高二物理竞赛量子物理基础课件.pptx

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1、1 1要求：要求：掌握掌握思路，思路，记住重要结论记住重要结论一、历史回顾一、历史回顾:原子模型三步曲原子模型三步曲-18971897年汤姆孙发现电子，年汤姆孙发现电子，19031903年提出原子结构的经典模型年提出原子结构的经典模型:“面包加葡萄干面包加葡萄干”模型（或西瓜模型）模型（或西瓜模型）量子物理基础量子物理基础2 2 电子在核外不是按一定的轨道运动的，量子力学不能断电子在核外不是按一定的轨道运动的，量子力学不能断言电子一定出现在核外某确切位置，而只给出电子在核外言电子一定出现在核外某确切位置，而只给出电子在核外各处出现的概率，其形象描述各处出现的概率，其形象描述“电子云电子云”每瞬

2、间氢原子核外电子照片的叠加每瞬间氢原子核外电子照片的叠加电子出现概率小处：雾点密度小电子出现概率小处：雾点密度小电子出现概率大处：雾点密度大电子出现概率大处：雾点密度大3 34.4.量子数的物理意义量子数的物理意义解薛定谔方程得出氢原子系统的一系列量子化，与三解薛定谔方程得出氢原子系统的一系列量子化，与三个量子数个量子数 一一 一对应一对应1）n 主量子数，表征能量量子化主量子数，表征能量量子化E 0 0 能量可连续取值能量可连续取值 氢原子电离，电子为自由电子氢原子电离，电子为自由电子E 0玻尔理论关于能级的结论是正确的玻尔理论关于能级的结论是正确的如果考虑相对论效应如果考虑相对论效应4 4

3、2）l 角量子数，表征角量子数，表征“轨道轨道”角动量量子化角动量量子化角量子数角量子数 l 对氢原子系统能量有影响对氢原子系统能量有影响即即电子云绕核分布，角向概率密度旋转对称电子云绕核分布，角向概率密度旋转对称 ,类比为玻尔理论中电子类比为玻尔理论中电子“轨道轨道”运动，运动，其其“轨道轨道”角动量量子化：角动量量子化：z z5 5 3)ml 磁量子数，表征空间量子化磁量子数，表征空间量子化电子轨道角动量电子轨道角动量 在空间取向只能在空间取向只能沿一些不连续的特殊方向，使沿一些不连续的特殊方向，使 在在z方向分量方向分量 取值量子化取值量子化Znp态态例：例：Z6 60123-101-1

4、ml.0l=0l=1l=2l=3ml-2-3012-2-1ml绕绕 z 轴旋转对轴旋转对称分布称分布7 7“轨道轨道”磁矩量子化磁矩量子化量子量子玻尔磁子：玻尔磁子：“轨道轨道”磁量子数磁量子数经典经典8 8B zeLLz9 9主量子数主量子数：表征能量量子化表征能量量子化小结：氢原子系统的量子化小结：氢原子系统的量子化角量子数角量子数：表征表征“轨道轨道”角动量量子化角动量量子化可取可取 n 个值个值对氢原子系统能量有影响对氢原子系统能量有影响可取可取 2l+1 个值个值磁量子数磁量子数：表征表征“轨道轨道”角动量空间取向量子角动量空间取向量子化化“轨道轨道”磁矩量子化磁矩量子化10三、三、

5、电子的自旋电子的自旋实验装置：实验装置：原子射线在非均匀磁场中偏转原子射线在非均匀磁场中偏转1.1.史特恩史特恩-盖拉赫实验盖拉赫实验目的：研究角动量空间量子化目的：研究角动量空间量子化（德国（德国.1888.188819691969）11无空间量子化：无空间量子化：屏上得连成一片原子沉积屏上得连成一片原子沉积存在空间量子化：存在空间量子化：屏上得屏上得2l+1条分离原子沉积条分离原子沉积原子射线在非均匀磁场中偏转原子射线在非均匀磁场中偏转理论解释：理论解释：与实验结果与实验结果不符不符实验结果：实验结果：无磁场无磁场有磁场有磁场屏上两屏上两条原子条原子沉积沉积进一步分析：进一步分析：准直屏准

