物理学量子精.ppt

物理学量子1第1页，本讲稿共27页二、爱因斯坦光子假说二、爱因斯坦光子假说(1905)(1)、光是一束以光速、光是一束以光速c 运动的粒子流，该粒子称为光子。运动的粒子流，该粒子称为光子。(2)、频率为、频率为的光的一个光子的能量为的光的一个光子的能量为(3)光子的质量光子的质量(4)光子的动量光子的动量光具有波粒二象性光具有波粒二象性!2第2页，本讲稿共27页(1)散射线中有两种波长散射线中有两种波长（0）康普顿散射光康普顿散射光 0：正常光正常光(2)波长的改变量波长的改变量仅随散射角仅随散射角 的增大而增大的增大而增大(3)波长为波长为0的散射光强度的散射光强度随散射角随散射角 的的增大而减小增大而减小 波长为波长为的散射光强度的散射光强度随散射角随散射角 的的增大而增大增大而增大(4)同一散射角，不同的散射物，康普顿散射同一散射角，不同的散射物，康普顿散射光光强占总光强的比例不同。光光强占总光强的比例不同。轻原子比例大轻原子比例大重原子比例小重原子比例小三、康普顿效应三、康普顿效应1 1、实验现象、实验现象3第3页，本讲稿共27页能量守恒：能量守恒：X方向动方向动 量守恒：量守恒：Y方向动方向动 量量守恒：守恒：2 2、康普顿效应公式、康普顿效应公式作作用用前前作作用用后后4第4页，本讲稿共27页解解(1)由康普顿散射公式由康普顿散射公式在在 的方向上，有两种波长的的方向上，有两种波长的 x 射线射线求：散射光波长求：散射光波长已知：已知：x 射线散射，入射光波长射线散射，入射光波长反冲电子反冲电子例题例题 1：散射角散射角5第5页，本讲稿共27页由碰撞过程能量守恒由碰撞过程能量守恒(2)反冲电子的动能反冲电子的动能6第6页，本讲稿共27页 两式联立：两式联立：(3)反冲电子的动量反冲电子的动量由动量守恒由动量守恒x方向：方向：y方向：方向：7第7页，本讲稿共27页16.2 16.2 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论人们对微观世界的认识是逐步发展的：人们对微观世界的认识是逐步发展的：人们由化学实验知，物质是由分子组成的，人们由化学实验知，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，分子是由原子组成的，原子不能再分原子不能再分，归纳，归纳出元素周期表。出元素周期表。（1）十九世纪末：）十九世纪末：（2）1897 年：汤姆生发现电子，说明年：汤姆生发现电子，说明原子不是基本粒子原子不是基本粒子，而是可以再分的，那么而是可以再分的，那么原子内部的结构如何？原子内部的结构如何？研究原子内部研究原子内部结构和规律一结构和规律一般有两种方法：般有两种方法：用高能粒子轰击原子；用高能粒子轰击原子；观测受激状态下的原子辐射光谱。观测受激状态下的原子辐射光谱。一、引言一、引言8第8页，本讲稿共27页1 1、氢原子光谱的实验规律、氢原子光谱的实验规律（1 1）、巴耳末系（可见光区）、巴耳末系（可见光区）n=3 4 5 6 7 第一个发现氢原子光谱的是瑞士数学家巴耳末。第一个发现氢原子光谱的是瑞士数学家巴耳末。可见光区可见光区并归纳如下：并归纳如下：-巴耳末公式巴耳末公式9第9页，本讲稿共27页1890年里德伯用波长的倒数（波数）来表示年里德伯用波长的倒数（波数）来表示巴耳末公式，使公式具有了常见的简捷形式：巴耳末公式，使公式具有了常见的简捷形式：里德伯常数：里德伯常数：波数：波数：（2 2）、里德伯公式）、里德伯公式（3 3）、赖曼系（紫外区）、赖曼系（紫外区）（4 4）、其他三个线系（红外区）、其他三个线系（红外区）帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系普芳德系普芳德系10第10页，本讲稿共27页（5 