原子物理学二章原子的量子态PPT学习教案

1、会计学1 原子物理学二章原子的量子态原子物理学二章原子的量子态 2 T T 一、量子假说根据之一：黑体辐射一、量子假说根据之一：黑体辐射 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 2-1背景知识背景知识 第1页/共51页 3 从理论上分析，黑体腔壁可认为是由大量作谐振动的谐从理论上分析，黑体腔壁可认为是由大量作谐振动的谐 振子振子( (作谐振动的电偶极矩作谐振动的电偶极矩) )组成组成 振动的固有频率可从振动的固有频率可从(0-)(0-)连续分布，谐振子通过发连续分布，谐振子通过发 射与吸收电磁波，与腔中辐射场不断交换能量。射与吸收电磁波，与腔中辐射场不断交换能量。 黑体辐射达

2、平衡时，辐射能量密度黑体辐射达平衡时，辐射能量密度 随随 的变化曲线只与黑体的的变化曲线只与黑体的T有关，而与空腔有关，而与空腔 的形状及组成材料无关的形状及组成材料无关。 E 1859年，基年，基 尔霍夫证明尔霍夫证明 : 辐射能量密度最大值所对应的频率与辐射能量密度最大值所对应的频率与 平衡时黑体的绝对温度平衡时黑体的绝对温度T成正比，即：成正比，即： 由此得维恩位移律公式：由此得维恩位移律公式： 为最大波长：为最大波长： c .T m 28980 m m m c 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第2页/共51页 4 E ),( 4 ),(TE c TR 黑体总的

3、辐射本领黑体总的辐射本领 dTE c dTRTR 00 ),( 4 ),()( 由此可得等式：由此可得等式： dTE c dTR),( 4 ),( 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第3页/共51页 5 瑞利原名约翰瑞利原名约翰威廉威廉斯特拉特，世袭勋爵，尊称瑞利男爵三世。主要因发现了惰性气体氩而获斯特拉特，世袭勋爵，尊称瑞利男爵三世。主要因发现了惰性气体氩而获1904年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖 据经典电动力学和统计物理学导据经典电动力学和统计物理学导 出出 此公式在低频部分与实验相符，但此公式在低频部分与实验相符，但 在高频部分与实验的偏差很大。在高频部分与

4、实验的偏差很大。 当时当时, 即在高频时是发散的，即在高频时是发散的， 这就是当时著名的这就是当时著名的“紫外灾难紫外灾难”。 表示频率在表示频率在 间的辐射密度间的辐射密度 。此公式在高频部分与实验相符，但在低此公式在高频部分与实验相符，但在低 频部分与实验有显著偏差。频部分与实验有显著偏差。 ),(d 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 瑞利瑞利L. Rayleigh 英（英（1842-1919） 第4页/共51页 6 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第5页/共51页 7 普朗克普朗克(德德) (1858-1947) 黑体辐射引发的黑体辐射引

5、发的 “紫外灾难紫外灾难” 迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验（莫雷实验（ 1887年）的年）的“零结果零结果 ” 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第6页/共51页 8 普朗克普朗克(德德) (1858-1947) 34 6.6260755(40) 10J sh 2 3 8 00, kT uT c 0h 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 获获19201920年度年度 诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 1900年用内插法年用内插法 得到经验公式得到经验公式 普朗克公式完美地解释了黑体辐射问题普朗克公式完美地解释了黑体辐射问题 不情愿的不情愿的 革命者革命者

6、第7页/共51页 9 “ 总而言之，我们可以说，在近代物理学结出硕果的那总而言之，我们可以说，在近代物理学结出硕果的那 些重大问题中，很难找到一个问题是爱因斯坦没有做过重些重大问题中，很难找到一个问题是爱因斯坦没有做过重 要贡献的，在他的各种推测中，他有时可能也曾经没有射要贡献的，在他的各种推测中，他有时可能也曾经没有射 中标的，例如，他的光量子假设就是如此，但是这确实并中标的，例如，他的光量子假设就是如此，但是这确实并 不能成为过分责怪他的理由，因为即使在最精密的科学中不能成为过分责怪他的理由，因为即使在最精密的科学中, , 也不可能不偶尔冒点风险去引进一个基本上全新的概念也不可能不偶尔冒点

