氢原子光谱的实验规律

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HHHHH6563A4861A4341A4102A3646A可见光区紫外光区物理系从守民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：422nnB6,5,4,3n用波数(波长的倒数)表示：)121(~22nR----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)11(~22nkRR=1.096776107m-1----里德伯公式----里德伯常量,2,1kkn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,…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)()(~nTkT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: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hEEnkkn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2hnL2h----约化普朗克常数,2,1n----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n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rvmre22024mvrL2hn而mrnhv22202mehnrn可得,2,1n----量子化物理系从守民r1=0.52910-10m1n时：----玻尔半径12rnrn(2)能量氢原子的能量等于电势能和电子的动能之和nnnremvE022421物理系从守民rvmre22024remvn022821由有nnreE0282202281hmen----量子化量子化的能量称为能级物理系从守民eVE6.131----基态能级讨论：1n时：此时能量最低，原子最稳定1n时：激发态能级n时：0,nnEr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1E1n2n3n4n电子轨道能级基态2E3E4E激发态物理系从守民莱曼系巴耳末系帕邢系-13.6-3.39-1.510En/eVn1234-0.85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hEEkn223204118nkhme波数为c~2211nkR223204118nkchme物理系从守民其中chmeR32048----与实验结果符合得很好17m100973731.1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ktEiIeN1)(1212ktEEeNN22121NAdt)d(N一、光与原子的相互作用1.粒子数按能级的分布2③.辐射能量交换的三种方式①受激吸收②自发辐射③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④光放大与光吸收二、激光的产生1.粒子数反转三能级系统)()(22121vNBdtNd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E4E3E2E1jd2dcj2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erPEEP0§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32EEEP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EEEEEPat)(22atEEatE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、矢量合成法单缝衍射夫琅和费衍射圆孔多缝（光栅）光的传播费马原理衍射特例——几何光学成象条件、公式仪器原理概念产生偏振检验干涉应用光的传播速度物理系从守民光的吸收光的散射光与物质的相互作用光的色散光电效应康普顿效应光的本性：波粒二象性：hphE返回