5）、氢原子光谱的谱线系）、氢原子光谱的谱线系帕邢系（红外）帕邢系（红外）布喇开系（近红外）布喇开系（近红外）普芳德系普芳德系（远红外）（远红外）巴耳末系（可见光）巴耳末系（可见光）赖曼系（紫外区）赖曼系（紫外区）赖赖巴巴帕帕布布普普11第11页，本讲稿共27页（6 6）、）、里兹并合原理里兹并合原理对氢原子对氢原子 原子光谱的实验规律原子光谱的实验规律(1)谱线的波数由两个谱项的差值决定谱线的波数由两个谱项的差值决定;(3)若若k不变不变,n变变,则给出同一谱线系中各谱线的波数则给出同一谱线系中各谱线的波数;(2)若若k变变,则给出不同的谱线系则给出不同的谱线系12第12页，本讲稿共27页2 2、粒子散射实验粒子散射实验（19121912年）年）用镭作用镭作 粒子源，在金属箔上散射。粒子源，在金属箔上散射。绝大多数的绝大多数的粒子的散射角在粒子的散射角在 之间之间，的的粒子散射角大于粒子散射角大于 。实验结果：实验结果：3 3、卢瑟福的有核模型：卢瑟福的有核模型：（1）、原子中心是原子核，几乎占原子）、原子中心是原子核，几乎占原子 全部质量，集中全部正电荷。全部质量，集中全部正电荷。（2）、电子绕原子核旋转。）、电子绕原子核旋转。（3）、原子核的体积比原子的体积小得多。）、原子核的体积比原子的体积小得多。13第13页，本讲稿共27页4 4、有核模型的困惑、有核模型的困惑原子系统不稳定：原子系统不稳定：电子绕核作轨道运动，必有加速度。按经典电磁场理论加速电子绕核作轨道运动，必有加速度。按经典电磁场理论加速运动的电荷将向外辐射电磁波。由于不断向外辐射能量，电运动的电荷将向外辐射电磁波。由于不断向外辐射能量，电子轨道半径将逐渐减小，最后将落在核上。子轨道半径将逐渐减小，最后将落在核上。原子光谱为连续光谱：原子光谱为连续光谱：由于：由于：实验表明原子相当稳定实验表明原子相当稳定实验测得光谱是不连续的实验测得光谱是不连续的14第14页，本讲稿共27页二、二、玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论（1 1）稳定态假设）稳定态假设原子系统只能处在一系列不连续的稳定状态（定态），在这些稳原子系统只能处在一系列不连续的稳定状态（定态），在这些稳定态中，能量只能取不连续的量值定态中，能量只能取不连续的量值E1，E2，E3，这些能，这些能量状态对应一定的轨道。电子虽然绕核作圆周运动，但不辐射能量状态对应一定的轨道。电子虽然绕核作圆周运动，但不辐射能量。量。（2 2）跃迁假设）跃迁假设当原子从能量为当原子从能量为En的稳定态跃迁到能量为的稳定态跃迁到能量为Ek稳定态，发稳定态，发射或吸收一个光子的能量射或吸收一个光子的能量1 1、玻尔理论的基本假设、玻尔理论的基本假设15第15页，本讲稿共27页（3 3）轨道角动量量子化假设）轨道角动量量子化假设只有电子绕核运动的角动量等于的整数倍的那些只有电子绕核运动的角动量等于的整数倍的那些轨道才是稳定的。轨道才是稳定的。16第16页，本讲稿共27页2 2、玻尔理论对氢原子轨道半径和能量的计算玻尔理论对氢原子轨道半径和能量的计算(1).(1).轨道半径：轨道半径：-轨道半径公式轨道半径公式称为玻尔半径称为玻尔半径轨道半径是量子化的！轨道半径是量子化的！17第17页，本讲稿共27页(2).(2).能量公式：能量公式：（氢原子的能量（氢原子的能量=电子动能电子动能+系统势能）系统势能）当：当：时，时，这一状态称为基态。这一状态称为基态。