原子光谱与激光原理.ppt

1、物理系 从守民,一、氢原子光谱的实验规律,8-1 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,6563A,4861A,4341A,4102A,3646A,物理系 从守民,1885年瑞士的巴耳末用经验公式表示出氢原子的前四条可见光谱：,用波数(波长的倒数)表示：,-巴耳末公式,物理系 从守民,1889年瑞典物理学家里德伯提出一个普遍方程,R=1.096776107m-1,-里德伯公式,-里德伯常量,的整数,不同的k对应不同的谱系；当k一定时，每一n值对应于一条谱线,物理系 从守民,k=1,n=2,3, 莱曼系,紫外区 k=2,n=3,4, 巴尔末系 k=3,n=4,5, 帕邢系,红外区 k=4,n=5,6,

2、布拉开系,红外区 k=5,n=6,7, 普芳德系，红外区 k=6,n=7,8, 哈菲莱系,红外区,物理系 从守民,1890年里德伯,里兹等人发现碱金属原子光谱有类似的规律,里兹并合原理反映了原子的内在规律,-里兹并合原理,物理系 从守民,二、玻尔的氢原子理论,1897年英国物理学家汤姆逊通过阴极射线实验发现了电子,1904年汤姆逊提出原子的“嵌梅布丁”模型：每个电子分布在正电荷组成的球中，并绕平衡位置震荡,物理系 从守民,1907年卢瑟福等人通过粒子对原子核的散射实验否定了汤姆逊模型,离中心越近散射角越大,卢瑟福：“这几乎就如你用15英寸炮弹射向一张手纸，结果它反回来击中了你一样不可思议”,物

3、理系 从守民,1911年卢瑟福提出原子核模型：原子是由带正电的原子核和核外作轨道运动的电子组成,物理系 从守民,1.经典物理的困难 原子的稳定性：电子绕核转动具有加速度发射电磁波能量减少作螺旋运动落入原子核不稳定,原子光谱的分立性：发射电磁波的频率等于电子绕核转动的频率电子作螺旋运动的频率连续变化光谱为连续光谱。,物理系 从守民,2.玻尔理论的基本假设,1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出假设：,定态假设：原子系统只能处在一系列具有不连续能量的稳定状态(定态)。定态时核外电子在一定的轨道上作圆周运动，但不发射电磁波,物理系 从守民,频率条件

4、:当原子从一个能量为En的定态跃迁到另一个能量为Ek的定态时，就要发射或吸收一个频率为 kn的光子,EnEk-发射光子,EnEk-吸收光子,物理系 从守民,量子化条件:电子在稳定圆轨道上运动时，其轨道角动量L=mvr必须等于h/2的整数倍，即,-约化普朗克常数,-量子数,1922年玻尔因对原子结构和原子放射性的研究获诺贝尔物理学奖,物理系 从守民,3.氢原子轨道半径和能量的计算 (1)轨道半径,根据牛顿定律和库仑定律有,而,可得,-量子化,物理系 从守民,r1=0.52910-10 m,时：,-玻尔半径,(2)能量 氢原子的能量等于电势能和电子的动能之和,物理系 从守民,由,有,-量子化,量子

5、化的能量称为能级,物理系 从守民,-基态能级,讨论：,此时能量最低，原子最稳定,激发态能级,此时能级趋于连续，原子趋于电离，即基态氢原子的电离能为13.6eV,电离状态时，E0，并可连续变化,物理系 从守民,电子轨道,能级,基态,激发态,物理系 从守民,物理系 从守民,4.里德伯公式的推导 氢原子从高能级En跃迁到低能级Ek时，氢原子的发光频率为,波数为,物理系 从守民,其中,-与实验结果符合得很好,5.玻尔理论的缺陷,以经典理论为基础，其定态时不发出辐射的假设又与经典理论相抵触,量子化条件没有适当的理论解释,玻尔理论只能求出谱线频率，对强度宽度和偏振等都无法处理,物理系 从守民,一、光与原子

6、的相互作用 1.粒子数按能级的分布,2.辐射能量交换的三种方式 受激吸收 自发辐射 受激辐射,8-2激光的基本原理,物理系 从守民,两个光子频率相同，方向同，振向同，位向 光放大与光吸收 二、激光的产生 1.粒子数反转 三能级系统,E3 自发辐射 抽运 E2（亚稳态）n2n1反转 E1,物理系 从守民,四能级系统 抽 快 慢 快 n2n1 反转 2.谐振腔：选择共振波长 提高单色性,E4 E3 E2 E1,物理系 从守民,一、激光的特点 1.高亮度 2.方向性好 3.单色性好 4.相干性好 二、激光器的种类 1.气体He-Ne激光器 2.固体红宝石 3.液体染料激光器,全反镜 工作物质 部分反

7、射镜 输出,8-3 激光的特点和应用,物理系 从守民,三、激光的应用 1.激光测距：激光雷达和激光准直 2.激光用于农业 3.激光用在加工领域 4.激光用语医疗领域 5.激光通信 6.激光与能源 7.全息照相 8.激光舞台与激光唱片 9.激光在物理基础研究方面的应用,物理系 从守民,9.3 全息照相 一般照相记录的是被照物反射到底片的强度振幅信息，洗出相片是二维平面图，没有立体感，因为没记录被照物的位相信息。 一、定义 能记录被照物各点的发射光的振幅和位相的全息信息称全息照相 二、基本原理 首先将景物的特定波面记录下来，在一步就是在观察时将原来的特定波面显现出来。 将一束激光照射到物体上，使反

8、射光照到记录底片（感光片）上，同时将一束和上述物光相干的参考光也照射到底片上，使物光和参考光在底片上干涉，形成复杂的干涉条纹，通过感光显影、定影，就形成了全息底片。 观察时，将参考光和原来一样方向照明底片，由于衍射作用，就能产生极衍射波，其中就有一束波面线总在原来被摄物体之处，（虚象）还有一个是实象。,8-4 全息照相,物理系 从守民,一、极化强度和极化波 原子在光源作用下，正负电中心拉开，被极化成电偶极子 单位体积内的原子的极化偶极距矢量和 P称电极化强度 极化场发射次极电磁波 二、线性光学 入射光场强为E 若,8-5非线性光学概述,物理系 从守民,为极化率 P只与E的一次方成正比 次极电磁

9、波和入射场有相同的频率，次极波 叠加的结果，决定物质时，入射光场的反射，折射和反射等，也满足光的独立性原理，以上现象 为线性光学现象 三、非线性光学 物质对光场的响应与光的场强的关系为非线 性关系。 式中 ， ， 都是物质有关的系数，后项多数比前项小的多。如仅取后两项,物理系 从守民,其中 表示原子内平均场强 当外界光场强E远小于时，要观察非线性光学 现象需要高强度激光束。只有激光引进以后，非 线性光研究才得以快速发展。 四、非线性光学现象 1.信频技术 2.受激拉曼散射 3.激光自聚焦,物理系 从守民,光学课程总结 共讨论了四类问题 非温度辐射 基尔霍夫定律 光的发散 热辐射 黑体辐射 普朗克量子假设 受激辐射 激光，非线性光学,物理系 从守民,相干条件 分波面干涉 干涉 分振幅干涉 时空相干性 惠-菲原理 菲涅耳衍射半波带、