带间跃迁的吸收与发射光谱优秀课件
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1 、注意是“一个原子”还是“一群原子”氢原子核外只有一个电子,这个电子在某个时刻只能处在某个可能的定态上,在某段时间内,由某一定态跃迁到另一个定态时——可能的情况只有一种,但是如果容器中盛有大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。
例 1、 有一群处于量子数 n =4 的激发态中的氢原子,在它们发光的过程中,发出的光谱线共有几条?解析:即发出的光谱线共有 6 条,能级跃迁如图 1 所示。
点评:处于量子数为的激发态的大量氢原子,发生能级跃迁可能发射不同频率的光谱线条数,可用组合数计算。
根据玻尔的氢原子理论,当原子从低能级向高能级跃迁时,必须吸收光子(或吸收能量)才能实现。
相反,当原子从高能级向低能级跃迁时,必须辐射光子才能实现。
不管是吸收还是辐射光子,其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差,欲想把处于某一定态的原子的电子电离出去,就需要给原子一定的能量。
如使氢原子从 n =1 的基态跃迁到的状态,这个能量的大小至少为 13.6eV 。
例 2、 氢原子的能级图如图2所示,欲使一处于基态的氢原子释放出一个电子而变成氢离子,该氢原子需要吸收的能量至少是( )A. 13.6eVB. 10.20eVC. 0.54eVD. 27.20eV解析:氢原子释放出一个电子而变成氢离子即电离过程,相当于原子从 n =1 的能级踵迁到的能级,电子所需的能量至少为。
考生误选 B 是因为只注意到跃迁而忽略了电离的要求。
所以本题的正确选项为 A 。
3 、注意是“直接跃迁”还是“间接跃迁”原子从一种定态跃迁到另一种定态时,有的可能是直接跃迁,有的可能是间接跃迁。
两种情况下辐射(或吸收)光子的可能性及其频率可能不同。
例 3、氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时,可发出三种不同波长的辐射光。
已知其中的两个波长分别为,且 ,则另一个波长可能是( )A.B.C.D.解析:假定该相邻三个能级的量子数为 K 、 L 、 M ,则其中一种可能是如图3 甲所示,,则另一种光子的波长关系式应为故,选项 D 正确;另一种可能是如图 3 乙所示,则另一种光子的波长关系式应为故,选项 C 正确;不难证明,若情况如图 3 丙所示,,选项D 正确。
3.5 带间光发射跃迁带间光跃迁的元过程:电子从一个带中的一个电子态跃迁到另一带中的某个电子态。
这样的过程自然是在初电子态被占据,末电子态未被占据的情形才能發生。
对晶体中大量电子的状态跃迁,要知道总的跃迁情况,就需要知道电子在各种电子态中的分布情况(组态)。
在很多情形,可以用每个电子态被占据的几率来描述其分布状况。
前面讨论的晶体带间吸收,是针对处于基态的晶体,即价带填满,导带全空这样一种特定的最简单的电子布居情形而言的。
幸好这样的讨论也很好的适用于通常碰到的情形,即处于热平衡,温度不是非常高,没有其它外界的激发的情形,那时价带基本填满,导带几乎全空。
不然,在统计总的吸收速率时就需考虑各个电子态被占据的几率。
带间的光发射跃迁,是导带处于某一电子态的电子跃迁到价带空的(未被电子占据)电子态,同时放出一个光子。
这常称之为电子与空穴的复合。
对于光发射跃迁,通常情况下作为跃迁初态的导带电子态只有一部分被占据,跃迁末态价带的电子态也只有一部分是空的,这就与前面讨论的带间吸收不一样了。
这时,讨论总的辐射跃迁速率就必须考虑到带中电子分布的情况。
带间光发射跃迁同样可分为直接跃迁和间接跃迁。
如前所述,对于直接跃迁,过程只涉及电子与辐射(光子)间的相互作用。
这一过程当然要满足能量守恒和3.1中给出的那些选择定则(电子初末态的,k sr 相同)。
而间接跃迁则需要声子的参与。
图3.5-1表示两种光发射过程示意图。
图3.5-1 带间复合示意图. (a) 直接跃迁; (b) 间接跃迁3.5.1 带间直接跃迁导致的光发射辐射场与固体相互作用的一级项为()()()()(){}112,,ˆˆexp exp 2I i i i i i i i i i i i H e m p A r t e p b i t r b i t r m V κκκκκκκπωωεω=-⋅⎛⎫⎡⎤⎡⎤=-⋅--⋅+-⋅ ⎪⎣⎦⎣⎦⎝⎭∑∑†r r r r r h r r r r k k 它的后一项相应于光发射跃迁()12(1),ˆexp 2ei I i i i i e H p b i t r m V κκκκκπωεω⎛⎫⎡⎤=-⋅-⋅ ⎪⎣⎦⎝⎭∑†r h r r r k (3.5-1) 带间直接跃迁导致的单光子发射,是由辐射场与电子相互作用(1)e I H 决定的。
3.5 带间光发射跃迁带间光跃迁的元过程:电子从一个带中的一个电子态跃迁到另一带中的某个电子态。
这样的过程自然是在初电子态被占据,末电子态未被占据的情形才能發生。
对晶体中大量电子的状态跃迁,要知道总的跃迁情况,就需要知道电子在各种电子态中的分布情况(组态)。
在很多情形,可以用每个电子态被占据的几率来描述其分布状况。
前面讨论的晶体带间吸收,是针对处于基态的晶体,即价带填满,导带全空这样一种特定的最简单的电子布居情形而言的。
幸好这样的讨论也很好的适用于通常碰到的情形,即处于热平衡,温度不是非常高,没有其它外界的激发的情形,那时价带基本填满,导带几乎全空。
不然,在统计总的吸收速率时就需考虑各个电子态被占据的几率。
带间的光发射跃迁,是导带处于某一电子态的电子跃迁到价带空的(未被电子占据)电子态,同时放出一个光子。
这常称之为电子与空穴的复合。
对于光发射跃迁,通常情况下作为跃迁初态的导带电子态只有一部分被占据,跃迁末态价带的电子态也只有一部分是空的,这就与前面讨论的带间吸收不一样了。
这时,讨论总的辐射跃迁速率就必须考虑到带中电子分布的情况。
带间光发射跃迁同样可分为直接跃迁和间接跃迁。
如前所述,对于直接跃迁,过程只涉及电子与辐射(光子)间的相互作用。
这一过程当然要满足能量守恒和3.1中给出的那些选择定则(电子初末态的,k s 相同)。
而间接跃迁则需要声子的参与。
图3.5-1表示两种光发射过程示意图。
图3.5-1 带间复合示意图. (a) 直接跃迁; (b) 间接跃迁3.5.1 带间直接跃迁导致的光发射辐射场与固体相互作用的一级项为()()()()(){}112,,ˆˆexp exp 2I i i i i ii i i i i i H e m p A r t e p b i t r b i t r m V κκκκκκκπωωεω=-⋅⎛⎫⎡⎤⎡⎤=-⋅--⋅+-⋅ ⎪⎣⎦⎣⎦⎝⎭∑∑†k k 它的后一项相应于光发射跃迁()12(1),ˆexp 2e iIi i i ie Hp b i t r m V κκκκκπωεω⎛⎫⎡⎤=-⋅-⋅ ⎪⎣⎦⎝⎭∑†k (3.5-1) 带间直接跃迁导致的单光子发射,是由辐射场与电子相互作用(1)e I H 决定的。