量子物理学课件.ppt

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1、量子物理学第1页，此课件共47页哦2.卢瑟福模型：卢瑟福模型：卢瑟福实验：用带正电的卢瑟福实验：用带正电的粒子轰击金箔，发现有八千分之一的粒粒子轰击金箔，发现有八千分之一的粒子被大角度散射，甚至反射回来。就像子被大角度散射，甚至反射回来。就像“对一张纸射击一发对一张纸射击一发15英寸英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上。的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上。”1911年，年，卢瑟福模型：卢瑟福模型：第2页，此课件共47页哦卢瑟福模型无法解释原子光谱。卢瑟福模型无法解释原子光谱。原子的稳定性；原子的稳定性；线光谱还是连续光谱；线光谱还是连续光谱；实验发现，原子光谱是不连续的分立线光谱。且每个

2、元素都有自己特实验发现，原子光谱是不连续的分立线光谱。且每个元素都有自己特定的原子光谱。定的原子光谱。第3页，此课件共47页哦钡、钙、氢、钠的发射光谱和太阳的吸收光谱钡、钙、氢、钠的发射光谱和太阳的吸收光谱第4页，此课件共47页哦12-7-1 氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 光谱线系光谱线系系限系限第5页，此课件共47页哦 1885年，年，J.J.巴尔末对氢原子光谱中的可见光谱线规律进行了归纳巴尔末对氢原子光谱中的可见光谱线规律进行了归纳（参见图（参见图12-19），得到了著名的巴尔末公式：），得到了著名的巴尔末公式：第6页，此课件共47页哦后来，后来，J.R.里德堡推广巴尔末公式：

3、里德堡推广巴尔末公式：不同的不同的k值对应不同的谱线系：值对应不同的谱线系：k=1-赖曼系；赖曼系；k=2-巴尔末系（可见光）；巴尔末系（可见光）；k=3-帕邢系；帕邢系；k=4-布喇开系；布喇开系；.第7页，此课件共47页哦1913年玻尔提出玻尔模型：年玻尔提出玻尔模型：玻尔把普朗克常数引入原子结构，从原子特有的稳定性出发玻尔把普朗克常数引入原子结构，从原子特有的稳定性出发去寻求一个合适的原子结构。去寻求一个合适的原子结构。第8页，此课件共47页哦12-7-2 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论1.玻尔的三个基本假设：玻尔的三个基本假设：.定态假设，定态假设，E=E(n)；.跃迁假设跃迁假设，

4、h=En-Ek;电子绕原子核的运动也可以用德布罗意波的驻波来解释：电子绕原子核的运动也可以用德布罗意波的驻波来解释：.量子化条件：角动量量子化量子化条件：角动量量子化第9页，此课件共47页哦不存在半径为不存在半径为 2a0,3.1a0.的轨道。的轨道。a0=0.529，玻尔半径玻尔半径n=1,2,3,2.玻尔的氢原子理论：玻尔的氢原子理论：.电子轨道半径的量子化：电子轨道半径的量子化：第10页，此课件共47页哦.原子能量的量子化：原子能量的量子化：第11页，此课件共47页哦使电子离开原子核所需的能量叫电离能使电子离开原子核所需的能量叫电离能第12页，此课件共47页哦巴尔末系巴尔末系:k=2赖曼

5、系赖曼系:k=1巴尔末系的系限为巴尔末系的系限为 k=2 和和nf=之之间的跃迁。间的跃迁。.氢原子光谱的解释：氢原子光谱的解释：玻尔假设：玻尔假设：带入能量表达式：带入能量表达式：第13页，此课件共47页哦赖曼系（紫外）巴尔末系（可见光）帕邢系（红外）巴尔末公式巴尔末公式玻尔模型玻尔模型第14页，此课件共47页哦R 的计算值与实验值完全符合。的计算值与实验值完全符合。玻尔的氢原子理论成功地解释了氢原子光谱。玻尔的氢原子理论成功地解释了氢原子光谱。第15页，此课件共47页哦玻尔理论的缺陷玻尔理论的缺陷:1、玻尔理论只能解释单电子原子的光谱，无法解释双电子和多电子原、玻尔理论只能解释单电子原子的

