第二章-原子的能级和辐射PPT课件

-,1,第二章原子的能级和辐射,教学内容：1、背景知识,2、玻尔模型,3、实验验证之一：光谱,4、实验验证之二:夫兰克-赫兹实验,教学重点：玻尔模型，光谱,-,2,.1背景知识,经典力学、经典电磁电磁场理论、经典统计力学,（1）“紫外灾难”，经典理论得出的瑞利金斯公式，在高频部分趋无穷。（2）“以太漂移”，迈克尔逊莫雷实验表明，不存在以太。,在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云,两大困惑：“夸克禁闭”和“对称性破缺,-,3,一、量子假说根据之一：黑体辐射,黑体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体。且只与温度有关，而和材料及表面状态无关。,1、基尔霍夫定律任何物体的辐射在同一温度下的辐射本领和吸收本领成正比,问题：在实验中如何测能量谱密度（，T）,2、斯特藩定律黑体辐射的总本领与它的绝对温度的四次方成正比,-,4,维恩定律辐射能量分布定律,维恩位移律,4、瑞利金斯定律和紫外灾难,从经典能量按自由度均分定律,-,5,、普朗克的量子假说,对一定频率的电磁波，物体只能以h为单位吸收或发射它，即吸收或发射电磁波只能以“量子”方式进行，每一份能量叫一能量子。,h=6.62607551034Js,-,6,二、量子假说根据之二：光电效应,（一）光电效应的实验规律,、截止频率或红限频率,、遏止电势与入射光强无关光电子的最大能量与光强无关,只有当入射光频率大于一定的频率o时，才会产生光电效应,-,7,3、驰豫时间当o，光一照上，几乎立刻（m，可得到同一线系中各光谱的波数值。（3）改变公式中的m值，就可得到不同的线系。,-,14,（六）光谱项，并合原则,里德伯公式准确地表述了氢原子光谱线系，而且其规律简单而明显，这就说明它深刻地反映了氢原子内在的规律性。最明显的一点是，氢原子发射的任何一条谱线的波数都可以表示成两项之差，即：,其中，每一项都是正整数的函数，并且两项的形式一样。若我们用T来表示这些项值，则有,由上式可见，氢原子光谱的任何一条谱线，都可以表示成两个光谱项之差。,-,15,综上所述，氢原子光谱有如下规律：,（1）谱线的波数由两个光谱项之差决定：,（2）当m保持定值，n取大于m的正整数时，可给出同一光谱系的各条谱线的波数。,（3）改变m数值，可给出不同的光谱线系。,以后将会看到，这三条规律对所有原子光谱都适用，所不同的只是各原子的光谱项的具体形式各有不同而已。,-,16,.2玻尔模型,（一）经典轨道和定态条件,原子中的电子绕核运动时，只能在某些特定的允许轨道上转动，但不辐射电磁能量，因此原子处于这些状态时是稳定的，,由牛顿第二定律：,原子的能量：,电子轨道运动的频率：,最大的能量为0，而且，,大，,大。,-,17,（二）频率条件,能量只与一个整数n有关能量只能取一定的分立值在某一状态上，无论电子有无加速度，其能量都是一定的定态,再进一步能量量子化轨道半径r是量子化的分立的值rn角动量,是量子化的。,-,18,(三)角动量量子化,玻尔的这几个假设是否正确？只有通过实验检验。,-,19,（四）氢原子的能级、半径,电子的轨道半径只能是a1,4a1,9a1等玻尔半径的整数倍，即轨道半径是量子化的.玻尔理论的一个成功之处,处于定态时原子所允许的能量值。能量是量子化的,实验测得，氢原子的电离电势为13.6V.实际上，这个理论和实验的符合是玻尔理论的又一成功之处。