第17章原子物理基础优秀课件.ppt

第17章原子物理基础第1页，本讲稿共56页玻尔理论 玻尔索末菲理论 空间量子化内 容 提 要名句赏析此曲只应天上有，人间能得几回闻。第2页，本讲稿共56页第一节 玻尔理论一 前期工作 1897年发现电子后，开始对原子结构的研究。对原子内的正电荷分布有两种观点。1 原子结构的汤姆逊模型（1903年）原子+正电核正电荷均匀的分布在整个原子内。电子电子 则一粒粒的嵌在原子的不同位置上。被时人调侃为葡萄干式的面包模型。（Plum-pudding model）这样一种模型与原子是电中性的认识和事实是相符的。汤还假设，电子能在其平衡位置附近做谐振动并产生辐射，从而，定性地解释了原子辐射电磁波现象。第3页，本讲稿共56页2 原子结构的卢瑟福模型 (核型结构）（1909年)1908年卢瑟福设计了一种实验，由盖革和马斯顿在卢瑟福实验室进行的，用 粒子（氦核 ，质量为电子的7400倍）轰击金箔（极薄，约 ，几千个原子的直径厚）中的原子来检验这个模型。所用 粒子的速度约为光速的 ，能量约5.5兆电子伏特，粒子与金箔中的原子碰撞而被散射，通过探测不同散射角 方向上的 粒子，研究原子结构。金箔粒子探测器小角度散射的 粒子大角度散射的 粒子粒子粒子实验原理图第4页，本讲稿共56页 实验发现，大量的 粒子的散射角小，极少量 粒子散射角大，约 的 粒子大角度散射，如何解释此现象和事实。金箔粒子探测器小角度散射的 粒子大角度散射的 粒子粒子粒子实验原理图第5页，本讲稿共56页用汤姆孙模型可解释散射角小的大量的 粒子。原子 由于正电荷分布半径为 在整个原子上，原子可视为一均匀带电球体，粒子（高速，能量大）完全可射入其内部，进入球体后，离球心越近，按静电理论，受静电力越小，二者作用引起的偏转角，经计算为+为 粒子的动能为 粒子的动能得故汤模型仅可解释小角度的 粒子散射。因 粒子的质量比电子质量大几千倍且高速，粒子遇电子，如同一高速卡车撞击路上的一辆自行车，对卡车运动毫无影响。故 粒子的散射不是带负电的电子引起的。第6页，本讲稿共56页 按汤姆孙模型模型，大角度的散射是不会发生的。卢瑟福后来回忆他当年听到马斯顿发现有些 向后反弹的情景，曾说这是他一生中遇到的最不能想象的事情，因为它就象拿一发15英寸的炮弹去轰一张薄纸，炮弹居然被反弹回来!根据这种实验事实和现象，卢瑟福提出了另一种原子模型。+核电子轨道电子 原子中央有一个带正电荷的核，集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量。电子绕核做圆形轨道运动，被称为行星式模型。从这个模型看，原子内部很空，绝大多数的 粒子可进入原子内部，核的作用不大，粒子只会有小角度的偏转。少数打到核附近的 粒子才回有大的偏转，而极少数正对着核射来 才有可能反弹回去，这实验的结果是很一致的，该模型一直用到今日。第7页，本讲稿共56页+电子粒子的径迹+核粒子的径迹用卢瑟福模型可以解释实验中出现的 粒子的大角度的散射。汤姆孙模型可能出现的散射结果卢瑟福模型可能出现的散射结果电子第8页，本讲稿共56页汤姆逊因发现电子获1906年诺贝尔物理奖。第9页，本讲稿共56页E.Rutherford 18711931Received 1908 the Nobel Prize in chemistry(not physics)卢瑟福获1908年诺贝尔化学奖。第10页，本讲稿共56页获1908年诺贝尔化学奖第11页，本讲稿共56页卢瑟福与汤姆孙第12页，本讲稿共56页第13页，本讲稿共56页1911年学术会议第14页，本讲稿共56页 同年，瑞士科学家巴耳麦寻找到一经验公式来表示光谱线的波长 2 氢原子光谱的实验规律性 原子发光是重要的原子现象之一，它提供了原子内部结构和能态的变化。