康普顿效应氢原子的玻尔理论PPT学习教案

1、会计学1 康普顿效应氢原子的玻尔理论康普顿效应氢原子的玻尔理论 在在X射线通过物质散射时，散射射线通过物质散射时，散射 线中除有与入射线波长相同的射线线中除有与入射线波长相同的射线 外，还有比入射线波长更长的射线外，还有比入射线波长更长的射线 。这种。这种散射光波长变长散射光波长变长的散射称为的散射称为 康普顿效应或康普顿散射康普顿效应或康普顿散射。 散射散射x x射线的波长中有两个峰值射线的波长中有两个峰值， 0 0 波长的改变量波长的改变量 0 - 仅与散射角仅与散射角 有关，与散射物质、有关，与散射物质、 入射波长无关。入射波长无关。 135 45 90 )(相对强度I 0 0 入射线

2、第1页/共51页 原子序数小的物质，康普顿效应明显。原子序数小的物质，康普顿效应明显。 原子序数大的物质，康普顿效应不明显。原子序数大的物质，康普顿效应不明显。 X-ray 0 康普顿散射的强度与散射物质康普顿散射的强度与散射物质 有关有关 第2页/共51页 光子与实物粒子一样能与电子发生碰撞。光子与实物粒子一样能与电子发生碰撞。 光电效应：光电效应：光子与自由电子发生完全光子与自由电子发生完全非弹性碰撞非弹性碰撞。 康普顿效应：康普顿效应：光子与电子发生光子与电子发生弹性碰撞弹性碰撞。 ）与内层紧束缚电子碰撞：）与内层紧束缚电子碰撞： a.a.可看作光子与整个原子的碰撞可看作光子与整个原子的

3、碰撞 b.b.光子能量不变，故光子能量不变，故 = = 0 0，但方向改变，但方向改变 ）与外层弱束缚电子碰撞：）与外层弱束缚电子碰撞： a.a.飞出反冲电子，带走飞出反冲电子，带走一部分能量一部分能量 b.b.光子的能量减小。光子的能量减小。 hvhv 0 0 第3页/共51页 ）原子序数小的物质，原子序数小的物质，几乎所有电子出于弱束缚几乎所有电子出于弱束缚 状态，所以状态，所以康普顿效应明显。原子序数大的物质，康普顿效应明显。原子序数大的物质， 原子中大多数内层电子受到原子核的束缚较紧，原子中大多数内层电子受到原子核的束缚较紧，康康 普顿效应不明显。普顿效应不明显。 ）因为碰撞中交换的能

4、量和碰撞的角度有关，）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关， 故波长的改变量与散射角有关。故波长的改变量与散射角有关。 第4页/共51页 假设光子与电子发生完全弹性碰撞。假设光子与电子发生完全弹性碰撞。 0 0 0 e c h P e c h P 反冲电子反冲电子 弱束缚电子弱束缚电子 初态弱束缚电子可看作是静止的孤立电子初态弱束缚电子可看作是静止的孤立电子, , 质量为质量为m0 ，末态反冲电子质量为，末态反冲电子质量为m，速度，速度 光子光子 mP e 散射光子散射光子 第5页/共51页 碰撞过程能量守恒碰撞过程能量守恒EE 00 P P 0 P P e P P 动量守恒动量守恒 e PP

5、P 0 cos2 0 22 0 2 PPPPP e 0 0 0 e c h P e c h P mP e 22 00 mchvcmhv 第6页/共51页 )cos1 ( 0 0 cm h cos1cos1 0 c cm h 令令m1043. 2 12 0 cm h c 为康普顿波长为康普顿波长 康普顿散射公式 将将 代入两式，得代入两式，得 22 0 1c m m 第7页/共51页 散射波长改变量散射波长改变量 的数量级为的数量级为 1010-12 -12m m， ， 对于可见光波长对于可见光波长 1010-7 -7m m， ， Ef 原子发射光子。原子发射光子。 当当 Ei 11 2 1 2