7、风险去引进一个基本上全新的概念 ” 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 普朗克公式涉及到能量交换呈量子化，与经典物理严重普朗克公式涉及到能量交换呈量子化，与经典物理严重 背离，故公式提出后的背离，故公式提出后的5年内无人理会，普朗克本人也年内无人理会，普朗克本人也“ 后悔后悔”，试图将其纳入经典物理范畴。，试图将其纳入经典物理范畴。 虽然爱因斯坦对光电效应的解释是对虽然爱因斯坦对光电效应的解释是对普朗克普朗克量子概念的量子概念的 极大支持，但极大支持，但普朗克普朗克不同意爱因斯坦的光子假设，这一点不同意爱因斯坦的光子假设，这一点 流露在流露在普朗克普朗克推荐爱因斯坦为普鲁

8、士科学院院士的推荐信推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士的推荐信 中。中。 在爱因斯坦发表狭义相对论后，普朗克还认为爱因斯坦在爱因斯坦发表狭义相对论后，普朗克还认为爱因斯坦 “迷失了方向迷失了方向” 。 第8页/共51页 10 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 “作用量子这一发现成为世纪物理学研究的基础，从那时起几乎完全决定了物理学的发现。作用量子这一发现成为世纪物理学研究的基础，从那时起几乎完全决定了物理学的发现。而且，它还粉碎了古典力学和电动力学的这个框架，并给科学提出了一项新任务：为全部物理学找出一个新的概念基础。而且，它还粉碎了古典力学和电动力学的这个框架，并给科学提

9、出了一项新任务：为全部物理学找出一个新的概念基础。” 在普朗克犹豫徘徊甚至倒退的时候在普朗克犹豫徘徊甚至倒退的时候,量子论却量子论却 有了很大的发展有了很大的发展.1905年，爱因斯坦提出光量年，爱因斯坦提出光量 子假说子假说,成功地解释了光电效应成功地解释了光电效应;1906年年,他又将他又将 量子理论运用到固体比热问题量子理论运用到固体比热问题,获得成功获得成功;1912 年年,玻尔将量子理论引入到原子结构理论中玻尔将量子理论引入到原子结构理论中,克克 服了经典理论解释原子稳定性的困难服了经典理论解释原子稳定性的困难,建立了他建立了他 的原子结构模型的原子结构模型,取得了原子物理学划时代的

10、进取得了原子物理学划时代的进 展展;1922年年,康普顿通过实验最终使物理学家们康普顿通过实验最终使物理学家们 确认光量子图景的实在性确认光量子图景的实在性,从而使量子理论得到从而使量子理论得到 科学界的普遍承认科学界的普遍承认. 普朗克虽然发现了能普朗克虽然发现了能 量子量子,但他不能理解这一但他不能理解这一 发现的意义发现的意义.他曾在散步他曾在散步 时对儿子说时对儿子说：“我现在我现在 做的事情，要么毫无意做的事情，要么毫无意 义义,要么可能成为牛顿以要么可能成为牛顿以 后物理学上最大的发现后物理学上最大的发现 。” 第9页/共51页 11 普朗克当时得到的普朗克当时得到的h和同时导和同

11、时导 出的出的k较准确值略小，但已相当较准确值略小，但已相当 精确。精确。 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 由当时的由当时的h、k求出的求出的NA及电子电量及电子电量e也很精确，在约也很精确，在约20年年 后才由实验独立地测量得到后才由实验独立地测量得到h、e的精确值。的精确值。 第10页/共51页 12 叶企孙师生谱叶企孙师生谱 系系 叶企孙（叶企孙（18981977） 叶企孙是我国近代物理学奠基人之一。与合作者一起利用射线短波叶企孙是我国近代物理学奠基人之一。与合作者一起利用射线短波 限与加速电压的关系限与加速电压的关系测定普朗克常数测定普朗克常数，获得当时该方法