6、直屏准直屏准直屏原子炉原子炉原子炉原子炉磁磁 铁铁N NS SAg原子原子:5s 态态 分裂不是由于轨道磁矩与外场相互作用引起分裂不是由于轨道磁矩与外场相互作用引起无法用三个量子数解释实验结果。无法用三个量子数解释实验结果。122.2.电子自旋电子自旋对应的经典模型及解释：对应的经典模型及解释：相当于电子具有绕自身轴自旋的内禀角动量，分裂相当于电子具有绕自身轴自旋的内禀角动量，分裂是自旋磁矩与磁场相互作用的结果。是自旋磁矩与磁场相互作用的结果。概念的提出概念的提出19241924年年 泡利为解释泡利为解释“反常塞曼效应反常塞曼效应”提出电子具有第四个自由度，提出电子具有第四个自由度，但认为无对

7、应的经典模型。美国克罗尼格提出但认为无对应的经典模型。美国克罗尼格提出“自旋自旋”被否定。被否定。荷兰物理学家埃伦斯非特的学生乌伦贝克、高斯米特独立提出电子荷兰物理学家埃伦斯非特的学生乌伦贝克、高斯米特独立提出电子自旋模型，得到埃伦斯非特、洛仑兹、海森伯、爱因斯坦、玻尔、自旋模型，得到埃伦斯非特、洛仑兹、海森伯、爱因斯坦、玻尔、托马斯等的关心和帮助托马斯等的关心和帮助19261926年年 电子自旋模型得到承认。泡利将其纳入量子力学体系。电子自旋模型得到承认。泡利将其纳入量子力学体系。狄拉克建立相对论量子力学，自然得出电子具有内禀角动量的结论。狄拉克建立相对论量子力学，自然得出电子具有内禀角动量

8、的结论。具有精细结构的光谱线在磁场中具有精细结构的光谱线在磁场中一条分裂为三条以上一条分裂为三条以上13由史特恩由史特恩-盖拉赫实验盖拉赫实验2s+1=2与与“轨道轨道”角动量类比角动量类比取取2S+1个值个值令令S自旋角动量自旋角动量14四四.原子壳层结构原子壳层结构1.1.决定原子中电子状态的四个量子数决定原子中电子状态的四个量子数n决定电子能量的主要部分决定电子能量的主要部分0,1,.n-1可取可取n个值个值决定电子决定电子“轨道轨道”角动量角动量对电子能量有影响对电子能量有影响决定决定“轨道轨道”角动量在外场中角动量在外场中的取向的取向决定电子决定电子“自旋自旋”角动量角动量在外场中的

9、取向在外场中的取向“轨道轨道”运动运动“自旋自旋”运动运动名称名称符号符号取取 值值物物 理理 意意 义义对应的对应的经典模型经典模型主量子数主量子数角量子数角量子数磁量子数磁量子数自旋自旋 磁量子数磁量子数 152.2.电子分布遵循的两个基本原理电子分布遵循的两个基本原理同一壳层同一壳层 n 相同，最多相同，最多,最多最多同一支壳层同一支壳层2)2)能量最小原理能量最小原理正常情况下，原子中电子趋向于占有最低能级，正常情况下，原子中电子趋向于占有最低能级，原子系统能量最小时最稳定原子系统能量最小时最稳定1)1)泡利不相容原理泡利不相容原理一个原子中不可能有两个或两个以上一个原子中不可能有两个

10、或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数的电子具有完全相同的四个量子数泡利（奥地利）泡利（奥地利）（1900-1958）1616原子内电子能级的名称原子内电子能级的名称0 1 2 3 4 5 6s p d f g h in1(K)2(L)3(M)4(N)5(O)6(P)7(Q)1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f5s 5p 5d 5f 5g6s 6p 6d 6f 6g 6h7s 7p 7d 7f 7g 7h 7i大小次序：大小次序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d 17练习：练习：1.1.n=

