第5章 微观世界及其探索1：波尔理论

1、第五章第五章 微观世界及其探索微观世界及其探索5 51 1 揭开研究微观世界序幕的三大发现揭开研究微观世界序幕的三大发现 一、电子的发现一、电子的发现 德国物理学家普鲁克（德国物理学家普鲁克（J. Plueker，1801-1868）于）于1858年利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的年利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉。管壁上出现了美丽的绿色光辉。18761876年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线

2、命名为这种射线命名为 “阴极射线阴极射线”。J. J. 汤姆逊，汤姆逊，1856年年12月月18日生于英国。日生于英国。1884年任卡文迪许实验室教授。年任卡文迪许实验室教授。1886年，年，J. J. 汤姆逊开始研究气体放电和阴极射线汤姆逊开始研究气体放电和阴极射线。阴极射线粒子的阴极射线粒子的“荷质比荷质比”为：为： me111107 . 1 kgC该荷质比为氢离子荷质比的该荷质比为氢离子荷质比的2000倍。倍。J. J. 汤姆逊由此断定：汤姆逊由此断定：这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。美国科学家密立根（美国科学家密立根（R. A. Mill

3、ikan，1868-1953）在）在1909-1917年间利用有年间利用有名的油滴实验测得了名的油滴实验测得了 e 的值，他以严的值，他以严谨的科学态度和追求精确的测量而受谨的科学态度和追求精确的测量而受到人们的赞誉。到人们的赞誉。 1909年密立根油滴实验证明一切荷电物质都只能年密立根油滴实验证明一切荷电物质都只能带有带有e的整数倍的电量。的整数倍的电量。 阴极射线粒子所带的电量阴极射线粒子所带的电量 e 是电荷的最小单位。是电荷的最小单位。1917年，密立根公布的结果是：年，密立根公布的结果是：1010)00507704(- .e静电单位静电单位电子的质量为：电子的质量为：1010) 80

4、32068(154- .e静电单位静电单位近代精确的电子电荷量是：近代精确的电子电荷量是：1910(49)1.60217733- 库仑库仑静电单位静电单位库仑库仑91031 kgme3110)54(1093897. 9 电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。J. J. J. J. 汤姆逊由于发现电子而于汤姆逊由于发现电子而于19061906年荣获诺贝尔物理学奖。年荣获诺贝尔物理学奖。J. J. J. J. 汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为“一一位最先打开通向基本粒子位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人物理学大门的伟人”人类进入微电子科技时代。人类进入微电子科

5、技时代。德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（W. K. W. K. RontgenRontgen，1845-19231845-1923）伦琴在给孔特（伦琴在给孔特（A. Kundt，1839-1894）的信中说：）的信中说：我终于发现了一种光，我我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以名不知道是什么光，无以名之，就把它叫做之，就把它叫做X X光吧。光吧。2 2、X X射线的发现射线的发现伦琴的实验室第一张第一张X光片光片1895年12月28日伦琴写出了一篇论文论一种新的射线，文章详细总结了新射线的性质： 新射线来自于被阴极射线击中的固体，（后来知道，是新射

6、线来自于被阴极射线击中的固体，（后来知道，是高速电子流轰击金属靶得到，由原子中的内层电子发射出高速电子流轰击金属靶得到，由原子中的内层电子发射出来）来） 新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不被磁场偏转；被磁场偏转； 新射线对所有物体几乎都是透明的；新射线对所有物体几乎都是透明的； 新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光。新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光。从从19141914到到19241924年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究格父子，巴克拉，西格本）在研究X X射线及其应用

7、方射线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。面获得了诺贝尔物理学奖。X射线是由高速电子撞击物体时产生，从本质上它和可见光一样，射线是由高速电子撞击物体时产生，从本质上它和可见光一样，是一种电磁波，它的波长约为：是一种电磁波，它的波长约为： 0.0010.01(nm)伦琴荣获伦琴荣获1901年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖，成，成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者。为诺贝尔物理奖的第一个获奖者。可以说，现代物理学是从可以说，现代物理学是从18951895年德国物理学家伦琴发现年德国物理学家伦琴发现X X射线开始的。射线开始的。K+-A18961896年，法国物理学家贝克勒尔（年，法国物理学家贝克勒尔（Becq