12、最精确的实验数，获得当时该方法最精确的实验数 据。据。其结果被国际物理学界沿用达其结果被国际物理学界沿用达1616年。年。创办清华大学物理系、北京大创办清华大学物理系、北京大 学磁学专门组。为我国高等教育事业和科学事业做出卓越贡献，培养出学磁学专门组。为我国高等教育事业和科学事业做出卓越贡献，培养出 一大批著名科学家。一大批著名科学家。 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第11页/共51页 13 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第12页/共51页 14 e 赫兹在莱顿瓶放电实验中发现紫外光照射的阴极赫兹在莱顿瓶放电实验中发现紫外光照射的阴极 容

13、易放电容易放电 林纳实验证明光照导致金属表面逸出电子林纳实验证明光照导致金属表面逸出电子 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 1）光电流与入射光强度的关系）光电流与入射光强度的关系 以一定强度的单色光照射以一定强度的单色光照射 阴极阴极K，光电流强度随加速电，光电流强度随加速电 压压U的增大而增大，当的增大而增大，当U达一达一 定值时，光电流达最大值（定值时，光电流达最大值（ 饱和电流），它与入射光的饱和电流），它与入射光的 强度成正比。强度成正比。 第13页/共51页 15 a UO am Uemv 2 2 1 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态

14、IS的存在反映了在一定强度的光照射下，的存在反映了在一定强度的光照射下，K在单位时间内在单位时间内 激发的光电子数有一最大值。当激发的光电子数有一最大值。当U较小时，光电子不一较小时，光电子不一 定形成光电流，当定形成光电流，当U增大至一定值时，光电子全被加速增大至一定值时，光电子全被加速 而光电流达最大值而光电流达最大值IS。这时再增大。这时再增大U，因无更多的光电子，因无更多的光电子 ，故光电流不再增大。，故光电流不再增大。 光强较强光强较强 光强较弱光强较弱 U I s I 第14页/共51页 16 0 UkUa 0 2 1 2 m mv k U0 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态

15、第二章原子的量子态 当入射光的当入射光的 ，无论入射光多强均不会产生光电效应，无论入射光多强均不会产生光电效应 ； 当入射光的当入射光的 ，无论入射光多弱均会产生光电效应，无论入射光多弱均会产生光电效应 ； （实验表明（实验表明,从光开始照射至产生光电子历时不超过从光开始照射至产生光电子历时不超过 ） 0 0 s 9 10 第15页/共51页 17 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 )( 0 0 A 金属金属铯铯钾钾钠钠锂锂锌锌钨钨金金铁铁银银铂铂 665566555500550054005400 500050003720372027002700265026502620

16、26202610261023102310 某些金属的红限（通常用表示）：某些金属的红限（通常用表示）： 0 光照强度和时间决定光电子能量光照强度和时间决定光电子能量 光强很小，电子需较长时间吸收足够能量才能逸出光强很小，电子需较长时间吸收足够能量才能逸出 第16页/共51页 18 h 2h pchk 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 3.光电效应的量子解释光电效应的量子解释 第17页/共51页 19 图中直线可由实验得出，从图中直线可由实验得出，从 直线的斜率可直接测得直线的斜率可直接测得h 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 h A 2 2 1

17、m mv O E 0 光电效应的爱因斯坦解释光电效应的爱因斯坦解释 Ahmvm 2 2 1 h 光子光子 Ah Ah 第18页/共51页 20 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 光谱是研究原子结构的重要途径之一。光谱是研究原子结构的重要途径之一。 光谱是用光谱仪测量的，光谱仪种光谱是用光谱仪测量的，光谱仪种 类虽多，但原理相近，大致由三部分类虽多，但原理相近，大致由三部分 组成：光源、分光器组成：光源、分光器 (棱镜或光栅棱镜或光栅)、 记录仪。记录仪。 不同的光源有不同的光谱。不同的光源有不同的光谱。 若要了解物质的若要了解物质的 内部情况内部情况,只要只要 看其光谱

18、就可以看其光谱就可以 了了. 第19页/共51页 21 I I 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第20页/共51页 22 H H H H 0 A 从氢气放电管获得的氢光从氢气放电管获得的氢光 谱是很有规律的谱是很有规律的线状谱线状谱 谱线谱线 波 长波 长 ( )( )6562.106562.104860.744860.744340.104340.104101.204101.20 颜色颜色红红深绿深绿青青紫紫 谱线的间隔和强度都谱线的间隔和强度都 向着短波方向递减向着短波方向递减 在可见光在可见光 范围内的范围内的 4 4条谱线条谱线 ： 此表的谱线波长来源于褚圣麟此

