1.2 原子能级和辐射跃迁 激光原理及应用 [电子教案]电子课件
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原子的能级和辐射培训课件.ppt
赖曼系
R（H 112
1） n2
，
巴耳末系
R（H
1 22
1） n2
n 2 ，3，4 n 3，4 ，5
精品
从能级图上看跃迁产生的谱线情况可知，谱线系间有一个整 体差距，差别较大，形成了紫外、可见光、红外、近红外、远 红外区的线系。
同一线系内也是同样的道理，能级间隔大的，产生高频（短 波）谱线，能级间隔小的，产生低频（长波）谱线，随n的增加 相邻能级的间距减小，向比它们低的同一能级跃迁时产生的辐 射频率（波长）间距减小，谱线密集。
精品
四、氢原子的能级和电子轨道半径
1、电子轨道半径
由
ze2
4 0 r 2
2
m r
2 r m nh ， n 1，2 ，3
可得
r
4 0 h2 4 2me2
n2 z
， n 1，2 ，3
可见，r 由n决定，n称为主量子数
令 a1
4 0 h2 4 2me2
=0.529166×10-10 米
精品
三、光谱仪的工作原理
L2
L3
L1
I
每一条确定的谱线都对应于一个确定波长的光，可用已知波长 的光的光谱与之比较，就可知道各谱线的波长。从浓度可以定 出强弱
精品
四、光谱的类别
从谱线的形状来分，光谱可分三类:线状、带状、连续
1、线状光谱：谱线是一条一条的，彼此分明的细线。因为每
一条谱线代表一个波长成分，谱线是一条一条的，彼此分明的，
P
mr
n h
2
h
2
1.05461034 焦耳·秒
原子的能级和辐射课件
1、定态假设
电子围绕原子核的运动处于一些能量具有确定值的稳定
状态，称为定态，其相应的能量分别为E1 ， E2 ， E3……（ E1 < E2 < E3 ）
§2.3 Bohr的氢原子理论
2、频率法则
原子中的电子从一个定态到另一个定态的变化是跳跃
式的，称为跃迁．
h E n E m En Em h
v m -e r +Ze
令r = ∞时，Ep = 0
E Ek E p 1 1 Ze 2 2 mv 2 4 0 r 1 Ze 2 Ze 2 ( ) 4 0 2 r r 1 Ze 2 4 0 2r
电子轨道运动的频率
f
v e 2r 2
Z 40 mr 3
2
Balmer系
27419
-hcR/4
1
Lyman 系
109677
-hcR
§2.3 Bohr的氢原子理论
（3）氢原子电子轨道半径与能级的特点 随着主量子数n的增加 i）轨道半径增大，半径间距增大 ii）能级的绝对值减小，能级间距减小
§2.3 Bohr的氢原子理论
例：试估算处于基态的氢原子被能量为12.09eV的光子激发时，
n 3 , 4 ,5
（2 ）
其中，RH = 1.0967758×107m-1，称为Rydberg常数
~ RH 当 n→∞， （线系限的波数） 2 2
§2.2 氢原子光谱的实验规律
二、氢原子的其它谱线系
1、线系
Lyman系 Balmer系 Paschen系 Brackett系 Pfund系
En 13.6 eV 2 n
E1 13.6eV , 当n=1时，
激光原理与应用讲教学课件
规定使用场所
激光设备应在指定的、安全的场所使用，并确保该场所没有其他人 员或物体受到激光的潜在危害。
规定操作流程
使用激光设备前，必须阅读并理解操作手册，并按照手册中的步骤 进行操作。任何违反操作流程的行为都可能导致严重的后果。
定期检查和维护
激光设备应定期进行检查和维护，以确保其处于良好的工作状态，并 消除任何潜在的安全隐患。
亮度高
激光的能量密度很大，亮 度高，可以在很短的时间 内集中很大的能量
激光的分 类
按工作物质分类 气体激光器、液体激光器、固体激光 器、化学激光器和自由电子激光器等
按输出波长分类
远红外激光器、近红外激光器、可见 激光器、紫外激光器、X射线激光器 和超短激光器等
材料加工
01
02
利用激光的高能量密度，实现金属和非金属材料的切割、 焊接、打孔等。
应用：汽车制造、航空航天、电子制造。
03
04
激光快速成型
利用激光制造三维物体，具有速度快、精度高、成本低 等优点。
05
06
应用：产品原型制造、医疗器械制造。
04 激光技术的前沿 与展望
高功率激光技 术
总结词
高功率激光技术是目前激光领域的前沿技术之一，是推动激光技术进步的重要力 量。
激光原理与应用教学课件
contents
目录
• 激光原理概述 • 激光原理的基本概念 • 激光器件及应用 • 激光技术的前沿与展望 • 激光安全与防护
01 激光原理概述
激光的产生
