波粒二象性和原子结构.ppt

2020 3 7 17 波粒二象性 1 热辐射现象一切物体在任何温度下都在辐射电磁波 这种辐射与物体的温度有关 所以叫做热辐射 2 黑体在任何温度下都能全部吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射 说明 黑体是个理想化的模型 例 空腔上的小孔 远处的窗口等可近似看作黑体 实验表明 对于一般材料的物体 辐射电磁波的情况除与温度有关外 还与材料的种类及表面状况有关而黑体辐射电磁波的规律只与黑体的温度有关 0123456 m 1700K 1500K 1300K 1100K 3 黑体辐射的实验规律 随着温度的升高 1 各种波长的辐射强度都有增加 2 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 瑞利公式只在长波与实验结果比较吻合 维恩公式只在短波与实验结果吻合得很好 4 普朗克能量子理论 微观粒子的能量只能是某一最小能量值 的整数倍 E n n 1 2 这个不可再分的最小能量值 叫能量子 n称为量子数 带电微粒吸收和辐射能量时 也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的 h 6 626 10 34J S 普朗克常数 能量子的能量 h 是电磁波的频率 1800K 借助能量量子化假说 普朗克得出了与实验符合的很好的黑体辐射公式 5 能量量子化 宏观 能量可以是任意值 可以连续变化 微观世界中 微观粒子的能量只能是一个一个的特定值 不能连续变化 能量量子化 量子化 只能取一系列分立值 不能连续变化 2020 3 7 光的波动性实验基础 干涉 衍射 偏振麦克斯韦和赫兹确认光的电磁波本质光的粒子性实验基础 光电效应 康普顿效应 2020 3 7 1 光电效应 现象 紫外线照射锌板 验电器内的金属箔带正电 说明有电子从锌板上飞出来 定义 当光线照射在金属表面时 金属中有电子逸出的现象 称为光电效应 逸出的电子称为光电子 光电子定向移动形成的电流叫光电流 2020 3 7 2 光电效应实验规律 1 存在饱和电流在电流较小时电流随着电压的增大而增大 但当电流增大到一定值后 即使电压再增大 电流也不会增大 这个最大电流就叫做饱和电流 2020 3 7 2 存在遏止电压Uc 反向截止电压 当所加电压U为0时 电流I并不为0 只有施加反向电压 使电子减速 电流才有可能为0 电流刚减小到0时对应的电压叫做遏止电压Uc 2020 3 7 1 对于一定 颜色 频率的光 无论光强如何 遏止电压都是一样 2 对于一定 颜色 频率的光 入射光越强 饱和电流越大 即单位时间内发射的光电子数越多 3 相同强度 单位时间内的能量 的单色光射到同种金属上 增加入射光的频率时 饱和电流减小 遏止电压增大 2020 3 7 3 存在截止频率 c当入射光的频率减小到某一数值 c时 无论光的强度多大 加上怎样的电压 都不会有光电流 这个临界频率叫做截止频率 c 极限频率 入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应 2020 3 7 4 光电效应的瞬时性当入射光的频率超过截止频率时 无论光如何微弱 几乎在瞬间就会产生光电流 时间间隔不超过10 9s 2020 3 7 3 爱因斯坦的光电效应方程 1 光子 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的 频率为 的光的能量子为h 这些能量子后来被称为光子 2 电子从金属中逃逸 需要克服阻力做功 使电子脱离金属所要做的最小的功 叫做金属的逸出功 不同金属的截止频率不同 所以逸出功不同 3 一个电子一瞬间吸收一个光子的能量 一部分能量用来克服金属的逸出功W0 剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek 即 上式即为爱因斯坦的光电效应方程 2020 3 7 光电子的最大初动能只与入射光的频率有关 而与入射光的强弱无关 若入射光的频率恰好等于极限频率 即刚好能有光电子逸出 可理解为逸出的光电子的最大初动能为0 因此有如果电子克服阻力做功大于逸出功 则逸出后电子的初动能小于最大初动能 只有从金属表面直接飞出的光电子 才有可能具有最大初动能 2020 3 7 影响饱和电流 遏制电压 截止频率的因素1 只要入射光频率超过截止频率 饱和电流的大小只与单位时间内的光子数有关 即光电流的大小与入射光的强度成正比 2 截止频率只与金属的逸出功有关 即只与金属的种类有关 3 遏制电压与入射光频率和逸出功有关 2020 3 7 4 光电效应方程的图像 1 外加电压和光电流的关系 同种金属 光的强弱影响饱和电流光强光子数目多发射光电子多光电流大光的频率影响遏制电压光的频率高光子能量大产生光电子的最大初动能大光的频率低于截止频率 不发生光电效应 2020 3 7 2 遏止电压 入射光频率 Uc 图像 2020 3 7 5 光电效应方程的验证美国学者密立根设计实验 验证了爱因斯坦光电效应方程的正确性 光子具有能量 光电效应显示了光的粒子性 2020 3 7 6 康普顿效应康普顿在做X射线通过物质散射的实验时 发现散射线中除有与入射波长相同的射线外 还有比入射波长更长的射线 其波长的改变量与散射角有关 