,-,20,氢原子的轨道和能级,即轨道半径是量子化的,能量是量子化的.,-,21,.3实验验证之一,一氢原子光谱,玻尔的氢原子理论成功的给出了里德伯常数的表达式和数值，这是玻尔理论的成功之三。而里德伯公式能成功地解释氢光谱，也就是说玻尔理论在处理氢原子问题上是成功的，这是玻尔理论的成功之四。,-,22,玻尔理论的最主要成功之处是：,（1）它从理论上满意地解释了氢光谱的经验规律里德伯公式。（2）它用已知的物理量计算出了里德伯常数，而且和实验值符合得较好。（3）它较成功地给出了氢原子半径的数据。（4）它定量地给出了氢原子的电离能。,-,23,二、类氢离子光谱,类氢离子：原子核带Z个单位的正电荷，核外有一个电子绕核运动。,氦离子He+、锂离子Li+、铍离子Be+,毕克林线系,一组几乎与巴耳末线系的谱线相重合，但显然波长稍有差别（短）。一组大约分布在两条相邻的巴耳末线系的谱线之间。,-,24,2.4实验验证之二：夫兰克-赫兹实验,一、夫兰克-赫兹实验,1实验装置,电压电子的能量（）增加电流,2实验结果,电流突然下降时的电压相差都是4.9V，即，KG间的电压为4.9V的整数倍时，电流突然下降。,3分析和结论,Hg原子只吸收4.9eV的能量。这就清楚地证实了原子中量子态的存在，原子的能量不是连续变化的，而是由一些分立的能级组成。,-,25,4.9eV是不是Hg原子的第一激发态与基态之间的能级之差呢？,Hg原子的第一激发电势为4.9V。,为什么更高的激发态未能得到激发？,三、改进夫兰克-赫兹实验（1920）,-,26,实验结果显示出求原子内存在一系列的量子态。,当4.68，4.9，5.29，5.78，6.73V时，下降。,-,27,2.5碱金属原子光谱的实验规律,H原子：能级光谱项由谱线的波长解释实验规律,一、实验规律,H原子光谱：当时，系限。,碱金属原子的里德伯公式,当时，系限。,-,28,-,29,主线系,第一辅线系,第二辅线系,柏格曼系,-,30,-,31,二、原子实极化和轨道贯穿,1、价电子与原子实,Li：Z=3=212+1Na：Z=11=2(12+22)+1K：Z=19=2(12+22+22)+1Rb：Z=37=2(12+22+32+22)+1Cs：Z=55=2(12+22+32+32+22)+1Fr：Z=87=2(12+22+32+42+32+22)+1,共同之处：最外层只有一个电子价电子其余部分和核形成一个紧固的团体原子实,碱金属原子：带一个正电荷的原子实+一个价电子,H原子：带一个正电荷的原子核+一个电子,首先是基态不同-Li、Na、K、Rb、Cs、Fr的基态依次为：2s、3s、4s、5s、6s、7s。其次是能量不同,-,32,2、原子实极化,价电子吸引原子实中的正电部分，排斥负电部分原子实正、负电荷的中心不再重合原子实极化能量降低,小，小，极化强，能量低,-,33,3、轨道贯穿,当很小时，价电子的轨道极扁，价电子的可能穿过原子实轨道贯穿。,实外Z*=1贯穿Z*1平均：Z*1,光谱项：,小贯穿几率大能量低,-,34,图7铒离子（Er3+）能级结构,放大条件：工作物质在泵浦光作用下，处于粒子数反转状态。为了得到共振放大，要求放大介质的能级结构与输入的信号光相匹配。,-,35,图8光纤放大器实验装置图,掺铒光纤放大器（EDFA）的主要构成部分：1、掺铒光纤（EDF）2、泵浦激光器（LD）3、波长选择耦合器（WSC）或波分复用（WDM）4、光滤波器和光隔离器（ISO）,-,36,-,37,图5单模光纤的损耗曲线,三个通信窗口1.31m、1.55m、0.85m,光学损耗弯曲损耗熔接损耗端面损耗,-,