激光是受激辐射光放大的简称，是原子或分子中的电子在吸收能量后，从低能级跃 迁到高能级，再从高能级回落到低能级时，释放的能量以光子的形式放
详细描述
光纤激光器利用光纤作为增益介质，具有体积小、散热效果好、易于维护等优点。同时，光纤激光器的光束质量 也优于传统固体激光器，能够实现更远距离的传输和更好的聚焦效果。目前，光纤激光器已经被广泛应用于工业、 医疗、军事等领域。
激光设备应在指定的、安全的场所使用，并确保该场所没有其他人 员或物体受到激光的潜在危害。
规定操作流程
使用激光设备前，必须阅读并理解操作手册，并按照手册中的步骤 进行操作。任何违反操作流程的行为都可能导致严重的后果。
定期检查和维护
激光设备应定期进行检查和维护，以确保其处于良好的工作状态，并 消除任何潜在的安全隐患。
亮度高
激光的能量密度很大，亮 度高，可以在很短的时间 内集中很大的能量
激光的分 类
按工作物质分类 气体激光器、液体激光器、固体激光 器、化学激光器和自由电子激光器等
按输出波长分类
远红外激光器、近红外激光器、可见 激光器、紫外激光器、X射线激光器 和超短激光器等
材料加工
01
02
利用激光的高能量密度，实现金属和非金属材料的切割、 焊接、打孔等。
应用：汽车制造、航空航天、电子制造。
03
04
激光快速成型
利用激光制造三维物体，具有速度快、精度高、成本低 等优点。
05
06
应用：产品原型制造、医疗器械制造。
04 激光技术的前沿 与展望
高功率激光技 术
总结词
高功率激光技术是目前激光领域的前沿技术之一，是推动激光技术进步的重要力 量。
激光原理与应用教学课件
contents
目录
• 激光原理概述 • 激光原理的基本概念 • 激光器件及应用 • 激光技术的前沿与展望 • 激光安全与防护
01 激光原理概述
激光的产生
激光是受激辐射光放大的简称，是原子或分子中的电子在吸收能量后，从低能级跃 迁到高能级，再从高能级回落到低能级时，释放的能量以光子的形式放
详细描述
光纤激光器利用光纤作为增益介质，具有体积小、散热效果好、易于维护等优点。同时，光纤激光器的光束质量 也优于传统固体激光器，能够实现更远距离的传输和更好的聚焦效果。目前，光纤激光器已经被广泛应用于工业、 医疗、军事等领域。
激光原理及应用PPT课件
激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质 （如晶体、玻璃等）中的 粒子，实现粒子数反转并 产生激光。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念
《原子能级和量子跃迁》 讲义
《原子能级和量子跃迁》讲义在探索微观世界的奇妙之旅中，原子能级和量子跃迁是两个至关重要的概念。
它们不仅揭示了物质微观结构的神秘面纱，还为我们理解许多物理现象和现代技术的原理提供了坚实的基础。
让我们先来了解一下什么是原子能级。
想象一下原子就像一个小小的微观“大厦”，而电子则在这个大厦的不同“楼层”上运动。
这些“楼层”可不是随意分布的，而是有着特定的能量值，我们把这些具有特定能量值的状态称为原子能级。
每个原子都有一系列不连续的能级。
这些能级的存在是由于电子在原子核周围的运动受到量子力学规律的限制。
低能级的能量较低，高能级的能量较高。
电子只能在这些特定的能级上存在，而不能处于能级之间的任意位置。
那么，原子是如何从一个能级跳到另一个能级的呢？这就涉及到量子跃迁。
量子跃迁是指原子中的电子在不同能级之间突然的、不连续的变化。
比如说，当一个原子吸收了一定能量的光子时，电子可能会从低能级跃迁到高能级。
这个过程就好像是电子一下子从一个楼层跳到了更高的楼层。
反之，当电子从高能级跃迁回低能级时，会释放出光子，这也是许多发光现象的原因。
量子跃迁的发生具有一定的条件和规律。
首先，所吸收或释放的能量必须与两个能级之间的能量差相匹配。
这就好比你要上到特定的楼层，需要乘坐正好能到达那个楼层的电梯。
如果能量不匹配，跃迁就不会发生。
而且，量子跃迁的过程是瞬间完成的，没有中间过渡的状态。
这与我们在日常生活中所熟悉的连续变化的过程有很大的不同。
原子能级和量子跃迁的概念在许多领域都有着重要的应用。
在激光技术中，正是利用了原子在特定能级之间的跃迁来产生高度相干、单色性好的激光光束。
通过控制原子的能级结构和跃迁过程，可以实现不同波长和特性的激光输出，从而广泛应用于通信、医疗、工业加工等领域。
在光谱分析中，原子能级和量子跃迁是理解原子发射和吸收光谱的关键。
不同的元素具有不同的原子能级结构，当它们被激发时，会产生特定波长的光谱线。
通过分析这些光谱线，我们可以确定物质的组成和结构，这在化学分析、天文学等领域中发挥着重要作用。