19、表的谱线波长来源于褚圣麟原子物理学原子物理学，与上图所标波长略有出入，与上图所标波长略有出入 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 研究原子时，卢瑟福所用的是研究原子时，卢瑟福所用的是“碰撞碰撞”的实验方法的实验方法，另，另 一类方法是一类方法是光谱方法光谱方法。这是因为原子发射和吸收特定波长。这是因为原子发射和吸收特定波长 电磁波的行为与原子内部的运动过程相联系，从而可从光电磁波的行为与原子内部的运动过程相联系，从而可从光 谱的规律性中得到原子内部结构的信息。谱的规律性中得到原子内部结构的信息。 四、氢原子光谱四、氢原子光谱 第21页/共51页 23 0 63645A.B

20、 1 nB n B 4 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第22页/共51页 24 2 )( m R mT 2 )( n R nT 里德伯常数里德伯常数 光谱项光谱项 氢的任一条谱线都可表示为二个光谱项之差。氢的任一条谱线都可表示为二个光谱项之差。 17 1009677581 B 4 m.R )()( nn TT 也称为里兹并合原理也称为里兹并合原理 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第23页/共51页 25 氢原子光谱的三个特点（经验规律）氢原子光谱的三个特点（经验规律） 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第24页/共5

21、1页 26 2-2 玻尔理论（模型）玻尔理论（模型）（1913） 玻尔（丹麦）玻尔（丹麦） 1885-1962 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 通过对光谱学资料的考察通过对光谱学资料的考察,使玻尔写出使玻尔写出 了了“论原子构造和分子构造论原子构造和分子构造”的长篇论著的长篇论著 ,提出了量子不连续性提出了量子不连续性,成功地解释了氢原成功地解释了氢原 子和类氢原子的结构和性质子和类氢原子的结构和性质. 1921年年,玻尔发表了玻尔发表了“各元素的原子结各元素的原子结 构及其物理性质和化学性质构及其物理性质和化学性质”的长篇演讲的长篇演讲 ,阐述了光谱和原子结构理论的

22、新发展阐述了光谱和原子结构理论的新发展,诠诠 释了元素周期表的形成释了元素周期表的形成,对周期表中从氢对周期表中从氢 开始的各种元素的原子结构作了说明开始的各种元素的原子结构作了说明,同同 时对周期表上的第时对周期表上的第72号元素的性质作了预号元素的性质作了预 言言 1922年年,发现了这种元素铪发现了这种元素铪,证实了玻尔证实了玻尔 预言的正确预言的正确. 获获19221922年度年度 诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 第25页/共51页 27 一、玻尔理论一、玻尔理论(三个假设三个假设) 1.定态假设（经典轨道及定态条件定态假设（经典轨道及定态条件 ） （为解决原子的稳定问题而设 ） 原子物

23、理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第26页/共51页 28 r v m r e k 2 2 2 mM Mm r ke r e kmvEEE pk 22 1 22 2 3 2 22 1 2mr ke mr ke rr v f 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 r -e v 氢原子的电子经典轨道氢原子的电子经典轨道 第27页/共51页 29 m E n E hh n n E T hc (为解决原子辐射的光谱问题而设.此假设意味着原子 内部能量是守恒的) hEE 12 hc EE c 12 ( (小诗) 电子的电子的“跃迁跃迁” “你，匆匆地去，犹如你匆匆地

24、你，匆匆地去，犹如你匆匆地 来。来。 去时乘着一片云彩，来时去时乘着一片云彩，来时 将她化成一声长叹！来去匆匆，将她化成一声长叹！来去匆匆， 不粘半点尘埃。不粘半点尘埃。” 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第28页/共51页 30 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 （由对应原理得出）（由对应原理得出） 对应原理：微观范围内与对应原理：微观范围内与 宏观范围内的现象遵循各自宏观范围内的现象遵循各自 的规律；但将微观范围内的的规律；但将微观范围内的 规律延伸到经典范围时，所规律延伸到经典范围时，所 得结果应与经典规律所得到得结果应与经典规律所得到