11、3时可能出现的轨道角动量为时可能出现的轨道角动量为该壳层最多容纳该壳层最多容纳个电子个电子2.d2.d分壳层电子轨道角动量的可能值为分壳层电子轨道角动量的可能值为角动量在外场方向投影的可能值为角动量在外场方向投影的可能值为该分壳层最多容纳该分壳层最多容纳个电子个电子10183.3.下列各组量子数中，哪一组可以描述原子中电子下列各组量子数中，哪一组可以描述原子中电子的状态？的状态？答案：答案：B B18第十七章第十七章 量子物理基础量子物理基础小结小结 破除思维定势，建立微观模型，习惯抽象思维方式；破除思维定势，建立微观模型，习惯抽象思维方式；如果对一些结论不能理解，先暂时接受。如果对一些结论不

12、能理解，先暂时接受。可通过阅读课外书籍，深入学习、逐渐理解微观可通过阅读课外书籍，深入学习、逐渐理解微观 世界的概念和规律。世界的概念和规律。一一.学习方法建议：学习方法建议：二二.各章要点各章要点1 1 经典物理的困难和旧量子论经典物理的困难和旧量子论1.1.了解黑体辐射实验规律及普朗克能量子假设了解黑体辐射实验规律及普朗克能量子假设2.2.理解爱因斯坦光子论的基本思想，光与物质相互作用理解爱因斯坦光子论的基本思想，光与物质相互作用的三种方式，掌握关于光电效应，康普顿效应的计算。的三种方式，掌握关于光电效应，康普顿效应的计算。19光子：光子：3.3.掌握氢原子光谱规律及有关计算掌握氢原子光谱

13、规律及有关计算里德伯公式：里德伯公式：玻尔能级及跃迁公式：玻尔能级及跃迁公式：能量守恒，动量守恒能量守恒，动量守恒光电光电效应效应康普顿康普顿效应效应2022 量子力学基本原理量子力学基本原理一、量子力学的几个基本原理一、量子力学的几个基本原理1.1.量子体系的状态由概率幅完全描述量子体系的状态由概率幅完全描述;2.2.概率幅（波函数）服从薛定谔方程概率幅（波函数）服从薛定谔方程;4.4.关于关于“力学量测量力学量测量”的原理。的原理。量子体系处于某力学量的本征态时，测量该力学量量子体系处于某力学量的本征态时，测量该力学量具有确定值；具有确定值；量子体系处于某力学量本征态的叠加态时，测量该量子

14、体系处于某力学量本征态的叠加态时，测量该力学量所得的值有一个确定的概率分布。力学量所得的值有一个确定的概率分布。3 3力学量用算符表示，力学量所能取的值是其相应算符力学量用算符表示，力学量所能取的值是其相应算符的本征值的本征值;21二、内容提要二、内容提要 1.1.物质波假说，德布罗意公式及其实验验证物质波假说，德布罗意公式及其实验验证 2.2.不确定关系的物理意义及有关计算不确定关系的物理意义及有关计算 3.3.波函数的统计解释波函数的统计解释 ，归一化条件和标准条件归一化条件和标准条件概率密度：概率密度：概率幅：概率幅：224.4.薛定谔方程薛定谔方程,一维无限深势阱的波函数及相关计算一维无限深势阱的波函数及相关计算 一维定态薛定谔方程一维定态薛定谔方程:一维无限深势阱一维无限深势阱:隧道效应隧道效应 描述电子状态的四个量子数及其物理意义描述电子状态的四个量子数及其物理意义 5.5.原子结构的量子理论原子结构的量子理论 泡利不相容原理和能量最小原理泡利不相容原理和能量最小原理 每壳层、支壳层最多容纳的电子数每壳层、支壳层最多容纳的电子数重要实验重要实验夫兰克夫兰克赫兹实验：赫兹实验：证明原子能级的存在证明原子能级的存在戴维孙戴维孙革末实验：革末实验：证明电子的波动性证明电子的波动性斯特恩斯特恩盖拉赫实验：盖拉赫实验：证明电子自旋证明电子自旋