第18章量子物理基础概念.ppt

四能级系统： 4、光学谐振腔 2、反转分布: 要使受激辐射占优势，必须实现粒子数反转 分布，即高能级原子数要超过低能级原子数。 产生激光的基本条件：介质中的粒子数反转。 粒子数的反转分布 1951年，美国物理学家汤斯和他的研究小组实现了氨分子的粒子数反转。 (2) 要有合适能级结构的工作物质，即激活物质。 外界提供能量的过程称为激励或抽运，俗称泵浦(pump)。 激励的方法 : 光激励 气体放电激励 化学反应激励 核能激励 …… 3. 粒子数反转的实现 实现粒子数反转的条件： (1) 必须从外界输入能量，使尽可能多的粒子吸收能量后 跃迁到高能态。 二能级系统不可能实现粒子数的反转。 三能级系统： E1 — 基态 E3 — 激发态 E2 — 亚稳态 E3 E2 E1 A32 A31 A21 B13 三能级系统 E4 E1 E3 E2 四能级系统 E1 ：基态 E2 ：激发态 E4 ：激发态 E3 ：亚稳态 实现粒子数反转的条件： 激励能源：提供能量。 激活物质：有适当的能级结构（亚稳态）。 物理学“全明星”合影 ,至今没有第二张照片能出其右 进行彩色处理后的照片 §18.11 晶体的能带结构 18.11.1 晶体的结构和能带 理想的晶体是由完全相同的基元（原子、原子团、离子或分子）在空间周期性排列而成的固体。 晶体结构特点：长程有序。 从宏观性质来看，晶体相对于非晶体有如下特点: (1)晶体有一定对称的外形； (2)晶体存在解理面（外力作用下，沿一定的平面裂开）； (3)晶体的一些物理性质是各向异性的； (4)晶体有一定的熔点。 从微观结构上看：组成晶体的分子、原子或离子(统称微粒)有规则的周期性排列，即具有长程有序性。 1. 晶体的结构 晶体按结合力的性质可分为四类： 铁、铜等 导电性、导热性强。 金属键 金属晶体 有机化合物的晶体等 硬度低、熔点低、导电性 差。 Van der Waals（范德瓦尔斯）力 分子晶体 金刚石、锗、硅等半导体 高硬度、高熔点、低温导电性弱。高温或掺入杂质时，导电性增强。 共价键 共价晶体 NaCl、CsCl等晶体 硬度高、熔点高、导电性弱。 离子键 离子晶体 常见晶体 性质 结合力 类型 注意：大多数晶体的结合为混合键。例如：石墨晶体，同一层 中碳原子间是共价结合，不同层间是Van der Waals结合。 2. 周期性势场与电子的共有化： （1）晶体中周期性势场的形成: ① 孤立原子中价电子所在处的势能： 孤立原子中价电子的运动可看作是一维深势阱中的运动。 ② 假设N 个原子相距无限远，各原子中价电子的势能： 各原子中价电子的势能曲线及能级值都是相同的。 ③ 两相距为 d 的原子中价电子所处势能： 若两个电子相距较近，每个价电子要同时受到这两个原子实的电场的作用，使两个电子中间出现一个势垒。 能量为 E, 在ab区域的价电子有一定的概率穿过势垒bc 运动到cd ，这样， 价电子在一定程度上是两个原子共有的。（隧道效应） ④ 大量相距为 d 的原子组成一维点阵： 电子的势能曲线呈现 出相同的周期性。 周期性势场 — 晶体中大量原子的周期性排列， 使晶体内 形成周期性势场，具有周期性的势垒。 若价电子E = E3 ，已超过势垒高度，完全可以自由地在晶体中运动，为整个晶体原子所共有。 若价电子E = E2 ，其穿过势垒的概率较大，在一定程度上电子共有化。 若价电子E = E1 ，其穿过势垒的概率小，价电子被较紧束缚。 （2） 电子的共有化： 由于周期性势场对价电子的作用，使价电子不再为单个原子所有而为整个晶体原子所共有的现象，称为电子的共有化。 ——量子效应 3. 能带的形成和能带结构： （1）能带的形成： ①氢原子组成氢分子: 由于电子的共有化，使原来原子中的电子能级发生分裂而形成( 实质上是固体中原子相互作用、相互影响的结果 ) 。 由于两原子的相互作用, 使得 1s 能级分裂成稍许 不同的两个能级。 ②由N个原子组成的晶体： 当N个原子结合成晶体时，原来具有相同能量的价电子由于处于共有化状态，使原来相同的能级分裂成N个能级( 能带 )。 N个能级 能带：单个原子的某一能级，在N 个原子组成晶体时分裂成