而与入射波长和散射物质都无关 2020 3 7 康普顿效应的解释光子的动量与波长存在一定的关系 发生碰撞后 光子的动量减小 即光的波长增大 光子具有动量 康普顿效应显示了光具有粒子性 2020 3 7 对光研究的发展史牛顿微粒说 光是一群弹性粒子惠更斯波动说 光是一种机械波麦克斯韦电磁说 光是一种电磁波爱因斯坦光子说 光是一份一份光子组成公认波粒二象性 光是具有电磁本性的物质 既具有波动性 又具有粒子性 光具有波粒二象性 是爱因斯坦的光子说和麦克斯韦的电磁说的统一 2020 3 7 光的波粒二象性1 光既具有波动性 又具有粒子性 为说明光的一切行为 只能说光具有波粒二象性 2 理解 既不可以把光当成宏观概念的波 也不可以把光当成宏观或微观概念中的粒子 大量光子产生的效果往往显示出波动性 个别光子产生的效果往往显示出粒子性 频率越低的光波动性越明显 频率越高的光粒子性越明显 光的波动性不是光子之间的相互作用引起的 光在传播过程中往往显示波动性 在与物质作用时往往显示粒子性 光波是一种概率波概率就是大概的几率 是一种可能性 而不是确定性 光是不连续的 一分一分的 它可能到达某个地方 若大量光子能到达某地方就表现出波动性 光子落在明纹处的概率大 落在暗纹处的概率小 2020 3 7 经典粒子任意时刻有确定的位置和速度以及时空中间确定的轨道 是经典物理学中粒子运动的基本特征 经典波具有波长和频率 即在空间和时间上具有周期性 物质波德布罗意认为 实物粒子也具有波动性 任何一个运动着的物体 都有一种波与之伴随 遵从这种关系的波称为德布罗意波 物质波是一种概率波 2020 3 7 戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验 从而证实了电子 微观粒子或宏观物体 的波动性 为此获得了诺贝尔物理学奖 德布罗意提出的物质波假设获得了诺贝尔物理学奖 宏观物体运动时也具有波动性 但观察不到其波动性 是因为其波长太短 波动性太弱 所以干涉衍射现象不明显 总结 波粒二象性一切运动物体的共同特性 2020 3 7 18 原子结构 2020 3 7 1 阴极射线是高速电子流 在阴极射线管中 阴极射线是由阴极处于炽热状态而发射的电子流 通过高压电对电子加速获得能量 使之与玻璃上的荧光物质发生撞击而发光 阴极射线的比荷比氢离子的大2 汤姆孙发现电子汤姆孙测出了阴极射线粒子的比荷 断定它是带负电的粒子 后来被称为电子汤姆孙模型 西瓜模型 或 枣糕模型 2020 3 7 3 粒子散射实验观测结果 1 绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进 2 少数 粒子发生了较大角度的偏转 3 极个别 粒子被弹回 2020 3 7 4 卢瑟福对散射结果的解释 1 绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进 2 少数 粒子发生了较大的偏转 3 极个别 粒子被弹回 原子内是十分空的 绝大多数 粒子没有碰上带正电的质量大的物质 只有少数 粒子离带正电物质较近 命中率很小 原子内正电荷和原子的质量集中在很小的体积内 只有极个别的 粒子正对着带正电的物质运动 2020 3 7 5 卢瑟福的原子核式结构模型 在原子的中心 有一个很小的核 叫做原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外空间运动 2020 3 7 左手定则 1 伸开左手 使拇指与其余四个手指垂直 并且都与手掌在同一个平面内 让磁感线从掌心进入 并使四指指向电流的方向 这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向 2 伸开左手 使拇指与其余四个手指垂直 并且都与手掌在同一个平面内 让磁感线从掌心进入 并使四指指向正电荷运动的方向 负电荷运动的反方向 这时拇指所指的方向就是运动的电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向 判断力的方向 2020 3 7 右手螺旋定则安培定则判断磁场和电流方向 右手握住导线 让伸直的拇指所指的方向与电流 磁场 方向一致 弯曲的四指所指的方向就是磁感线 电流 环绕的方向 光谱 白光通过三棱镜后得到的彩色光带叫做光谱 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开 获得光的波长 频率 和强度分布的记录 1 连续光谱 一 光谱 1 发射光谱 由发光体直接产生的光谱 形式 连续分布 一切波长的光都有 产生 炽热的固体 液体和高压气体发光形成 2 线状谱 原子光谱 形式 一些不连续的明线组成 不同元素的明线光谱不同 产生 单原子的稀薄气体或金属蒸汽发光形成的光谱 每一种原子都有自己特定的原子光谱 不同原子 其原子光谱均不同 是原子的特征谱线 2 线状谱 原子光谱 2 吸收光谱 炽热的白光通过温度较低的物质气体时 某些波长的光被物质吸收后产生的光谱 一 光谱 吸收光谱中每一条暗线都跟该种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对应 吸收光谱中的暗谱线 也是原子的特征谱线 表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的 