原子核的發現意義深遠，使人們對原子結構有了正確認識，也開始了人類對原子核研究的歷史。在人類探索微觀世界的道路上又樹立了一塊里程碑。

盧瑟福由於在放射性研究方面的貢獻獲得1908年諾貝爾化學獎。他被譽為原子物理之父，也是開創原子核物理的奠基人。他不僅是位偉大的科學家，也是一位受學者尊敬的導師。

原子有核模型也存在嚴重困難，主要不能解釋原子的穩定性和同一性這樣的不可否認的事實。玻爾（NielsBohr,1885-1962)丹麥理論物理學家，現代物理學的創始人之一1913年玻爾在盧瑟福核式模型的基礎上，結合普朗克、愛因斯坦能量量子化，提出氫原子的玻爾理論。

自學要點：

氫光譜的實驗規律

經典物理遇到的困難

玻爾氫原子理論及其對氫光譜實驗規律的解釋

對應原理

夫蘭克——赫茲實驗如何證實了原子能級的存在玻爾的氫原子理論以三條假設為基礎：（1）定態假設：原子只能處在一系列不連續的、穩定的能量狀態。（2）頻率躍遷假設：原子體系在兩個定態之間發生躍遷時，要發射或吸收光子，其頻率由兩定態的能量差決定：

主要概念：（3）量子化條件：穩態時電子角動量應等於

的整數倍。裏德伯常數RH=1.0967758×107m-1裏德伯公式——氫原子光譜的普遍公式賴曼系(紫外)巴爾末系（可見光）n,該譜線系的線系限（波長最短的譜線）1914年，富蘭克和赫茲在研究電子碰撞原子的實驗中驗證了原子能級的存在。要把原子激發到激發態需要吸收一定能量，且這些能量是不連續的，量子化的。他們同獲1925年諾貝爾物理學獎。

玻爾揭開了30年來令人費解的氫光譜之謎，於1922年12月10日諾貝爾誕生100周年之際接受了當年的物理學獎。“物理學界的朝拜聖地————哥本哈根”對應原理（correspondenceprinciple)

新理論應該包容那些在一定範圍內已被證明是正確的舊理論，並在極限條件下過渡到舊理論。

舊量子論在經典理論框架中引入量子假設,是在經驗基礎上提出的一個半經典理論（semi-classicaltheory)，只能解決各局部領域的問題，還未構成完整的理論體系。

玻爾的量子論首次打開了人們認識原子結構的大門，為量子物理的建立奠定了堅實的基礎。但仍然是經典物理加上量子條件的混合物，還是存在嚴重的缺點。普朗克能量子論1900年愛因斯坦光量子論1905年玻爾氫原子理論1913年舊量子論本講內容：激光四、鐳射的特點及應用一、鐳射發展簡史二、基本原理愛因斯坦輻射理論三、雷射器基本結構及各部分功能人類對光的本性的認識:早期牛頓：微粒說惠更斯：波動說（光是以太中的機械波）經典光學——麥克斯韋電磁說（光是電磁波）近代光學——愛因斯坦光子說（光是光量子流）現代光學資訊光學——來自經典光學（夫琅和費衍射）強光光學——來自近代光學（鐳射）1900Planck提出能量子假說19051917Einstein提出受激輻射理論1953Towns建立第一臺微波激射器（maser)1958Towns,Shawlow開始研製雷射器1960Maiman製成第一臺紅寶石雷射器1961-65鐳射光譜，用於大氣污染分析；半導體雷射器，用於鐳射通訊；雷射器，用於鐳射熔煉、鐳射切割、鐳射鑽孔...1968-69月球上設置鐳射反射器；地面與衛星聯繫1982鐳射全息術80-90年代鐳射外科手術，通訊、光碟、鐳射武器...湯斯(Towns)：美國哥倫比亞大學肖洛(Shawlow)：美國貝爾實驗室梅曼(Maiman)：休斯實驗室Einstein提出光量子理論（一）自發輻射發光前發光後自發輻射、受激吸收和受激輻射1916年愛因斯坦在玻爾能及理論基礎上提出輻射的量子理論，是產生鐳射的基本原理。