原子物理学课件：第二章：原子的能级和辐射
2020/9/30
21
实验装置示意图
单色光照射到作为正极的 金属板表面，引起光电子 的逸出。
在另一端加上负电压（减速势）V，它的大小是电子能量的直接
量度。如果从正极发射出来的电子的最大动能为
eV
eV0
1 2
m
vm2
1 2
m
vm2
，那么当
时，就没有一个电子能够到达负极，于是电流i为零。V0被称为遏
止电压。 2020/9/30
1 n2
),n
4,5, 6,
（4）布喇开系(红外):
1 RH ( 42
1 n2
),n
5, 6, 7,
（5）普丰特系（红外）:
RH
(
1 52
1 ),n n2
6, 7,8,
2020/9/30
38
3、里德伯公式 （1889年）
1 RH ( m2
1 n2
)
m=1,2,3……； 对每个m, n=m+1,m+2,m+3……构成谱线系
2020/9/30
5பைடு நூலகம்
从理论上分析，黑体腔壁可认为是由大量作谐振动的 谐振子(作谐振动的电偶极矩)组成
振动的固有频率可从(0-∞)连续分布，谐振子通过发 射与吸收电磁波，与腔中辐射场不断交换能量。
(2) 基尔霍夫定律 1859年
黑体辐射达平衡时，辐射能量密度E(v,T)随v的变化曲线 只与黑体的T有关，而与空腔的形状及组成材料无关。
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8
维恩 (Wilhelm Wien 德国人 1864-1928)
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热辐射定律的发现 1911年 诺贝尔物理学奖获得者 斯特藩—玻耳兹曼定律和维恩位移 律是测量高温、遥感和红外追踪等 技术的物理基础。
激光原理第2章
初态： 初态：激发态原子
终态： 终态：基态原子
E2
外来光子 hν = E2 – E1
发射光子 hν = E2 – E1
E1 特点： 才能引起受激辐射； 特点：只有外来光子能量为 hv =E2-E1才能引起受激辐射； 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即具有相同的 频率、偏振方向、传播方向以及相同的位相；是相干光。 频率、偏振方向、传播方向以及相同的位相；是相干光。 受激辐射是激光器的物理基础
爱因斯坦A 5、 爱因斯坦A、B系数关系
在光和原子相互作用达到动平衡的条件下， (1) 在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，
自发辐射、 自发辐射、受激辐射和受激吸收间关系
A21n2dt + B21ρ ν n2dt = B12 ρ ν n1dt
自发辐射光子数 受激辐射光子数 受激吸收光子数
n2 B12 ρ v = n1 A21 + B21ρ v
的光波， 的连续功率， 2、某激光器，输出波长500nm的光波，输出 某激光器，输出波长 的光波 输出1W的连续功率， 的连续功率 问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？
2.3
光的受激辐射
1900年 1900年，普朗克利用辐射量子化假 设成功解释黑体辐射分布规律 1913年 1913年，波尔提出原子中电子运动状 态量子化假设
（2）自发辐射跃迁几率 设t 时刻 ，体系处于E2 的总粒子数密度为 n2(t)，从t ～t + dt 体系处于 正比于n ： 时间间隔内自发辐射粒子数密度 dn21 正比于 2(t)：
− dn2 = A21n2 (t )dt
激光原理与技术PPT(很全面)
激光束质量对应用的影响
分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束的控制与整形
激光束控制技术
探讨通过光学元件、机械装置等手段对激光束进行控制的原理和 方法。
激光束整形技术
介绍将激光束整形为特定形状（如平顶、环形等）的原理和方法， 以及整形后激光束的特性。
激光束控制与整形的应用
阐述激光束控制与整形在材料加工、生物医学、光通信等领域的应 用实例。
激光Байду номын сангаас眼睛的危害
激光束直接照射眼睛，可能导致视网膜烧伤、视力下降甚至失明。防护措施包 括佩戴合适的激光防护眼镜，避免直接观看激光束。
激光对皮肤的危害
