§原子发光的机理

1、§9-1原子发光的机理我们知道，当固体和气体加热到很高温度时，就会发光，它们是主要的人造光源，太 阳和遥远的星球，处在高温等离子状态，是宇宙中最卓越的光源， 从最亮的星球上发射出许多和我们在实验室里所观察到的相同的光谱，这一事实直接证明了我们看到的来自宇宙的 光，也同样可以来自地球上某些化学元素，从气体分子，液体，和固体内部所发出的光，在 许多方面和从单个原子所发的光相类似。因此，我们先简要地介绍一下原子的发光机理，然后再讨论激光方面的问题。一、玻尔的氢原子模型为了要从原子结构出发来说明发光的基本原理，首先介绍玻尔的氢原子模型。按照玻尔理论，氢和类氢原子是由质量为m、带有负电荷e的单

2、个电子和质量为 M、带有电荷 Ze的原子核所组成的，电子围绕着原子核作圆周运动（图9-1），Z是原子序数，对氢原子来说Z=1，电子与原子核之间的静电吸引力，等于电子围绕原子核转动的向心力，因此2V .m krZe2r2(9-1)式中，r为电子与原子核间的距离，即原子半径,v为电了绕核转动的速度，在S单位制下,4 二；°玻尔引用量子论，提出了一个假设，电子的角动量 mvr，只能等于 的整数倍，即2兀hmvr = n（ 9-2）2兀式中，h为普朗克常数，等于6.626176 10”4J s,n称为主量子数，可取正整数1、2、3、。玻尔的这个假设，意味着电了运动的轨道不是任意的，而只能是一

3、些量子化的轨道，把（9-1）式和（9-2）式联立起来，可以解出玻尔模型中的氢和类氢原子中电子的轨道半径为h22 24 me Zk(9-3)并可得出电子的轨道速度为2e Zkv =nh(9-4)式中n =1,2,3,|.图9-2定性地描出了 n =1、2、3、4、5等五个圆轨道的相对大小，玻尔从理论上成功地算出了氢原子的大小交得出轨道之间的跃迁频率，这些理论计算值与已知的实验结果在一定程度上是符合的。二、能级图我们可以根据玻尔的这个假设算出电子在每一个玻尔轨道上的总能量，从经典的观点 来讲，这具总能量是电子势能与动能之和，电子势能为Ep由（9-1）式得电子动能为Ek1 mv22 A2r所以电子总

4、能量为422En(9-5)2 me Z k =Ep Ek = _22n h总能量是负的，表示要把电子从原子中移开必须对电子做功，这正是我们所预期的，（9-5）式是原子结构的一个重要方程，它给出了氢原子的能量，只要知道电子处于第几个轨道，即知道n的数字，就可以根据（9-5）式求出它的总能量，也就是说n可用来表征能量的大小，n越大，能量就越大，而 n大，表示电子所在的轨道半径大；n小，表示电子所在的轨道半径小n=5(图 9- 2)（图9-2）,习惯上，也可以画一条条水平线，用它的高低来代表能量的大小，这样的图形 就称为能级图En厶匕曰'冃匕量E5E4E3E2Ei/吸收1吸收发射n=5n=4

5、n=3n=2n=1（图 9 3）（图9-3）,能量单位一般采用电子伏特（1eV =1.602 X1O,9J ）。三、原子发光的机理为了说明发光的机制，玻尔又作了另一个假定，他认为，当电子在某一个固定的允许 轨道上运动时，并不发射光子，当电子从一个能量较大的状态跳跃到另一个能量较小的状态 时，电子的总能量发生变化，这部分能量的改变值，就以光子的形式辐射出来，反之，当电 子从一个能量较小的状态跃迁到能量较大的状态时，它吸收光子。例如，从图9-3来看，我们用 E、E2、E3、E4、E5，分别代表n = 1,2,3,4,5时的能量，当电子从 巳跃迁到E2时，它的能量增加了 E2-E，因此它必须吸收能量，若该能量是光子提供的，则相就原光子的能量为hv2i二E2 -巳，又如，如果电子从 E5跳到巳，它的能量减少了 E5 E，因此它辐射出能量为hv51的光子，且hv51 =E5 E1。量子力学处理的结果说明， 一个原子、分子或离子可能具有的状态是很多的， 每一个状态都 具有特定的能量，在许多可能状