普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發光過程為自發輻射。各原子自發輻射發出的光彼此獨立，頻率、振動方向、相位不一定相同——為非相干光。光子的頻率為（二）受激輻射發光前發光後

當外來光子的頻率滿足時，使原子中處於高能級的電子在外來光子的激發下向低能級躍遷而發光。鐳射原理

特點：受激輻射產生的光子與外來光子具有相同的特徵：它們的頻率、相位、振動方向均相同。光放大相干光（鐳射）鐳射原理（三）受激吸收吸收前吸收後（四）當光與原子相互作用時，總是同時存在這三種過程鐳射原理（一）粒子數的正常分佈和反轉分佈受激輻射：光子數↑受激吸收：光子數↓鐳射原理

正常條件下（即常溫、無激發等）工作物質中的原子在各能級上分佈時服從玻爾茲曼能量分佈定律，即在溫度為T

的平衡態時，原子處於能級的數目為

粒子數正常分佈：

受激吸收佔優勢，發生其他兩種過程的幾率很小。鐳射原理粒子數反轉分佈：受激輻射佔優勢，光通過工作物質後得到加強，獲得光放大。（二）產生鐳射的必要條件（三）如何實現粒子數反轉

（1）激勵（泵浦）：從外界輸入能量（如光照、放電等）。鐳射原理（2）選取能實現粒子數反轉的工作物質：一般情況：大量原子處於基態，而處激發態的時間很短，約為，不穩定。

亞穩態：不如基態穩定，但比激發態要穩定得多，如

具有亞穩態的工作物質，就能實現粒子數反轉。鐳射原理

例：紅寶石：在人工製造的剛玉（）中，摻入少量的鉻離子（）而構成晶體。起發光作用的是鉻離子。紅寶石中鉻離子能級圖激發態亞穩態基態產生鐳射鐳射原理受激吸收強光照射無輻射躍遷放出能量（紅寶石發熱）鐳射原理（四）光學諧振腔鐳射的形成

要獲得具有一定壽命和強度的鐳射，必須加光學諧振腔。全反射鏡部分透光反射鏡鐳射光束鐳射原理

（1）強度集中：

光振盪：穩定光振盪——光的放大與損耗達到動態平衡時，輸出鐳射。

（2）方向性好：

方向：不沿諧振腔軸線的光，將從腔內逸出。光學諧振腔

（3）單色性好

選頻作用：以反射鏡為節點形成駐波，由駐波條件，加強光必須滿足：所以諧振腔起了選頻作用，鐳射頻寬越窄，單色性越好。不滿足上述條件，將被淘汰。光學諧振腔雷射器的基本結構

激勵能源：

向工作物質提供能量，將工作物質的原子、分子從基態激發到高能態，實現粒子數反轉分佈（外因）激勵能源工作物質光學諧振腔雷射光束雷射器基本結構及各部分功能紅寶石：三能級系統

工作物質：光學透明性良好有亞穩態能級（內因）雷射器基本結構及各部分功能四能級系統雷射器基本結構及各部分功能

諧振腔對方向進行選擇（//軸線光放大）——方向性對頻率進行選擇（在腔內形成駐波的光放大）縱模—選模—單色性來回反射多次放大—強光（閾值條件，增益~損耗，穩定輸出）雷射器基本結構及各部分功能按工作物質分類按光輸出方式分類雷射器固體雷射器：在基質（玻璃、晶體）中摻稀土元素例：釹玻璃雷射器1060nm釔鋁石榴石雷射器（摻釹）氣體雷射器：原子氣體雷射器氦氖雷射器分子氣體雷射器離子氣體雷射器氬離子液體雷射器：染料雷射器半導體雷射器：體積小、壽命長（10萬小時）雷射器1、特點方向性好單色性好——相干性好時間相干性：相干長度幾十千米空間相干性：波面上任意兩點可作相干