康普顿效应,氢原子光谱和玻尔理论.ppt

15-3 康普顿效应,康普顿效应（1920-1922 年）：当X射线被物质散射时，散射光中不仅有与入射光相同的波长成分，更有波长大于入射光波长的成分。,15-3-1康普顿散射的实验规律,3. 对于原子量较小的散射物质，康普顿散射较强，反之较弱。,1. 波长的改变量 -0 随散射角的增加而增加。,2. 对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变量 - 0 都相同。,经典理论遇到的困难；,引用光子理论可解释！,15-3-2 康普顿效应的量子解释,较轻原子外层电子的电离能：几个电子伏,X射线的光子能量：104-105eV,电子热运动能量：约10-2eV,X 射线散射的简化模型： 单个光子与单个静止的自由电子发生弹性碰撞。,X射线散射是单个光子和单个电子碰撞的结果。 光子不仅具有能量，还有动量； 与电子发生碰撞时，光子的一部分能量传递给电子； 散射后的光子能量减小，从而频率减小，波长变长。,自由电子,静止,动量守恒：,（1）,能量守恒：,能量守恒：,（2）,（1）,(2式减1式),康普顿散射公式：,康普顿波长：,波长的改变量 与散射体无关， 波长的改变量 与散射角有关，散 射角 越大， 也越大。,3. 波长的改变量与入射光的波长无关。,结论：,光子与内层电子碰撞时，,问题：为什么在可见光的散射实验中我们没有看到康普顿效应呢？,康普顿效应：支持了光子理论，验证了光子具有动量； 证实了微观世界中的能量、动量守恒定律。,例4. 在康普顿效应中，入射光的波长为310-3 nm，反冲电子的速度为光速的60%，求散射光的波长和散射角。,解,能量守恒：,例5. 波长为 0 = 0.020 nm 的 X 射线与自由电子发生碰撞，若从与入射角成90角的方向观察散射线。求：（1）散射线的波长；（2）反冲电子的动能； （3）反冲电子的动量。,解,15-4 氢原子光谱和玻尔理论,15-4-1 氢原子光谱,巴耳末公式：,计算值：,实验值：,波数：,里德伯,(n m),结论：谱线的波数可以表示为两个光谱项之差。,光谱项：,里德伯表达式 ：,里德伯常量的近代测量值：,赖曼系（紫外光）,帕邢系（红外光）,布喇开系（红外光）,普芳德系（红外光）,巴耳末系（可见光）,15-4-2 原子的经典模型,1. 汤姆逊的葡萄干面包模型（1904年）,整个原子呈胶冻状的球体，正电荷均匀分布于球体上，而电子镶嵌在原子球内，在各自的平衡位置附近作简谐振动，并发射同频率的电磁波。,很快被卢瑟福的粒子散射实验否定！,1897年，汤姆孙发现电子； 电子带负电，质量是氢原子的1/1836； 电中性的原子内部正、负电荷如何分布？, 粒子散射实验：,2. 卢瑟福的原子核式模型（1911年）,原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。,原子核直径的数量级：10-14m，质量占99.95% 原子直径的数量级：10-10m,核式结构模型遇到的困难：,这种结构的原子不稳定， 并且原子光谱应是连续谱,15-4-3 玻尔的氢原子理论（1913年）,玻尔的三条基本假设：,1. 原子中的电子只能在一些特定的轨道上运行，在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态（定态） 。,2. 当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。,3. 电子在原子中的稳定轨道满足角动量L等于 的整数倍条件。,即量子化条件：,主量子数,设电子质量：m，带电量e。,力学方程：,量子化条件：,电子轨道半径：,玻尔半径：,电子在第n个轨道上的能量：,将“量子化条件”和“轨道半径”代入能量式，得：,轨道能量：,基态能量：,各能级值：,各能态：,基态：n = 1，第一激发态：n = 2，第二激发态：n = 3 ，,与里德伯表达式比较：,电子从高能级向低能级跃迁时放出光子的波数：,理论值与实验值符合得非常好！,玻尔理论的缺陷及主要原因,例. 已知氢原子从基态激发到某一定态所需能量为10.19eV，若氢原子从能量为-0.85eV的状态跃迁到上述定态时，所发射的光子的能量为多少？,基态能量：-13.6eV,2.56eV,所以该定态能量：- 3.41eV,例. 如用能量为12.6eV的电子轰击氢原子，将产生那些谱线？,解,取 n = 3,可能的轨道跃迁： 31 ，32 ，21,康普顿效应的量子解释,康普顿散射公式：,(n m),里德