6、 2 E E eV4 .3 2 1 3 3 E EeV51.1 2 1 4 4 E EeV85.0 赖曼系赖曼系 巴尔末系巴尔末系 帕邢系帕邢系 布拉开系布拉开系 eV6 .13 1n eV40.32n eV51.1 3n eV85.04n 0 En 氢原子能级和能级跃迁图：氢原子能级和能级跃迁图： 由能级算出的光谱线频率由能级算出的光谱线频率 和实验结果完全一致！和实验结果完全一致！ 第43页/共51页 氢原子的电离能氢原子的电离能 ,时时当当n, n r0 E 原子被电离后，电子成为自由电子自由态，不原子被电离后，电子成为自由电子自由态，不 受原子核束缚。受原子核束缚。 电离能：电离能：把

7、电子从氢原子第一玻尔轨道移到把电子从氢原子第一玻尔轨道移到 无穷远所需能量。无穷远所需能量。 1 EEE eV6 .13 第44页/共51页 由玻尔假设电子从高能态跳到低能态发射单色光频率：由玻尔假设电子从高能态跳到低能态发射单色光频率： )( 1 fi EE h 原子辐射单色光波数原子辐射单色光波数)( 1 fi EE ch 由由 22 0 4 2 8 1 h me n E n 2232 0 4 11 8 ifch em e c 则则 第45页/共51页 2232 0 4 11 8 ifch em e 22 11 nk R ch em R e 32 0 4 8 17 m10097.1 与与广

8、义巴尔末公式广义巴尔末公式比较比较 这一数值与实验测得结果符合很好。为此，玻这一数值与实验测得结果符合很好。为此，玻 尔于尔于19221922年年1212月月1010日诺贝尔诞生日诺贝尔诞生100100周年之际，获诺周年之际，获诺 贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。 里德伯里德伯 常数常数 第46页/共51页 意义：意义：玻尔理论成功地揭示了原子的玻尔理论成功地揭示了原子的稳定性稳定性、大小大小及及 氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性，为人们，为人们认识微观世界和建立量子认识微观世界和建立量子 理论打下了基础理论打下了基础。玻尔理论中的定态、量子化、跃迁等。玻尔理论中的定态、量子化、跃迁等 概念现

9、在仍然有效，它对量子力学发展很大贡献。概念现在仍然有效，它对量子力学发展很大贡献。 玻尔由于研究原子结构和原子辐射的贡献，荣获玻尔由于研究原子结构和原子辐射的贡献，荣获 19221922年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 但玻尔理论有以下缺陷：但玻尔理论有以下缺陷： 它它是经典理论与量子理论的混合物是经典理论与量子理论的混合物，沿用了粒子，沿用了粒子 轨道的概念，又人为地引入了量子化条件。轨道的概念，又人为地引入了量子化条件。 无法处理原子的谱线强度、宽度、偏振及精细结构无法处理原子的谱线强度、宽度、偏振及精细结构 和复杂原子的光谱结构（即使是类氢原子和和复杂原子的光谱结构（即使是类氢原子和

10、He）。）。 第47页/共51页 例例1：计算氢原子基态电子的轨道角动量、线计算氢原子基态电子的轨道角动量、线 速度。速度。 解：解： 基态基态 n = = 1 2 1 h nL sJ10055.1 34 2 10634 . 6 34 1 1 1 rm L e 1031 34 10529.01011.9 10055.1 m/s1019.2 6 第48页/共51页 例例2：用用 12.6eV 的电子轰击基态原子，这些原的电子轰击基态原子，这些原 子所能达到最高态。子所能达到最高态。 解：解：如果氢原子吸收电子全部能量如果氢原子吸收电子全部能量, , 则它所具有能量则它所具有能量 6 .12 1 EE6 .126 .13eV0 .1 轨道能量轨道能