氢原子是最简单的原子，它的光谱也最简单。到1885年，从某些星体的光谱中观察到的氢光谱线以达14条。其中四条在可见光范围内，它们是：氢原子的可见光谱线:观测值（）6562.7934861.3274340.4664101.738单位：埃 线状光谱第15页，本讲稿共56页式中 为波数。称为里德堡常数。上式为巴耳麦系。1896年，经里德堡改进上式为：该式称为里德堡公式，其他谱线系帕邢系（上世纪初）后来又发现赖曼系（1916）布喇开系（1922）红外区远紫外区远紫外区第16页，本讲稿共56页普芳德系（1924）远紫外区广义巴耳麦公式 原子光谱的这种规律性，是否反映了物质内部结构的规律性呢?玻尔第一个把这二者联系起来。光谱项和并合原则（略加解释或不讲）。波数可表示为*第17页，本讲稿共56页 3 经典电磁理论遇到的困难 由卢瑟福的模型知，电子绕核做圆运动，电子有加速度。根据经典电磁理论，加速度运动的体系会向外不断地辐射电磁波，伴随着原子体系能量不断地减少，电子的速率减小，在原子核力的作用下，导致电子半径减小，电子最终将落到原子核上。按经典的电磁辐射理论，原子是不稳定的体系。另外，由于电子绕核转动的频率连续变化，原子体系辐射的应该是连续谱。但事实上，原子是稳定的，并且辐射线状光谱。显然，经典电磁理论无法解释氢原子线状光谱的实验事实及原子的稳定性。式中 称为光谱项，上式称为里兹并合原理。第18页，本讲稿共56页演示078电子核+电子结论：结论：此模型必然辐射连续光谱；且导致原子不稳定。第19页，本讲稿共56页电子电子 1913年，玻尔首先把量子论应用到原子结构的研究上，使物质结构理论进入了一个新阶段。二 玻尔基本假设1 稳定态假设 核外电子在一系列圆形轨道上绕核运动。在轨道上运动时无辐射，为电子的稳定态，或定态，能量为核+圆形轨道电子无辐射电子电子电子电子知识创新点：(1)接受了卢瑟福模型；(2)大胆地提出了定态不辐射 有悖于经典电磁理论的新思想。认为经典的物理理论不适合原子内物质的运动轨律，向传统的旧思向和旧观念发起挑战。第20页，本讲稿共56页2 跃迁辐射和吸收假设 当电子从一稳定态 跃迁到另一稳定态 过程中，伴随有电磁辐射或吸收（辐射或吸收一个光子)，其量值为：电子photon电子电子电子电子电子电子photon核+知识创新点：(1）把普朗克的辐射理论运用到原子辐射。(2）把爱因斯坦的辐射场量子化思想与原子的辐射结合一起。第21页，本讲稿共56页 3 轨道角动量量子化假设原子中的稳定态的轨道角动量只能取核+圆形轨道电子电子电子电子电子电子知识创新点：(1)把普朗克能量量子化思想大胆地推广到原子的轨道角动量。(2)轨道角动量的表述体现了物理复杂运动的简洁美。第22页，本讲稿共56页电子核+圆形轨道无辐射电子电子电子辐射轨道角动量量子化第23页，本讲稿共56页 玻尔假设的核心是定态思想和轨道角动量。而这些与经典物理的思想和观点是格格不入的。在经典物理一统天下的时代，玻尔的假设被视为离经叛道，遭到当时一些物理权威人士的非议和责难。(1)他的导师卢瑟福提出，若论文在英国发表，必须删除一些观点，实际上是让他删去违背经典物理的观点。玻尔据理力争，去说服卢瑟福。同时，不断地修改和完善文章。(2)瑞利（诺贝尔物理奖获得者)公开讲：“玻尔的文章对我没有用“。对玻尔观点不肖一顾。玻尔终于在1913年在英国的“哲学杂志”发表文章“论原子和分子的结构”，阐述了三条假设。论文发表后。(3)劳厄（1914诺贝尔物理奖获得者)和施特恩（1943诺贝尔物理奖获得者）扬言：“假如玻尔理论是对的话，我们将退出物理界”。