6、光谱，无法解释双电子和多电子原子的光谱。子的光谱。2、玻尔理论只解释了氢原子光谱的波长，不能解释氢原子光谱的、玻尔理论只解释了氢原子光谱的波长，不能解释氢原子光谱的强度。强度。3、量子力学指出，基态氢原子的角动量为零。玻尔理论中角动量不可、量子力学指出，基态氢原子的角动量为零。玻尔理论中角动量不可能为零，由此原子的行星模型遇到挑战。能为零，由此原子的行星模型遇到挑战。玻尔理论是经典力学与量子力学之间的桥梁。它促进了量子力学的建立和玻尔理论是经典力学与量子力学之间的桥梁。它促进了量子力学的建立和发展。发展。第16页，此课件共47页哦夫兰克夫兰克赫兹实验赫兹实验1914年，年，J.夫兰克和夫兰克和

7、G.赫兹从实验上证实了原子能级的存在！赫兹从实验上证实了原子能级的存在！第17页，此课件共47页哦作业：作业：12-1512-1612-1712-18第18页，此课件共47页哦12-7-3 量子力学对氢原子的描述量子力学对氢原子的描述1.氢原子的定态薛定锷方程氢原子的定态薛定锷方程第19页，此课件共47页哦 氢原子中电子的势能氢原子中电子的势能 描描写写氢氢原原子子中中电电子子的的波波函函数数写写成成 r,的函数的函数,即即=(r,).在球坐标系中，薛定锷方程写成在球坐标系中，薛定锷方程写成第20页，此课件共47页哦第21页，此课件共47页哦第22页，此课件共47页哦解方程解方程(1),可得：

8、可得：要要满满足足单值单值的条件，必的条件，必须须解方程解方程(2),可得：可得：要满足有限的条件，必须要满足有限的条件，必须解方程解方程(3),可得：可得：R 要满足有限的条件，必须要满足有限的条件，必须第23页，此课件共47页哦所以氢原子的波函数是薛定锷方程的解所以氢原子的波函数是薛定锷方程的解量子数：量子数：n，l，ml可知：可知：R 与与n,l有关，写成有关，写成Rn,l，与与l,ml有关，写成有关，写成l,ml，与与ml有关，有关，写成写成ml。第24页，此课件共47页哦2、三个量子数、三个量子数主量子数主量子数 n 氢氢原原子子的的薛薛定定锷锷方方程程的的解解的的最最重重要要的的结

9、结果果就就是是电电子子的的能能量量是是量量子子化化的的。电子的能量依赖与主量子数电子的能量依赖与主量子数n。角量子数角量子数 ln决定电子的能量。决定电子的能量。l 决定电子的角动量。决定电子的角动量。第25页，此课件共47页哦磁量子数磁量子数 ml 角动量在外场方向的分量是量子化的。角动量在外场方向的分量是量子化的。给定给定l的取值，每一种取值的角动量的取值，每一种取值的角动量在磁场方向的分量有在磁场方向的分量有ml2l+1个。表明个。表明角动量在外磁场中的取向是量子化的。角动量在外磁场中的取向是量子化的。或者说角动量与外场的夹角是量子或者说角动量与外场的夹角是量子化的。化的。ml 决定角动

10、量沿外磁场的分量。决定角动量沿外磁场的分量。第26页，此课件共47页哦由此可见，氢原子的每一个定态由三个量子数由此可见，氢原子的每一个定态由三个量子数 n,l,ml 确定，相应的波函数可表示为：确定，相应的波函数可表示为：若若l10，ml可有可有21种可能的取值。种可能的取值。若若l很大，很大，Lz的可能的取值接近连续。的可能的取值接近连续。第27页，此课件共47页哦3、氢原子的波函数、氢原子的波函数主量子数主量子数n决定电子的能量。决定电子的能量。角量子数角量子数 l 决定原子的角动量的大小。决定原子的角动量的大小。例：例：n=1,l=0;n=2,l=0,1。l 0 1 2 3 4 5cod

11、e s p d f g h第28页，此课件共47页哦磁量子数磁量子数 ml 决定角动量在外磁场中的取向（即角动量沿外磁场的分量）决定角动量在外磁场中的取向（即角动量沿外磁场的分量）。第29页，此课件共47页哦氢原子的几个波函数氢原子的几个波函数第30页，此课件共47页哦5、氢原子的电子云和概率分布、氢原子的电子云和概率分布图图12-26第31页，此课件共47页哦例：氢原子，主量子数例：氢原子，主量子数n4，求（，求（1）角量子数的可能取值；）角量子数的可能取值；（2）轨）轨道角动量的最大值；道角动量的最大值；（3）磁量子数的可能取值；（）磁量子数的可能取值；（4）角动量在磁）角动量在磁场方向的

