量子物理优秀PPT.ppt

卢瑟福模型把原子看成由带正电的原子核和围绕核运动的一些电子组成，这个模型成功地说明白粒子散射试验中粒子的大角度散射现象，可是当我们准备进入原子内部作进一步的考察时，却发觉已经建立的物理规律无法说明原子的稳定性，同一性和再生性。玻尔（N.Bohr）基于卢瑟福原子模型，原子光谱的试验规律以及普朗克的量子化概念，于1913年提出了新的原子模型并成功地建立了氢原子理论，说明白氢光谱的产生，玻尔理论还可以精确地推出巴尔末公式，并能算出里德伯常数的理论值。不过当玻尔理论应用于困难一些的原子时，就与试验事实产生了较大的出入。这说明玻尔理论还很粗略，直到1925年量子力学建立以后，人们才建立了较为完善的原子结构理论。2.1黑体辐射与光电效应黑体辐射与光电效应(Blackbodyradiationandphotoelectriceffect)黑体的概念黑体的概念(Blackbody)在十九世纪末期，黑体辐射是物理学家们极感爱在十九世纪末期，黑体辐射是物理学家们极感爱好的一个话题。好的一个话题。任何物体在任何温度都会向外放射各种波长的电任何物体在任何温度都会向外放射各种波长的电磁波，但电磁波的能量按波长的分布却随温度磁波，但电磁波的能量按波长的分布却随温度而变更，此即而变更，此即“热辐射热辐射”。物体在产生热辐射的同时，也会吸取和反射外来物体在产生热辐射的同时，也会吸取和反射外来的电磁波。的电磁波。假如一个物体能完全吸取外来的电磁辐射而无反假如一个物体能完全吸取外来的电磁辐射而无反射和透射，则被称为确定黑体，简称黑体。射和透射，则被称为确定黑体，简称黑体。黑体的模型见图6.1量子假说的试验依据之一量子假说的试验依据之一黑体辐射黑体辐射（Blackbodyradiation）黑体辐射的辐射本事黑体辐射的辐射本事单色辐射本事单色辐射本事R（，T）：）：即即单单位位时时间间从从黑黑体体的的单单位位面面积积上上所所辐辐射射出出去去的的波长在波长在旁边的单位波长范围内的能量。旁边的单位波长范围内的能量。总辐射本事总辐射本事R（T）即即单单位位时时间间从从黑黑体体单单位位面面积积上上所所辐辐射射出出去去的的电电磁波的总能量。磁波的总能量。R（T）=由于由于因而因而(6-3)黑体辐射的试验规律黑体辐射的试验规律(Theexperimentalresultsofblackbodyradiation)Kirchhoff证证明明，热热平平衡衡时时，辐辐射射能能量量密密度度E（，T）随）随变更的曲线与空穴的形态及组成物质无关。变更的曲线与空穴的形态及组成物质无关。Wien位移定律（图位移定律（图6.2）(6-1)理论公式理论公式这是黑体辐射本事与这是黑体辐射本事与能量密度的关系能量密度的关系Wien公式公式(6-5)在低能部分与试验有明显偏差。在低能部分与试验有明显偏差。Rayleigh-Jeans公式公式(6-6)在低能段与试验吻合，在低能段与试验吻合，但随但随增大。增大。而与试验偏差加大，当而与试验偏差加大，当时引起发散（紫外灾难）。时引起发散（紫外灾难）。上面的公式都是从经典物理中得到的！上面的公式都是从经典物理中得到的！o(m)1 2 3 5 6 8 947MB试验值试验值o(m)1 2 3 5 6 8 947MB维恩维恩试验值试验值o(m)1 2 3 5 6 8 947MB瑞利瑞利-金斯金斯试验值试验值紫紫外外灾灾难难o(m)1 2 3 5 6 8 947MB维恩维恩瑞利瑞利-金斯金斯试验值试验值紫紫外外灾灾难难Planck公式：公式：（6-7）明显，当hkT时，Planck公式与Wien公式相一样，而当h0时，时，才有光电流产生。对大多数金属而言，才有光电流产生。对大多数金属而言，0处于紫处于紫外线区，而外线区，而V0的量级在的量级在n个伏特，这意味着光电子个伏特，这意味着光电子的动能在的动能在eV的量级。的量级。