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1、,原子中的电子,第3章,氢原子的量子力学处理,用薛定谔方程求解氢原子中电子的能级和本征波函数，是量子力学创立初期最令人信服的成就。,质子的质量比电子的质量大的多，在氢原子中可近似认为质子静止而电子运动，因此电子的能量就代表整个氢原子的能量。电子受质子的库仑力作用，势能函数为,由于求解过程比较复杂，下面只介绍求解的思路和步骤，列出结果并讨论物理意义。,3.5 各种原子核外电子的排布,一、四个量子数,描述原子中电子运动状态需要一组量子数,轨道角量子数 l = 0,1,2(n-1), n，l，ml ， ms,轨道磁量子数,1945年诺贝尔物理学奖获得者 泡利,奥地利人 Wolfgang Pauli1
2、900 1958 提出泡利不相容原理,能量最小原理：电子优先占据最低能态,n = 1,n = 2,n = 3,角动量的空间量子化 （space quantization）,角动量的大小为：,l = 0, 1, 2, 3, ,由于,角动量 在空间的取向 只有（2l+1）种可能性，,因而其空间的取向是量子化的。,只有五种可能的取向。,对 z 轴旋转对称,施特恩 盖拉赫实验的意义,原子沉积层不是连续一片，而是分开的线，,(2)发现了新的矛盾,l = 0，应有一条沉积线。,(3)提供了原子的“态分离”技术，至今仍适用。,(1) 证明了空间量子化的存在,实验结果却有,两条沉积线，,这说明原来对原子中电子
3、运动,的描述是不完全的。,说明角动量空间量子化的存在。,电子自旋 （electron spin）,的影响很小,1925年乌伦贝克（G.E.Uhlenbeck）和古兹,电子不是质点，有固有的,自旋角动量,应的自旋磁矩,电子带负电，磁矩的方,和相,提出了大胆的假设：,米特（S. Goudsmit）根据施 盖实验的事实，,向和自旋的方向应相反。,和朝下两种取向。,这一经典图象,若把电子视为r =10 -16 m的小球，,算出的电子表面速度 c !,面对按经典图象理解所给出的“荒谬”结果，,乌、古二人(当时不到25岁)曾想撤回自旋的论文，,相对于外磁场方,向（z），,有朝上,受到了泡利的责难。,“Yo
4、u are both young enough to allow yourselves some foolishness!”,但他们的导师埃伦菲斯特(P.Ehrenfest)鼓励道：,自旋角动量也应有,s 自旋量子数，,mS 自旋磁量子数,可给出自旋角动量的量子化：,l = 0, 1, 2(n1),自旋虽然不能用经典的图象来理解，但仍,轨道角动量,类比轨道角动量的量子化，,然和角动量有关。,二、电子的壳层分布,一支壳层内电子可有(2l+1)2种量子态，,主量子数为n的壳层可容纳的电子数为：,同一个n 组成一个壳层,（K, L, M, N, ）,相同 n, l 组成一个支壳层,（s, p, d,
5、 f, ）,电子是费米子，由泡利不相容原理,自旋磁量子数,微观粒子的全同性,同种微观粒子的质量、自旋、电荷等固有性,质都是全同的，不能区分。,不过经典理论尚可,按运动轨道来区分同种粒子。,而在量子理论中，,微观粒子的运动状态是用波函数描写的，,没有确定的轨道，,因此也是不可区分的。,物理把这称做“不可分辨性”，或“全同性”。,量子,它们,全同粒子按自旋划分，可分为两类：,1、费米子（Fermion）,费米子和玻色子 泡利不相容原理,例如：,费米子是自旋 s 为半整数的粒子,自旋 s =1/2。,费米子波函数反对称：,“不能有两个全同费米子处于同一单粒子态”, 泡利不相容原理（Pauli exc
6、lusion principle）,当量子态 A=B 时，,光子 s = 1 。,玻色子的波函数是对称的：, s = 0，,例如：,一个单粒子态可容,A=B 时，,不受泡利不相容原理的制约。,2、玻色子（Boson）,玻色子是自旋 s 为 0 或 整数 的粒子,这表明：,纳多个玻色子，,激光又名莱塞 （Laser），它的全名是：,（Light amplification by stimulated emission of radiation）,“辐射的受激发射光放大”,世界上第一台激光器诞生于1960年。,它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦,提出的受激辐射理论。,3. 7 激光简介,一、
7、受激辐射 （stimulated radiation）,若入射光子的能量h 等于原子高、低能级的能量差E2 E1、且高能级上有原子存在时，入射光子的电磁场就会诱发原子从高能级跃迁到低能级，同时放出一个与入射光子完全相同的光子,辐射的光子：频率、相位、振动方向和传播方向相同的光子。,光放大作用,二、粒子数布居反转 （population inversion）,N2 N1,由大量原子组成的系统，在温度不太低的,平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹,曼统计分布：, 粒子数布居反转,He Ne 气体激光器的粒子数反转：,He是辅助物质，Ne是激活物质，,之比为5:1 10:1 。,（电子的碰撞使He
8、原子被,He与 Ne,激发的概率使比Ne原子被激发的概率大）,碰撞转移,受激辐射,与管壁碰撞发生无辐射跃迁,三、光学谐振腔（optical harmonic oscillator）,为了加强光放大，受激辐射光需要反复通过,激活物质，,这就需要在激活物质两侧有两个反,射镜，构成一个“光学谐振腔”。,使激光具有极好的单色性（选频）,光学谐振腔除使受激辐射沿轴线反复放大外，还有另一重要作用：,，光学谐振腔具有选频作用。,四、激光器的三个主要组成部分的作用,1、激活介质,2、激励能源,单色性。,有合适的能级结构，,能实现粒子数反转。,3、光学谐振腔,保证光放大，,使激光有良好的方向性和,使原子激发，维持粒子数反转。,五、激光的特点,1、相干性极好,2、方向性极好,3、亮度和强度极高,神光 -装置的两路激光系统,神光-装置的八路激光系统,我国的激光核聚变装置,高能激光（约5500 oC的高温）焊接硬质材料,
