物理与文化物理与文化物理与文化 (38).pdf

第七讲 奇妙的量子世界17.2 原子结构的发现2第一第一个站到原子中心的人个站到原子中心的人卢瑟福卢瑟福原子的正电荷是均匀分布在整个原子球体内，原子的正电荷是均匀分布在整个原子球体内，而电子是一个个嵌在其中，并保持整个原子的而电子是一个个嵌在其中，并保持整个原子的电中性。电中性。1904年，年，为了解释元素周期律，为了解释元素周期律，又作进一步假又作进一步假设：原子中电子是分布在一个个同心圆环上，设：原子中电子是分布在一个个同心圆环上，作着旋转，每个环中只能包含作着旋转，每个环中只能包含有限个电子有限个电子。汤姆逊的原子模型汤姆逊的原子模型“葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型”“枣糕模型”“枣糕模型”3卢瑟福，发现了放射性规卢瑟福，发现了放射性规律，发现了原子核式结构律，发现了原子核式结构，首此实现了人工核反应，首此实现了人工核反应，预言了中子等。被誉为，预言了中子等。被誉为“核物理之父”。“核物理之父”。粒子探针的奇迹1908年，诺贝尔化学奖年，诺贝尔化学奖放射性研究以及放射性研究以及粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用卢瑟福是一位优秀的导师，非常善于培养人卢瑟福是一位优秀的导师，非常善于培养人，鼓励学生思考问题，提出问题，自己解决，鼓励学生思考问题，提出问题，自己解决问题。他的研究生中有问题。他的研究生中有11人获得诺贝尔奖。人获得诺贝尔奖。命名命名和和射线，发现射线，发现射线是带两个正电射线是带两个正电荷的氦离子荷的氦离子研究原子结构的探针。研究原子结构的探针。419091909年，卢瑟福的学生年，卢瑟福的学生马斯登马斯登和助手和助手盖革盖革用用粒子轰击厚度为粒子轰击厚度为0.40.4m m的金的金箔，发现有箔，发现有1/200001/20000的概率被反射回的概率被反射回来，发生大角度散射来，发生大角度散射这是第一个这是第一个有科学依据的原子模型的起点。有科学依据的原子模型的起点。卢瑟福提出原子的“卢瑟福提出原子的“核式结构模型核式结构模型”5所有正电荷和原子质量都集中在原子中心一个非常小的体所有正电荷和原子质量都集中在原子中心一个非常小的体积内积内，这就是原子核这就是原子核。原子中的电子绕核运动原子中的电子绕核运动,靠静电引靠静电引力把整个原子结合在一起力把整个原子结合在一起。并且通过理论推导给出了著名的并且通过理论推导给出了著名的“卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式”,所所计算出的计算出的粒子散射概率与实验事实完全相符粒子散射概率与实验事实完全相符。卢瑟福核卢瑟福核式结构模型式结构模型问题问题：无法解释原子的稳定性和原子有一定的大小。：无法解释原子的稳定性和原子有一定的大小。6“显然，原子的稳定性与原子精细结构有关，并且与显然，原子的稳定性与原子精细结构有关，并且与其中带电粒子的运动有关。其中带电粒子的运动有关。”卢瑟福卢瑟福“关于所提的原子稳定性问题，现阶段尚未考虑进行研关于所提的原子稳定性问题，现阶段尚未考虑进行研究究但是，我们的科学事业除了今天还有明天！但是，我们的科学事业除了今天还有明天！”洛伦兹洛伦兹维恩、居里夫人、庞加莱维恩、居里夫人、庞加莱普朗克普朗克卢瑟福卢瑟福朗之万朗之万M德布罗意德布罗意1911年年10月月30日第一次索尔维会议日第一次索尔维会议昂内斯昂内斯金斯金斯7玻尔玻尔（N.Bohr,1885-1962）丹麦物理学家，哥本哈根学丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人，量子物理学的派的创始人，量子物理学的奠基者之一。奠基者之一。波尔原子模型波尔原子模型史学家问过玻尔：史学家问过玻尔：“当时是不是只有你一个人感兴趣“当时是不是只有你一个人感兴趣呢？