电光效应PPT学习教案.pptx

会计学
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电光效应
第1节 斯塔克效应
1913年斯塔克（Stark）发现置于电场中的氢原子发射的巴耳未光谱线较之无电 场时分裂出若干频率发生变化的谱线（如图2-1所示 ），施加外电场后，原子辐射（或吸收）的频率和大小发生变化，说明原子在电场作用下能级发生了分裂和位移。
外电场使光谱线发生分裂和位移的现象，称为斯塔克效应。
这些分离谱线的排列有一定的规律,谱线的间距总可被一个最小间距除尽，谱线的劈列间距与电场强度的一次方成比例。这种斯塔克效应称为一次（或线性）斯塔克效应。但有的原子观察不到一阶斯塔克效应，却能观察到较弱的二阶斯塔克效应，这时谱线的裂距与电场强度二次方成比例。
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１、氢原子的线性斯塔克效应
在外电场中原子光谱线的分裂，归因于原子能级的简并。
主量子数 n 一定的能级,含有若干角量子数l和磁量子数 m不同的量子态。无外场时这些量子态具有近似相同的能量，
施加外电场以后，简并被部分地或全部地解除。
简并解除后，不同组合量子态将具有不同的能量。一个简并能级便分裂为多个能级。
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１、氢原子的线性斯塔克效应
氢原子的第一激发态（n＝ 2）就是四度简并的，标明这四个量子态的波函数可记为ψ2,0,0，ψ2,1,0，ψ2,1,1，ψ2,1,-1。施加外电场后，组合量子态为
Ψ1＝１／2（ ψ2,0,0－ψ2,1,0）；
Ψ２＝１／2（ ψ2,0,0＋ψ2,1,0）
类似地，由ψ2,1,1，ψ2,1,-1的线性组合可得两个组合量子态。后两个组合量子态能量位移为零，
ψ1的能量位移为3ea0E，ψ2的能量位移为一3ea0E ，
其中a0为玻尔半径，e为电子电量，E为外电场强度。
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１、氢原子的线性斯塔克效应
这种能量位移量，很象一个偶极子与外电场下之间的相互作用能。
氢原子第一激发态的行为好象一个偶极矩的行为3ea0的电偶极子的行为，它相对外场E有三种取向：
一种是平行外场，一种是反平行外场场，还有一体是垂直外场取向,
对应的附加能量是－3 e a0 E, 3 e a0 E和 0
因此，在外电场中，n ＝2的能级分裂成三个级。 对n＝3的能级，会作类似分裂。由于能级的分裂， n ＝3和n ＝2能级之间的跃迁谱线，将由一条谱线分裂为多条谱线。可能的跃迁如图2－2所示。
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２、二阶斯塔克效应
按量子力学分析，一个原子具有永久偶极矩的条件是未被外场拢动时能级是简并的，且含有相反宇称的量子态，氢原子属这种情形。
对于无永久偶极矩的原子，外加电场会使原子正负电荷中心分离引起极化，产生附加诱导偶极矩，这偶极矩正比于外电场E ，
即P＝E，  为原子静电极化率，
与所有量子数有关，对每种电子组态都是不同的。这诱导偶极矩又处于外电场中，与外电场相互作用的附加能量ΔE＝1/2  E2。对不同量子态，有不同和不同能量位移，致使产生不同能级分裂和谱线分裂。
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斯塔克效应的观察不如后面将要叙述的塞曼效应那么容易。因为原子的内电场很强。以氢原子基态为例，玻尔轨道附近的电场高达5X109 V/cm，106 V／cm的外电场（已不易产生）较之内电场也只算得是一个微拢。因此，在原子物理学中斯塔克效应远不如塞曼效应那样引人注意和感兴趣。但近些年随着里德堡原子的发现和产生这种原子技术的提高，斯塔克效应的价值又开始受到重视。
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３、里德堡原子和斯塔克效应
对于原子，存在大量激发态，一个原子中如果有一个电子处于主量子数n很大的高激发态，便称为里德堡（Rydberg）原子。
里德堡原子特性奇特，它的原子半径约为基态原子半径的105倍，庞大的尺度，可以包容另一原子于其中；它也是长寿命的，它极易受外场影响，相当弱的电场就会引起里德堡原子的强烈畸变，也可被磁场挤压变形。
里德堡原子的存在，开辟了原子物理研究的新领域，即研究经典力学和量子力学交界的地带。这对于理解量子现象是很有意义的。
里德堡原子的研究还对激光同位素分离、等离子体诊断、射电天文等，有令人感兴趣的技术和科学价值。激光同位素分离的原理是基于同位素核质量的差异会引起谱线产生位移和差异，利用激光对某同位素进行选择性光电离，便可达到分离同位素的目的。测定灼热星体周围存在的里德堡原子发射谱线的强度和宽度，可估算星体温度，谱线的位置可提供有关星体距离和速度的信息。
当原子处于高激发态成为里德堡原子后，和氢原子一样，在外电场中会有显著的线性斯塔克效应。里德堡原子由斯塔克效应引起的能级的总劈裂宽度近似与n2成正比。（ΔE≈3/2 n2E）因此，里德堡原子产生线性斯塔克效应的电场低得多，
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