25、的相一致。的相一致。 即电子轨道角动量满足即电子轨道角动量满足 上式的那些轨道才是电子上式的那些轨道才是电子 实际的运动轨道。实际的运动轨道。 第29页/共51页 31 1 nn 32222 2)( 11 n Rc nn nnnn Rcc nn Rc c )nT(T(n) n n R 2 2 11 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第30页/共51页 32 3 2mr ke f 2 3 1 222 2 ) 16 (n mcR ke r 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第31页/共51页 33 nmm mke a053. 01053. 0 10

26、2 2 1 1111 16,9 ,4 ,aaaarn m 10 10 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第32页/共51页 34 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 2 nr 2 1 n E n 0, Er 第33页/共51页 35 2 1 2 1 )( 2 1 n E E cmE n 2 22 nn n r e k r v m 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第34页/共51页 36 小结：玻尔氢原子模型小结：玻尔氢原子模型 基态：能量最低的定态；基态：能量最低的定态； 激发态：能量较高的定态激发态：能量较高的定态 。电

27、子的轨道半径和能量：电子的轨道半径和能量： (1)(1)电子绕核按圆轨道运动（定态）。不同电子绕核按圆轨道运动（定态）。不同 轨道（定态）有不同的能量，这些不连续轨道（定态）有不同的能量，这些不连续 的能量值称的能量值称能级能级。 原子接受能量后，由一定态原子接受能量后，由一定态( (E E1 1) ) 激发到另一定态（激发到另一定态（E E2 2）。激发态不）。激发态不 稳定，瞬时稳定，瞬时“跃迁跃迁”到基态到基态( (或能量或能量 较低的定态较低的定态) )，同时辐射出光子。，同时辐射出光子。 光子能量为二定态能量之差：光子能量为二定态能量之差： 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二

28、章原子的量子态 12 EEh 第35页/共51页 37 chc 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第36页/共51页 38 17 3 422 100973731. 1 2 m ch emk R 17 1009677581 B 4 m.R 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 氢核氢核 轴线轴线 -e 质质 心心 核外电子与原子核绕其核外电子与原子核绕其“质心质心”运动运动 mM Mm 第37页/共51页 39 ) 11 ( 1 2 2 2 1 nn R c )(nhcTE 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 RhcEEh 4 3

29、 12 第38页/共51页 40 n 1 2 3 n1234 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 氢原子可能的轨道和能级氢原子可能的轨道和能级( (邻近轨道的间距随邻近轨道的间距随n n的增加而增加的增加而增加) ) 第39页/共51页 41 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第40页/共51页 42 2 e 2 Ze HH HHH 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 玻尔理论可成功地用于类氢离子，描述很简单，只要玻尔理论可成功地用于类氢离子，描述很简单，只要 在原有公式中出现在原有公式中出现 时乘以时乘以Z使之为使之为 即可

30、。即可。 由此知，类氢离子的谱线较氢要多，位置也不同。由此知，类氢离子的谱线较氢要多，位置也不同。 18971897年天文学家毕克林年天文学家毕克林 在地球上的氢是观察不到的，最初以为是一种在地球上的氢是观察不到的，最初以为是一种 特殊的氢所发的。后来发现特殊的氢所发的。后来发现在氢气中掺杂些氦就能出现这线在氢气中掺杂些氦就能出现这线 系系，这才认定，这才认定毕克林系是氦离子所发毕克林系是氦离子所发。 爱因斯坦称玻尔理论是爱因斯坦称玻尔理论是 一个一个“伟大的发现伟大的发现”。 第41页/共51页 43 0 A H 0 A 2 1 D H m m 0 A 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态

31、第二章原子的量子态 第42页/共51页 44 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第43页/共51页 45 若电子在若电子在KG空间与原子碰撞，原子获得能量被激发，空间与原子碰撞，原子获得能量被激发， 电子能量减小以至达不到电子能量减小以至达不到A K GA V A 0.5 V Hg 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 第44页/共51页 46 4.9 V1, 2,3,Unn 电流突降的电压相差都是电流突降的电压相差都是4.9V ） 原子物理学原子物理学第二章原子的量子态第二章原子的量子态 300 200 100 051015 4.9 9.8 14.7 V I 实际上实际上,第一个零相差是第一个零相差是4.1V,仍因仪器上接触电势导