激光照射皮肤可能导致烧伤、色素沉着、皮肤癌等。防护措施包括穿戴防护服 、使用防晒霜等。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国国家标准学会（ANSI）等制定了激光安全标准， 对激光产品的分类、标识、使用等做出了规定。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通 过泵浦光激发染料分子产生激光 ，具有宽调谐范围和短脉冲输出 能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、 氚等聚变燃料的靶丸，实现核聚 变反应，是惯性约束聚变研究的 重要手段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴 复合释放能量形成激光输出，具有体 积小、效率高、寿命长等优点。
激光手术
利用激光的高精度和可控性，进行微 创手术操作，如眼科手术、皮肤科手 术等。
生物医学成像
利用激光的高亮度和方向性，对人体 内部组织进行光学成像，以辅助医学 诊断和治疗。
05
激光测量与检测技术
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的
2）EEmEn kT ，nm nn 0
条
3）T>0且EmEn ，nm<nn
件
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第 §1.2 原子能级和辐射跃迁 一 章
辐 射 理 论 概 要 与 激 光 产 生 的 条 件
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
要
➢磁量子数（即轨道方向量子数）m=0，±1，±2，… ±l 代表轨道在
与
空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量
激
➢自旋量子数（即自旋方向量子数）ms= ±1/2，代表电子自旋方向的取
光
向，也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量
产
n 1
n2
n3
生
s
s
P
s
P
d
的
条
件
n1
例：计算每一个壳层（ 2(2l 1)2n2）和次壳层（2(2l+1)个）
要
与 3. 图(1-3)为原子能级示意图
激 光 产 生 的
En
激
E2
发 态
例：计算1s和2p态的简并度
条
E1
件
E0基态
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第 §1.2 原子能级和辐射跃迁
一 章
1.2.3 波尔兹曼分布
辐
1. 现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下， 原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：
可以容纳的最多电子数 l0
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第 §1.2 原子能级和辐射跃迁 一 章 1.2.1 原子能级、简并度
辐 2. 电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态
射
➢电子的能级，依次用E0，E1，E2，… En表示
理 论 概
➢基态：原子处于最低的能级状态 ➢激发态：能量高于基态的其它能级状态 ➢简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态 ➢简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目
第 §1.2 原子能级和辐射跃迁 一 章 1.2.1 原子能级、简并度
辐 1. 原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：
射
➢主量子数n，n＝1，2，3，…代表电子运动区域的大小和它的总能量的
理
主要部分
论
➢辅量子数 l, l 0 ,1 ,2 (n 1 )代表轨道的形状和轨道角动量，这也同
概
电子的能量有关。对l 0,1,2,3等的电子顺次用s, p, d, f字母表示
射 理 论 概
式中
ni gieEi kT
g i —Ei的简并度；k—波尔兹曼常数；T—热平衡时的绝对温度；
ni—处在Ei能级的原子数
Hale Waihona Puke 要2. 分别处于Em和En能级上的原子数nm和nn必然满足下一关系
与 激 光 产
n g e m m
(EmEn ) kT
nn gn
3. 为简单起见，假定 gm gn
生
讨论：1）EEmEnk T ，nm nn 1