然而，实践是检验理论或假设的唯一标准。第24页，本讲稿共56页三 用玻尔理论（玻尔氢原子理论）解释实验规律1 轨道半径量子化或电子线速度由玻尔假设3 轨道角动量量子化电子绕核做圆周运动时，由经典物理理论有(1)(2)轨道半径量子化。联立得结论：第25页，本讲稿共56页最小轨道半径又称玻尔半径常用此值用于表示原子的线度。+其它轨道半径为第26页，本讲稿共56页2 定态能量量子化电子在第n个轨道上运动时的总能量结论：能量量子化 由玻尔理论，使我们看到在微观体系内，一些在宏观看来是连续性的物理量，在微观领域内只能取一些特殊的，分立的值。为物理量的量子化。主量子数第27页，本讲稿共56页3 导出里得堡常数理论值与实验值基本相吻合。4 导出广义的巴尔末公式由以上得据第二条假设或则波数为第28页，本讲稿共56页 由玻尔假设出发，得出了广义的巴尔麦公式，也就是说，它成功地解释了物理的事实。玻尔的假说是正确的；或者说，原子内确有定态，在定态轨道上电子加速运动，但不辐射；轨道半径，轨道角动量，能量等是量子化的。从更大意义上讲，玻尔理论在人类认识客观规律上有了本质的飞跃，它开启了人类通向微观物质世界的大门。借问梅花何处落，风吹一夜满关山。玻尔理论一经出现，在物理，化学，生物，高能物理，材料物理等许多领域得到广泛得应用，成为深化许多学科的基础，改变了许多学科面貌。然而，玻尔理论中还夹杂着一些经典的物理思想和观点。人们把它称为半经典，半量子化的理论。到1924年量子理论出现后，才形成了客观的量子理论。这表明，人类对客观世界的认识是逐步深化的。玻尔理论在物理学史上只是相对真理。第29页，本讲稿共56页 *除了光谱现象以外，是否还有更直观的方法证实原子能级的存在呢?在玻尔原子理论发表的第二年即1914年，德国物理学家夫兰克和赫芝用电子和稀薄汞气体碰撞的方法简单而直接的证实了原子能级的存在。给玻尔理论提供了有力的证据，由于这项卓越的工作，他俩荣获1925年诺贝尔物理学奖。曲线意义的解释见教材（略）。第30页，本讲稿共56页 1911年26岁的玻尔来到英国的剑桥大学，在汤姆孙和卢瑟福的指导下工作。1913年提出氢原子理论假设；1922年获诺贝尔物理学奖。玻尔成功之后，许多国家以高薪邀请他，包括其导师卢瑟福等人，都被其婉言谢绝。1913年三月，玻尔回国，在哥本哈根创立了物理研究中心，被后人称为“物理学界的朝拜圣地”第31页，本讲稿共56页 牛顿讲过：“如过说我比别人看的远些，那是因为我站在巨人肩上的缘故。”玻尔在学术上有极强的敏锐力和洞察力，它的成功与他站到卢瑟福，普朗克，爱因斯坦等当时的科学巨匠们的“肩上”是分不开的。在今后的工作中，我们应吸取这种精神。玻尔是哥本哈根学派的创始人和领袖，与爱因斯坦论战多年，其意义远远超出自然科学的范畴，已涉及到对人类的知识本性，对主客观的认识等深层次问题的理解。对学术上的有益的争鸣，也是后人敬仰的。同行对玻尔的学识作出了很高的评价：海森堡讲：“玻尔在初质上是一个哲学家，而不是一个物理学家。但他懂得，我们今天的当代自然哲学只有当它的每一个细节都可以受到铁面无私的实验检验时，才是有份量的。”狄拉克讲：“我非常佩服玻尔，他似乎是我曾遇到过的最深邃的思想家，他的思想属于那种我愿意称之为哲学性思想的范畴。我没有弄懂那些思想，尽管我曾经尽了最大的努力企图把他们弄懂。”第32页，本讲稿共56页第33页，本讲稿共56页第34页，本讲稿共56页1922年获诺贝尔物理学奖第35页，本讲稿共56页第36页，本讲稿共56页玻尔夫妇与卢瑟福夫妇第37页，本讲稿共56页玻尔与泡利第38页，本讲稿共56页费米与玻尔第39页，本讲稿共56页第40页，本讲稿共56页四 能级图或基态激发态电离能 123456-13.58-3.39-151-0.85-0.30-0.540赖曼系巴尔麦系帕邢系第41页，本讲稿共56页解同理（计算过程略）例 16-1氢原子由基态被激发到 的激发态。