12、分量的最大值。场方向的分量的最大值。如果电子的主量子数是如果电子的主量子数是n，能量是能量是En，则该电子的角动量，则该电子的角动量L有有n种种可能的取值，每一种取值的角动量在磁场中的取向有可能的取值，每一种取值的角动量在磁场中的取向有ml2l+1种。种。第32页，此课件共47页哦4、塞曼效应：空间量子化的实验证明、塞曼效应：空间量子化的实验证明原子在磁场中发光时，光谱线分裂。原子在磁场中发光时，光谱线分裂。量子数量子数 l 决定角动量。角动量在决定角动量。角动量在磁场方向的投影是量子化的，磁场方向的投影是量子化的，ml可取可取2l+1个值，所以原子和磁场个值，所以原子和磁场的相互作用能也有的

13、相互作用能也有2l+1个值。这个值。这些能量叠加在能级上，形成能级分些能量叠加在能级上，形成能级分裂。裂。第33页，此课件共47页哦铑的光谱的塞曼效应铑的光谱的塞曼效应第34页，此课件共47页哦12-7-4 电子的自旋电子的自旋 1921年，年，O.斯特恩和斯特恩和W.盖拉赫发现盖拉赫发现 s 态的银原子在外磁场中发态的银原子在外磁场中发生分裂。生分裂。第35页，此课件共47页哦 原子在通过不均匀磁场时，只有具有磁矩才会受到磁力作用而偏离原子在通过不均匀磁场时，只有具有磁矩才会受到磁力作用而偏离原来的运动方向。原来的运动方向。基态银原子，角动量为零，磁矩也为零。所以不应该偏转。基态银原子，角动

14、量为零，磁矩也为零。所以不应该偏转。非基态银原子，角动量不为零，角动量在磁场中的取向量子化，有非基态银原子，角动量不为零，角动量在磁场中的取向量子化，有2l+1个空间取向，因受力不同应该有基数条痕迹。个空间取向，因受力不同应该有基数条痕迹。1925年，年，G.E.Uhlenbeck和和S.Goudsmit提出电子自旋的概念。提出电子自旋的概念。第36页，此课件共47页哦原子存在不同于轨道角动量的角动量：自旋角动量原子存在不同于轨道角动量的角动量：自旋角动量S第四个量子数第四个量子数ms第37页，此课件共47页哦描写原子中电子的状态共有描写原子中电子的状态共有4个量子数：个量子数：n,l，ml，

15、ms第38页，此课件共47页哦12-7-5 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构 填充电子的原理：填充电子的原理：1、W.泡利不相容原理。泡利不相容原理。2、能量最小原理。、能量最小原理。第39页，此课件共47页哦 对于一个确定的主量子数对于一个确定的主量子数n（能级）可容纳的最大电（能级）可容纳的最大电子数为子数为 2 2n n2 2个。个。第40页，此课件共47页哦元素周期表元素周期表例：例：氟氟 Z=9 1s2 2s2 2p5 氖氖 Z=10 1s2 2s2 2p6钠钠 Z=11 1s2 2s2 2p63s1 但是，但是，钾钾,Z=19,1s2 2s2 2p63s23p64s1为什么？为

16、什么？第41页，此课件共47页哦The Periodic Table第42页，此课件共47页哦第43页，此课件共47页哦1s(2)2s2p(8)3s3p(8)4s3d4p(18)5s4d5p(18)6s4f5d6p(32)7s5f6d7p(32)第44页，此课件共47页哦 元素周期表所反映的周期性实际就是电子在原子中分布的周期性的结元素周期表所反映的周期性实际就是电子在原子中分布的周期性的结果：果：电子壳层数就是周期数；电子壳层数就是周期数；同一周期中元素性质的差异是外层电子的数目和排列决定；同一周期中元素性质的差异是外层电子的数目和排列决定；同一族元素外层电子的数目和排列相似决定了性质相似。

17、同一族元素外层电子的数目和排列相似决定了性质相似。第45页，此课件共47页哦例例:氢氢原原子子的的巴巴尔尔末末系系中中一一条条谱谱线线的的波波长长=4340 。求求:（1）该该谱谱线线光光子子的的能能量量。（2）该该谱谱线线是是哪哪两两个个能能级级之之间间的的跃跃迁迁产产生生的的。（3）电电子子从这个高能级跃迁到低能级，可能观察到几条可见光谱线从这个高能级跃迁到低能级，可能观察到几条可见光谱线?解：解：巴尔末系，巴尔末系，k=2,Ek=-3.4eV,第46页，此课件共47页哦n=5n=4n=3n=2n=1可能看到可能看到3条可见光谱线。条可见光谱线。Balmer seriesLyman seriesPaschen series第47页，此课件共47页哦