光电效应的经典说明光电效应的经典说明（Classicalinterpretationofphotoelectriceffect）依依据据经经典典物物理理，光光是是电电磁磁波波，当当光光照照在在电电子子上上时时，电电子子便便获获得得能能量量。当当电电子子能能量量累累积积到到确确定定程程度，就能脱离原子的束缚而逸出。度，就能脱离原子的束缚而逸出。估算结果表明，以光强为估算结果表明，以光强为1W/m2的的光照射到钠金属的表面，要使其中的电子光照射到钠金属的表面，要使其中的电子获得获得1eV的能量，约需的能量，约需107s，这与光电效应，这与光电效应中光电流对光照的快速响应（中光电流对光照的快速响应（10-9s）完全）完全不相符合。不相符合。依据经典理论，确定电子能量的是光依据经典理论，确定电子能量的是光强，而不是光的频率。强，而不是光的频率。试验事实却是，光电子能量与光强无关，试验事实却是，光电子能量与光强无关，却取决于光的频率。却取决于光的频率。光电效应的量子说明光电效应的量子说明(Quantuminterpretationofphotoelectriceffect)1905年年，Einstein发发展展了了Planck的的量量子假设，提出了子假设，提出了光量子光量子的概念。的概念。爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说电子的动能，即：电子的动能，即：=hn他认为金属中的自由电子吸收一个他认为金属中的自由电子吸收一个光子能量光子能量 hn以后，一部分用于电子从金属以后，一部分用于电子从金属表面逸出所需表面逸出所需的逸出功的逸出功A，一，一部分转化为光部分转化为光 一束光是一粒一粒以光速一束光是一粒一粒以光速 c c 运动的粒运动的粒子（称为光子）流，每一光子的能量为：子（称为光子）流，每一光子的能量为：爱因斯坦爱因斯坦光电效应方程光电效应方程21hAmvn n=+2 3.光电子初动能仅与入射光频率和逸出功光电子初动能仅与入射光频率和逸出功有关，且与频率成线性关系。有关，且与频率成线性关系。4.从光电效应方程中，当时动能为零时，从光电效应方程中，当时动能为零时，可得到红限频率：可得到红限频率：爱因斯坦对光电效应的说明：爱因斯坦对光电效应的说明：1.光强大，光子数多，释放的光电子也光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。多，所以光电流也大。2.电子只要吸取一个光子就可以从金属电子只要吸取一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积。表面逸出，所以无须时间的累积。Anh0=Einstein的光电子假设，遭到了包括的光电子假设，遭到了包括Planck在内的不少物理学家的反对，直到在内的不少物理学家的反对，直到1916年年Millikan利用利用V0与与之间的关系，从试验测得之间的关系，从试验测得Planck常数，其结果与常数，其结果与Planck黑体辐射公式黑体辐射公式中的相等（误差小于中的相等（误差小于5%），这才使光子假设），这才使光子假设得到人们的普遍接受。得到人们的普遍接受。Einstein因此而获得了因此而获得了1921年的年的Nobel物理学奖物理学奖Millikan则获得了则获得了1927年的年的Nobel物理学奖。物理学奖。图6.6oUao遏止电压与入射光遏止电压与入射光频率的试验曲线频率的试验曲线由式（由式（1），（），（2）得：）得：122mvkeU=-nen(2)UaUok=.12mUa=(1).ev2结论：结论：0e k=h光谱光谱(Linespectraofatom)光光谱谱是是光光的的频频率率成成分分和和强强度度分分布布的的关关系系图，它是探讨原子结构的重要途径之一。图，它是探讨原子结构的重要途径之一。光光谱谱的的分分类类：不不同同的的光光源源有有不不同同的的光光谱谱，发发光光机机制制也也不不尽尽相相同同。依依据据波波长长的的变变更更状况，大致可分为三类：状况，大致可分为三类：1.