第节玻尔理论的实验基础.ppt

2 1 玻尔理论的实验基础 卢瑟福原子核式结构模型的成就 对 粒子的散射实验给出了令人满意的解释 第一次正确地解决了原子内部的结构问题 问题 对核外电子的运动情况还没有令人满意的说明 1900年普朗克发表了著名的量子假说 但很少有人注意他的文章 更不要说理解它了 连普朗克本人也不喜欢自己的 量子 他与很多人一起想把量子说纳入经典轨道 可是 爱因斯坦却认真对待这一革命性的观念 他在提出狭义相对论的同年 1905年 明确地提出了光量子的概念 无独有偶 爱因斯坦的论文同样不受名人的重视 甚至到了1913年 德国最著名的四位物理学家 包括普朗克在内 在一封信中还把爱因斯坦的光量子概念说成展 迷失了方向 可是 当时年仅28岁的丹麦物理学家尼尔斯 玻尔 却创造性地把量子概念用到了当时人们持怀疑的卢瑟福原子结构模型 解释了近30年的光谱之谜 一 实验基础之一 黑体辐射 黑体 对什么光都吸收而无反射的物体 它是一种在自然界中并不存在的完全理想的黑体 黑体 分子 含有带电粒子 的热运动使物体辐射电磁波 这种与温度有关的辐射称为热辐射 热辐射的电磁波能量对频率有一个分布 怎么去研究热辐射的规律呢 物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量时 热辐射过程达到热平衡 称为平衡热辐射 提出 理想模型 的方法 维恩根据经典热力学得出一个半经验公式 维恩公式 维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好 但长波却不行 瑞利和琼斯用能量均分定理和电磁理论得出瑞利 琼斯公式 瑞利 琼斯公式在长波部分与实验结果比较吻合 但在紫外区竟算得单色辐出度为无穷大 所谓的 紫外灾难 1900年元旦 英国物理学家开耳文在一篇总结以往几百年来物理学的文章中说 在已经基本建成的科学大厦中 后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了 但是 在物理学晴朗天空的远处还有两朵令人不安的乌云 这两朵乌云 指的是当时物理学无法解释的两个现象其中一个就是黑体辐射 另一个是迈克尔逊 莫雷干涉实验 1887年 正是这两朵乌云 不久便掀起了物理学上一场深刻的革命 一个导致量子力学的诞生 一个导致相对论的建立 1900年10月19日 普朗克在德国物理学会会议上提出了一个黑体辐射能量分布公式 这个公式是普朗克为了凑合实验数据而猜出来的 发现 普朗克的黑体辐射能量分布公式和实验结果以惊人的精确性相符合 使他决心 不惜一切代价找到一个理论的解释 经过二个月的日夜奋斗 普朗克在12月14日在德国物理学会提出 电磁辐射的能量交换只能是量子化的 由于这一概念同经典物理严重背离 因此在以后的十余年内 普朗克很后悔当时提出 量子说 并想尽办法试图把它纳入经典范畴 二 实验基础之二 光电效应 石英窗 光线经石英窗照在阴极上 便有电子逸出 光电子 光电子在电场作用下形成光电流 当K A间加反向电压 光电子要克服电场力作功 当电压达到某一值U0时 光电流恰为0 U0称反向遏止电压 此时光电子动能全转换成电势能 遏止电压的大小反映光电子初动能的大小 光电效应实验规律 光电流与光强的关系 饱和光电流强度与入射光强度成正比 截止频率 0 红限 对于每种金属材料 都相应的有一确定的截止频率 0 入射光频率 0时 电子逸出金属表面 当入射光频率 0时 无论光强多大也无电子逸出金属表面 当 0时 与光强无关 光电子初动能 反向遏止电压 光电效应是瞬时的从光开始照射到光电逸出所需时间 10 9s 经典理论无法解释光电效应的实验结果 经典认为 按照经典电磁理论 入射光的光强越大 光波的电场强度的振幅也越大 作用在金属中电子上的力也就越大 光电子逸出的能量也应该越大 也就是说 光电子的能量应该随着光强度的增加而增大 不应该与入射光的频率有关 更不应该有什么截止频率 经典认为光能量分布在波面上 吸收能量要时间 即需能量的积累过程 为了解释光电效应 爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论 提出了光量子假设 光不仅在发射和吸收时以能量为h 的微粒形式出现 而且在空间传播时也是如此 也就是说 频率为 的光是由大量能量为 h 光子组成的粒子流 这些光子沿光的传播方向以光速c运动 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量 一部分消耗在电子逸出功A 另一部分变为光电子的动能Ek0 由能量守恒可得出 爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦的光量子假设 初动能及反向遏止电压与 成正比 而与光强无关 光电效应的解释 1 截止频率 0 红限 的解释 当入射光频率 0时 电子才能逸出金属表面 产生光电效应 不同金属具有不同的截止频率 4 光电效应瞬时性的解释 电子吸收光子时间很短 只要光子频率大于截止频率 电子就能立即逸出金属表面 无需积累能量的时间 与光强无关 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应 但当时并未被物理学家们广泛承认 因为它完全违背了光的波动理论 金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子 光强越大 光电子越多 光电流越大 3 光电流正比于光强的解释 光强正比于单位时间流过单位面积的光子数 光强越大 光子数越多 光谱是电磁辐射 不论是在可见光区域还是在不可见光区域 的波长成分和强度分布的记录 有时只是波长成分的记录 每一种元素都有它自己特有的光谱线 原子谱线 携带 着大量有关原子内部结构或原子能态变化特色的 信息 通过研究光谱 就可以研究原子内部的结构 并通过原子光谱的实验数据来检验原子理论的正确性 三 实验基础之三 氢原子光谱 1 光谱知识 光谱种类 连续光谱 线状光谱 带状光谱 炽热的固体或液体发出 具有各种波长成分 气态原子发出 只有某些波长 光谱由一条条清晰明亮的线组成 气体分子发出 谱线分段密集 形成一个个带 连续光谱 线状光谱 太阳光谱 钠的吸收光谱 NaHHgCu 棱镜光谱仪示意图 狭缝 棱镜 屏 红 蓝 1 2 光源 准直仪 接受装置 照相底片或显微镜 色散装置 棱镜或光栅 1 2 氢原子巴尔末线系 很早 人们就发现氢原子的在可见光部分的四条谱线 当n 3 4 5 6为四条可见光谱线H H H H 巴尔末光谱线系 H 红656 210nm最强H 深绿483 074nm次强H 青434 010nm再次之H 紫410 120nm最弱 2 氢原子光谱 1889年 瑞典物理学家里德伯 J R Rydberg 1854 1919 提出 里德伯公式 里德伯公式 式中称为波数 里德伯常数 m n都是正整数 对每一个m n m 1 m 2 m 3 构成一个谱线系 巴尔末经验公式 氢原子光谱的其它谱线 也先