呢？”玻尔回答说：玻尔回答说：“是的，不过你们知道，我主要不“是的，不过你们知道，我主要不是感兴趣，我只是相信它。”是感兴趣，我只是相信它。”89玻尔认为：如果原子发光源自内部电子能量的释放，玻尔认为：如果原子发光源自内部电子能量的释放，线状光线状光谱谱意味着能量的分立性原则在此适用，亦即意味着能量的分立性原则在此适用，亦即电子的能量状态电子的能量状态不可能是连续变化的不可能是连续变化的。1 1普朗克和爱因斯坦提出了“量子化”概念。普朗克和爱因斯坦提出了“量子化”概念。2 2卢瑟福提出了“原子核式结构”模型。卢瑟福提出了“原子核式结构”模型。3 3描写氢原子可见光谱线的波长的经验公式描写氢原子可见光谱线的波长的经验公式巴耳末公式。巴耳末公式。)m(Bc22121416,5,4,3m波尔原子结构模型的基础波尔原子结构模型的基础“当我一眼看到巴尔末公式时，一切都在我眼前豁然开朗了。”“当我一眼看到巴尔末公式时，一切都在我眼前豁然开朗了。”假设之一假设之一：电子在围绕原子核运动时，只能电子在围绕原子核运动时，只能处于一些特定的处于一些特定的分立轨道分立轨道上，并上，并且电子在运动时不辐射电磁波。且电子在运动时不辐射电磁波。1913年，玻尔在前人的基础上发表了一篇长文年，玻尔在前人的基础上发表了一篇长文论原子和分子的论原子和分子的构造构造，对氢原子（或类氢原子）创造性地提出了两个著名的基，对氢原子（或类氢原子）创造性地提出了两个著名的基本假设：本假设：10量子化能级：分立的能量状态称之为量子化能级：分立的能量状态称之为能级能级11假设之二假设之二：氢原子的线状光谱来自电子从高氢原子的线状光谱来自电子从高能级向低能级能级向低能级跃迁跃迁的结果。的结果。1213玻尔模型的贡献与困难玻尔模型的贡献与困难1 1贡献贡献：给出了量子化的原子结构，成功地给出了对：给出了量子化的原子结构，成功地给出了对氢原子结构的定量描述，揭开了氢原子结构的定量描述，揭开了3030年来令人费解的氢光年来令人费解的氢光谱之谜。谱之谜。19221922年，波尔获得诺贝尔物理学奖。年，波尔获得诺贝尔物理学奖。14“即便在今天，在我看来，也是一个奇迹！这简直是思维上“即便在今天，在我看来，也是一个奇迹！这简直是思维上最和谐的乐章”最和谐的乐章”。-爱因斯坦晚年对波尔评价爱因斯坦晚年对波尔评价“这是非常出色的！这中间一定大有文章“这是非常出色的！这中间一定大有文章”。“这是一个伟大的发现”“这是一个伟大的发现”。152 2问题问题：把电子看做经典力学中的粒子，在静电作用把电子看做经典力学中的粒子，在静电作用下绕核做圆周运动。下绕核做圆周运动。在玻尔理论中同时存在着两种不协调的概念在玻尔理论中同时存在着两种不协调的概念经典的经典的连续性和量子的不连续性。连续性和量子的不连续性。“这一理论还是十分初步的，许多基本问题还有待解决。”“这一理论还是十分初步的，许多基本问题还有待解决。”波尔领取诺贝尔奖时波尔领取诺贝尔奖时玻尔模型的实验验证玻尔模型的实验验证除了光谱实验能证明玻尔模型正确外，德国科学家除了光谱实验能证明玻尔模型正确外，德国科学家弗兰克弗兰克和和赫兹赫兹正是用电子轰击多电子汞原子，成功证明了原子内部能量的正是用电子轰击多电子汞原子，成功证明了原子内部能量的量子化。这是独立于光谱实验的另一种方法，是对波尔理论的最量子化。这是独立于光谱实验的另一种方法，是对波尔理论的最有力的支持。有力的支持。夫兰克夫兰克赫兹赫兹1925年的诺贝年的诺贝尔物理学奖尔物理学奖16哥本哈根理论物理研究所哥本哈根理论物理研究所“物理学界的朝拜圣地”物理学界的朝拜圣地”1718原子核的发现意义深远，不仅使人们对原子结构原子核的发现意义深远，不仅使人们对原子结构有了正确认识，为原子物理的发展奠定了基础，有了正确认识，为原子物理的发展奠定了基础，而且从此开始了人类对原子核研究的历史。而且从此开始了人类对原子核研究的历史。谢谢大家！谢谢大家！