通常吸收光谱中的暗线比线状谱中的亮线要少一些 故明线和暗线是一一对应的说法是错误的 2020 3 7 太阳光谱是吸收光谱 阳光透过太阳高层大气射向地球时 太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光 然后再发射出去 不过这次发射是向四面八方发射 所以到达地球的这些谱线看起来就弱了 这样就形成了明亮背景下的暗线 与已知元素的谱线相比较 知道太阳高层大气中含有钠 镁 铜 锌 镍等金属元素 太阳的光谱 1 光谱分析 根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成的方法 线状谱和吸收光谱 原子特征谱线 非常灵敏 迅速 10 10g 检查物质纯度 发现新元素和研究天体的化学组成 2 可应用于光谱分析的光谱 3 优点 4 应用 二 光谱分析 氢原子是最简单的原子 其光谱也最简单 三 氢原子光谱 特点 光谱是分立的亮线 只含几种特定频率的光 可见光区 电子的运动原子结构 光的产生光谱研究 三 氢原子光谱 巴耳末对氢光谱在可见光区的四条谱线研究得出 其中 R叫里德伯常量 实验值为 可见光区 巴耳末公式 2020 3 7 卢瑟福原子的核式结构模型正确提出了原子核的存在 很好的解释了 粒子散射实验 但是 43 1 矛盾一 2 矛盾二 四 经典理论的困难 无法解释原子的稳定性 无法解释原子光谱的分立性 核外电子绕核运动 事实上 原子是稳定的 辐射电磁波频率只是某些确定值 2020 3 7 丹麦的玻尔在普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦关于光子的概念的启发下 他在1913年把微观世界中物理量取分立值的观点应用到原子系统 提出了玻尔原子结构假说 建立了玻尔原子模型 玻尔 2020 3 7 玻尔原子模型 1 原子中的电子在库仑力的作用下 绕原子核做圆周运动2 电子绕核运动的轨道是量子化的3 电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的 且不产生电磁辐射 2020 3 7 轨道半径只能够是一些不连续的 某些分立的数值 玻尔保留了卢瑟福的核式结构以及经典力学的电子在库仑引力的作用下绕原子核做圆周运动的观点 但他认为核外电子的轨道是不连续的 它们只能在某些可能的 分立的轨道上运动 而不是像行星或卫星那样 能量大小可以是任意的量值 例如 氢原子的电子最小轨道半径为0 053nm 其余的轨道半径还有0 212nm 0 477nm 不可能出现介于这些轨道之间的其他值 一 轨道量子化假说 一 玻尔的原子结构假说 针对原子核式结构模型提出 2020 3 7 与轨道量子化对应的能量不连续的现象 电子在可能轨道上运动时 尽管是变速运动 但它并不释放能量 原子是稳定的 这样的状态也称为定态 由于原子的可能状态 定态 是不连续的 具有的能量也是不连续的 这样的能量值称为能级 能量最低的状态称为基态 其他的状态叫做激发态 对氢原子以无穷远处的势能为零点 基态能量E1 13 6ev 其他能级公式 氢原子各能级对应的能量 n为量子数 对应不同的轨道 基态取n 1 激发态n 2 3 4 量子数n越大 表示能级越高 二 能量量子化假说 针对原子的稳定性提出 能级 量子化的能量值 定态 原子中具有确定能量的稳定状态 能级图 轨道与能级相对应 说明 氢原子的能量 库仑力提供向心力 a 电子的动能 b 原子的电势能 取电子与核相距无穷远时的电势能为零 所以原子的能量 原子的能量值是核外电子的动能与原子所具有的势能的总和 r越大 电势能越大 r越大 动能越小 r越大 能量越大 1 这里的能量指总能量 即E Ek Ep 例如 E1 13 6eV实际上 其中Ek1 13 6eV Ep1 27 2eV 2 量子数n 1 能量值最小 电子动能最大 电势能最小 量子数越大 能量值越大 电子动能越小 电势能越大 2020 3 7 原子从一种定态跃迁到另一种定态 它辐射或吸收一定频率的光子 光子的能量由这两种定态的能量差决定 h m n Em En 电子如果从一个轨道到另一个轨道 不是以螺旋线的形式改变半径大小的 而是从一个轨道跳跃到一个轨道 玻尔将这种现象叫做电子的跃迁 三 跃迁假说 频率条件 针对原子光谱是线状谱提出 2020 3 7 低能级 高能级 跃迁 吸收光子 电子所受库仑力做正功减小电势能 动能增加 原子的能量减少 发射光子 光子的发射和吸收 2020 3 7 1 向低轨道跃迁 处于激发态的原子是不稳定的可自发地经过一次或几次跃迁达基态 跃迁时发射光子的能量 发射光子 光子的能量必须等于能级差能级差越大 放出光子的频率就越高 说明 由于能级是分立的 所以放出的光子的能量也是分立的 因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线 原子光谱 二 玻尔理论对氢光谱的解释 辐射 氢原子核外只有一个电子 这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上 在某段时间内 由某一轨道跃迁到另一个轨道时 可能的情况只有一种 但是如果容器中盛有大量的氢原子 这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现 说明 一群原