基本介紹
- 中文名：原子發光現象
- 外文名：atomic luminescence
- 類別：物理現象
- 機理：原子由高能級向低能級躍遷
原理介紹,選擇定則,探索歷程,經典物理解釋,玻爾理論,
原理介紹
當原子中的電子受到激發的時候，原子就會釋放光子。電子是帶負電荷的微粒，繞著原子核（帶有淨的正電荷）運動。原子中的電子有不同的能級，這取決於很多因素，其中包括電子的速度以及與原子核的距離。不同能級的電子占據不同的軌道。一般說來，能量較高的電子在距離原子核較遠的軌道上運動。當原子獲得或失去能量時，這個變化就通過電子的運動表現出來。當某物將能量（比如，熱量）傳遞給一個原子時電子就會暫時躍遷到一個更高（離原子核更遠）的軌道上。電子在這個位置上僅僅停留很短的時間，它幾乎立即就被拉向原子核，回到它的初始軌道。在返回初始軌道的同時，電子會將多餘的能量以光子（有時是可見光光子）的形式釋放出來。
若處於高能級上的原子，受到能量為hν12=E2-E1的外來光子的激勵，由高能級受迫躍遷到低能級，同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。該過程則稱之為受激輻射。
選擇定則
實際上，對於某種具體的原子，並不是任意能級間的躍遷都可以實現。原子能級之間的輻射躍遷要遵從的一定的規則，我們稱之為“選擇定則”。通常是指電偶極輻射躍遷的選擇定則，電四極矩輻射、磁偶極輻射以及更高級的輻射都比電偶極輻射要弱得多。選擇定則表明並非任何兩能級之間的輻射躍遷都是可能的，只有遵從選擇定則的能級之間的輻射躍遷才是可能的。選擇定則是確定原子光譜結構的重要規律。選擇定則可以從量子力學推導出來，它是角動量守恆定律和宇稱守恆定律的結果。單價原子的選擇定則是量子數滿足Δi=±1，ΔJ=0，±1；多電子原子（LS耦合）的選擇定則是為奇性態為偶性態，以及量子數滿足ΔS=0，ΔL=0，±1 ，ΔJ=0，±1（除去J=0→J=0）；塞曼效應的選擇定則還應加上磁量子數的限制。
探索歷程
經典物理解釋
按照經典物理學，核外電子受到原子的庫侖引力的作用，不可能靜止，必定以一定的速度繞核轉動。電子轉動引起電磁場變化，激發電磁波，以電磁波的形式輻射。因此，電子繞核轉動的原子系統是不穩定的，電子失去能量，最終將落在原子核上。通過理論計算可知，整個過程僅僅需要約10-11s。但是，事實上原子是個穩定系統。
玻爾理論
為了說明原子發光的機制，玻爾作了一個假定。
玻爾理論的基本假定是：①電子與核之間的相互作用力主要是庫侖力，電子繞核作圓周運動。②當電子在某一個固定的允許軌道上運動時，並不發射光子，這種特殊的力學平衡狀態可以用經典力學方法處理。③當電子從一個能量較大的狀態跳躍到另一個能量較小的狀態時，電子的總能量發生變化，這部分能量的改變值，就以光子的形式輻射出來；反之，當電子從一個能量較小的狀態躍遷到能量較大的狀態時，它吸收光子。輻射（吸收）頻率v與躍遷始末的兩個定態能量Em、En之間的關係由下式決定：|Em-En|=hv。④定態中，電子繞核運動的角動量滿足角動量量子化條件。
根據玻爾的假定，可以推導出氫原子光譜中巴耳末系、帕邢系、賴曼系、布拉開系、芬德系以及漢弗萊系的公式。
玻爾理論突破了經典概念，提出了定態、量子化條件、分立能級、能級間的躍遷等極其重要的概念，第一次從理論上解釋了氫原子光譜的經驗規律，成就是巨大的。另一方面，玻爾理論仍未能脫離經典理論的束縛，因而具有很大的局限性。正確的理論要建立在量子力學的基礎之上。
事實上，根據量子力學，當原子處於定態時，其機率密度不隨時間變化。原子的電荷密度是由它的機率密度與電子的電荷量共同決定的。一個穩定的電荷分布體系是不會產生電磁輻射的，所以定態時原子不輻射電磁波。而原子躍遷過程當中，電子就處在變化的疊加態，經計算，可知其機率密度將會以頻率v=|Em-En|/h隨時間振盪，該頻率恰巧也與玻爾理論所給出的相同。機率密度隨時間振盪意味著在周圍發現電子的機率會隨時間振盪，因此原子的電荷分布也會隨時間振盪，也就是說原子內部存在振盪的電偶極矩，原子必定會輻射。這樣我們就圓滿地解釋了原子躍遷時輻射（吸收）電磁波的內在機制。