线线光光谱谱：波波长长不不连连续续变变更更，此此种种为为原原子子光谱；光谱；2.带带光光谱谱：波波长长在在各各区区域域内内连连续续变变更更，此此为分子光谱；为分子光谱；3.连续谱：固体的高温辐射。连续谱：固体的高温辐射。连续光谱线状光谱太阳光谱钠的吸收光谱NaHHgCu光光谱谱是是用用光光谱谱仪仪测测量量的的，光光谱谱仪仪大大致致由由三三部部分分组组成成：光光源，分光器（棱镜，或光栅），记录仪。（参看图源，分光器（棱镜，或光栅），记录仪。（参看图6.7）棱镜光谱仪示意图狭缝棱镜屏红蓝1212测量光谱的示意图测量光谱的示意图HHHHa a氢原子可见光谱氢原子可见光谱6562.6562.8A4861.3A4340.5A 4101.7A1、巴尔末线系、巴尔末线系（可见光区）（可见光区）（精密测量值）（精密测量值）（线系限波数）（线系限波数）氢原子光谱的特点：氢原子光谱的特点：1、光谱是线状的，对应特定的位置。、光谱是线状的，对应特定的位置。2、谱线间构成确定的关系，例如谱线构成、谱线间构成确定的关系，例如谱线构成一个谱限系，他们的波长可以用一个公式表一个谱限系，他们的波长可以用一个公式表达出来，不同系的谱线也有关系，例如有共达出来，不同系的谱线也有关系，例如有共同的光谱项。同的光谱项。T（n）=RH/n23、每一谱线的波数都可以表达成二光谱项、每一谱线的波数都可以表达成二光谱项之差。之差。图6.8氢原子的光谱为图氢原子的光谱为图6.8所示所示2、其它线系、其它线系1914年赖曼发觉赖曼系：1908年帕邢发觉帕邢系：1922年布喇开发觉布喇开系:1924年普芳德发觉普芳德系:紫紫外外区区红红外外区区3、里德伯公式、里德伯公式m=1，2，3，4，5n=m+1,m+2,m+34、光谱项、光谱项5 5、并合原则、并合原则 1913 1913年，卢瑟福用年，卢瑟福用 粒子散射试验证明白核的存粒子散射试验证明白核的存在，但是电子在核外的运动情形如何，却没有一个合在，但是电子在核外的运动情形如何，却没有一个合理的模型，假如设想电子绕核运动，便无法说明原子理的模型，假如设想电子绕核运动，便无法说明原子的线光谱和原子坍缩问题，经典理论在探讨原子结构的线光谱和原子坍缩问题，经典理论在探讨原子结构时遇到了难以逾越的障碍。时遇到了难以逾越的障碍。（1）不能说明电子轨道运动的稳定性。电子作轨道运动具有加速度，要向外放射电磁波，电子能量渐渐削减，最终电子将落入原子核中。（2）不能说明为什么原子光谱是线状的。电子作轨道运动，由于放射电磁波，能量渐渐削减，轨道半径渐渐变小，放射的电磁波的波长应渐渐变更，原子光谱应为连续谱。经典原子模型的困难经典原子模型的困难 1913 1913年，年仅年，年仅2828岁的玻尔刚从丹麦的哥本哈根高校获岁的玻尔刚从丹麦的哥本哈根高校获博士学位，就来到卢瑟福试验室，他认定原子结构不能由博士学位，就来到卢瑟福试验室，他认定原子结构不能由经典理论去找答案，正如他自己后来说的：经典理论去找答案，正如他自己后来说的：我一看到巴我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就全部清晰了。尔末公式，整个问题对我来说就全部清晰了。玻尔玻尔（N.BohrN.Bohr）首先提出量子假设，拿出新的模型，并由此建）首先提出量子假设，拿出新的模型，并由此建立了氢原子理论，从他的理论动身，能精确地导出巴尔末立了氢原子理论，从他的理论动身，能精确地导出巴尔末公式，从纯理论的角度求出里德伯常数公式，从纯理论的角度求出里德伯常数 ，并与试验值吻，并与试验值吻合的很好。此外，玻尔理论对类氢离子的光谱也能给出很合的很好。此外，玻尔理论对类氢离子的光谱也能给出很好的说明。因此，玻尔理论一举成功，很快为人们接受。好的说明。因此，玻尔理论一举成功，很快为人们接受。一、光谱巴尔末线系其它线系里德伯公式光谱项并合原则光谱光谱仪光谱种类二、氢原子光谱小结1.5