（1）试计算氢原子所吸收的能量；（2）氢原子回到基态过程中，可能发出的谱线及波长。例题例题第42页，本讲稿共56页 例 16-2 氢放电管内，具有动能为 的自由电子与基态氢原子碰撞，氢原子会激发到哪一激发态?氢原子可能辐射的波长是多少?解：由得取整，被激发到 激发态。氢原子可能辐射的波长是第43页，本讲稿共56页第二节 玻尔索末菲理论 假设电子绕原子核运动时，其轨道不一定是圆形，也可能是椭圆形，原子核处在椭园形的一个焦点上。不同轨道上的上的能量是相同的，称为能级简并。核电子不同轨道上的角动量不同。对于同一个 ，可以有 个不同的 的值。用高分辩率的摄谱仪观察氢原子或其他原子的光谱时，发现谱线并不象里德堡公式给出的那末简单，而是具有精细结构，每条谱线是由靠的很近的几条谱线组成。1915-1916年，索末菲等把玻耳理论推广到更一般的椭圆轨道，并考虑到相对论修正。使现象得以解释。第44页，本讲稿共56页 但仍不能解释能级的分裂。索末菲又考虑相对论效应，相同，不同，能量略有差别解释了分裂现象。考虑相对论修正，电子的速度可以和光速相比,电子的质量随着轨道上各点的运动速度而变，所以，轨道不在是闭合。椭园轨道有了进动，即椭园轨道本身作绕核轨道的进动。Ze核电子轨道进动式中 是精细结构常数。第45页，本讲稿共56页21选择定则氢原子光谱的 精细结构氢的线光谱谱线分裂示意图（简介）123能级分裂第46页，本讲稿共56页索末菲索末菲(中)第47页，本讲稿共56页玻尔与索末菲玻尔与索末菲第48页，本讲稿共56页 系指角动量 的指向是量子化的，而不能任意取向。即在外磁场 方向上的投影 是量子化的。对应以一个 值，有 个值0第三节 空间量子化 1896年，塞曼发现放在强磁场的光源发出的光谱发生了分裂，称为塞曼效应。谱线的分裂表明能级的分裂。分裂原因解释在不同的指向上（即不同的 值），电子的轨道磁矩与外磁场的相互作用能不同，即不同的 有不同的附加能量，它们加在原来的能级 上，引起能级的分裂，从而，使谱线分裂。第49页，本讲稿共56页塞曼第50页，本讲稿共56页演示空间量子化087原子核第51页，本讲稿共56页第四节 玻尔理论的成功及缺陷成功 1 解释了氢光谱的线状谱线。2 预言了新的谱线系，如赖曼系等。缺陷1 不能解释复杂原子的谱线的规律。2 不能解释光谱线的强度。3 其理论为半经典和半量子的，称为旧量子论 ，它不是一个自洽的理论体系。此后的量子力学才真正的作出了圆解。第52页，本讲稿共56页精萃Highlights1 关于线状光谱：不是无限锐的，而是有一定宽度。原因是：自然宽度多普勒展宽碰撞展宽2 连续光谱电子谱振动谱转动谱分子光谱第53页，本讲稿共56页一 原子的有核模型二 玻尔理论1 玻尔的三条假设 2 会用三条假设推出：轨道角动量量子化；里得堡常数的表述；广义巴尔麦公式。3 广义巴尔麦公式 4 能量量子化的表述第54页，本讲稿共56页5 谱线波长的计算或6 会计算巴尔麦系中，赖曼系中各谱线的波长。7 电离能的计算8 基态与激发态的概念9 可能跃迁及波长第55页，本讲稿共56页下一章返回青玉案元夕东风夜放花千枝，更吹落星如雨。宝马雕车香满路，风萧声动玉壶光转，一夜鱼尤舞。蛾儿雪柳黄金缕，笑语盈盈暗香来。众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑栅处。（宋）辛弃疾第56页，本讲稿共56页