基态能量基态能量时，称为第一、第二、时，称为第一、第二、激发态激发态 激发态能量激发态能量18第18页，本讲稿共27页电离能：电离能：显然，基态氢原子的电离能：显然，基态氢原子的电离能：第一激发态氢原子的电离能：第一激发态氢原子的电离能：即：即：能量是量子化的！能量是量子化的！把核外电子移到无限远所需要的能量。把核外电子移到无限远所需要的能量。19第19页，本讲稿共27页3 3、里德伯公式推导里德伯公式推导（理论值）（理论值）（实验值）（实验值）比较比较20第20页，本讲稿共27页4 4、玻尔理论的成功与局限、玻尔理论的成功与局限(1).玻尔理论不仅对氢原子光谱能够解释，而对类氢离子玻尔理论不仅对氢原子光谱能够解释，而对类氢离子 也能很好的说明。也能很好的说明。例如：例如：按上述推导，按上述推导，只须把核电荷数只须把核电荷数 e 改为改为 Ze 即可。即可。(2).玻尔理论的局限性：玻尔理论的局限性：只能计算谱线的频率，不能计算只能计算谱线的频率，不能计算 光谱的强度、宽度、偏振等问题。光谱的强度、宽度、偏振等问题。不能说明稍复杂一点的原子光谱。不能说明稍复杂一点的原子光谱。由半经典、由半经典、半量子化的半量子化的理论所致。理论所致。原因：原因：21第21页，本讲稿共27页解：解：例题例题2：处于第一激发态的氢原子，如用可见光照射处于第一激发态的氢原子，如用可见光照射能否使它电离？能否使它电离？解：解：可见光：可见光：不能电离！不能电离！例题例题1：按玻尔理论移去处于基态的按玻尔理论移去处于基态的 中的电子所需中的电子所需的能量是多少？的能量是多少？22第22页，本讲稿共27页例题例题3：氢原子由定态氢原子由定态迁移到定态迁移到定态发射一光子。发射一光子。已知电子在已知电子在态的电离能为态的电离能为0.85eV，又知从，又知从基态把氢原子激发到基态把氢原子激发到态所需态所需10.2eV。求：从求：从跃迁到跃迁到态发射的光子能量？态发射的光子能量？10.2eV0.85eV13.6eV解：解：23第23页，本讲稿共27页解解：第三激发态第三激发态 n=4六条谱线六条谱线赖曼系赖曼系3条条紫外线紫外线巴耳末系巴耳末系2条条可见光可见光帕邢系帕邢系1条条红外线红外线n=4n=3n=2 n=1 处于第三激发态的氢原子，可能发出的处于第三激发态的氢原子，可能发出的光谱线有多少条？其中可见光谱线几条？光谱线有多少条？其中可见光谱线几条？例题例题4:24第24页，本讲稿共27页小小 结：结：1、光子与电子相互作用、光子与电子相互作用-康普顿散射康普顿散射电子吸收光子的一部分能量电子吸收光子的一部分能量入射光波长入射光波长 散射光波长散射光波长 康普顿波长康普顿波长散射角散射角、动量守恒、能量守恒、动量守恒、能量守恒康普顿散射特点：康普顿散射特点：、只与只与 有关，与其它因素无关有关，与其它因素无关25第25页，本讲稿共27页2、玻尔的氢原子理论、玻尔的氢原子理论假设假设1-定态条件：定态条件：原子系统存在一系列不连续能量状态，电子原子系统存在一系列不连续能量状态，电子绕核圆周运动，不幅射电磁波绕核圆周运动，不幅射电磁波假设假设2-频率条件：频率条件：能态跃迁，发射或吸收光子能态跃迁，发射或吸收光子假设假设3-量子化条件：量子化条件：主量子数主量子数基态能量基态能量结论：结论：玻尔半径玻尔半径26第26页，本讲稿共27页（1 1）比较成功地解释了氢原子光谱的规律性；）比较成功地解释了氢原子光谱的规律性；（2 2）可以处理其它单电子系统；）可以处理其它单电子系统；（3 3）回答了原子的稳定性问题；）回答了原子的稳定性问题；（4 4）不能解释多电子原子光谱；）不能解释多电子原子光谱；（5 5）不能解释原子光谱的精细结构。）不能解释原子光谱的精细结构。氢原子光谱氢原子光谱 波数波数里德伯常数里德伯常数3、玻尔理论的成就与缺陷、玻尔理论的成就与缺陷27第27页，本讲稿共27页