8、uerel, 1852-Becquerel, 1852-19081908）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进行研究时发）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进行研究时发现了天然放射线。现了天然放射线。贝克勒尔射线贝克勒尔射线3、 放射性的发现放射性的发现 玛丽居里（M. S. Curie，1867-1934）居里夫人从居里夫人从18971897年开始直至年开始直至19341934年逝世的年逝世的3838年科学生年科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度的智慧全涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度的智慧全心投入放射性研究，发现了放射性元素心投入放射性研究，发现了放射性元素“镭镭”和和“钋钋”。1910

9、1910年完成了她的名著年完成了她的名著论放射性论放射性，由于，由于她的杰出贡献：她的杰出贡献： 1903年，居里夫妇和贝克勒年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔尔共享了诺贝尔物理物理奖。奖。 1911年又荣获了诺贝尔年又荣获了诺贝尔化学化学奖奖天然放射性核素能够自发地放出各种射线,从而衰变为另一种核素。射线：射线：带两个正电荷的氦核带两个正电荷的氦核 粒子流；粒子流；24He射线：射线：带负电荷的高速电子流；带负电荷的高速电子流；射线：射线：从原子核内放出来的电磁波，它实际从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比上是一束能量极高的光子流，它的波长比X射射线还要短，穿

10、透本领比线还要短，穿透本领比X射线更强。射线更强。1895-18971895-1897的三大发现，使物理学发生了深刻的变化：的三大发现，使物理学发生了深刻的变化： 电子的发现否定了原子是最小物质结构单元的说法电子的发现否定了原子是最小物质结构单元的说法 过去以为除可见光外的电磁波只有无线电波、红外线和过去以为除可见光外的电磁波只有无线电波、红外线和紫外线，现在却有了波长更短的紫外线，现在却有了波长更短的X X射线和射线和射线。射线。 过去以为原子是不可变的，自从发现放射性后，原过去以为原子是不可变的，自从发现放射性后，原子是可变的。子是可变的。三大发现打开了微观世界的窗户，把物理学从十九世纪的

11、经三大发现打开了微观世界的窗户，把物理学从十九世纪的经典物理学阶段推进到二十世纪的现代物理学阶段。典物理学阶段推进到二十世纪的现代物理学阶段。三大发现揭开了现代物理学的序幕！三大发现揭开了现代物理学的序幕！5 52 2 玻尔的氢原子模型玻尔的氢原子模型 一、玻尔理论的实验基础一、玻尔理论的实验基础 - 1903年，汤姆孙提出年，汤姆孙提出原子结构模型：原子里面原子结构模型：原子里面带正电的部分均匀地分布带正电的部分均匀地分布在整个原子球体中，而带在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在带正电负电的电子镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球的球体之中。带正电的球体与带负电的电子二者电体与带负电的电子二

12、者电量相等，故原子不显电性。量相等，故原子不显电性。 2、卢瑟福的核式模型、卢瑟福的核式模型 卢瑟福卢瑟福1871年年8月月13日出生在新西兰，日出生在新西兰，1894年年大学毕业，大学毕业，1895年到英国年到英国剑桥大学学习，成为剑桥大学学习，成为J.J.汤汤姆孙的研究生。姆孙的研究生。1908年卢年卢瑟福荣获诺贝尔化学奖，瑟福荣获诺贝尔化学奖，同年在曼切斯特大学任教，同年在曼切斯特大学任教，继续指导他的学生进行继续指导他的学生进行 粒粒子散射的实验研究。子散射的实验研究。 卢瑟福不仅是一位伟大的科学家，而且是一卢瑟福不仅是一位伟大的科学家，而且是一位受学者尊敬的导师，在他的学生中有十几位

13、获位受学者尊敬的导师，在他的学生中有十几位获得了现代科学界最高荣誉得了现代科学界最高荣誉诺贝尔奖，其中包诺贝尔奖，其中包括玻尔、查德威克等。括玻尔、查德威克等。 粒子散射粒子散射1 / 8000被反射，大部分透过被反射，大部分透过 粒子束射向金箔：粒子束射向金箔：文科物理 原子由原子核和原子由原子核和核外电子构成，原子核外电子构成，原子核带正电荷，占据整核带正电荷，占据整个原子的极小一部分个原子的极小一部分空间，而电子带负电，空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一同行星绕太阳转动一样。样。原子的核式模型：原子的核式模型： 1911年卢瑟福提出原子年卢瑟福提出

14、原子的的“有核结构模型有核结构模型” 二、氢原子光谱的实验规律二、氢原子光谱的实验规律 综合经验公式：综合经验公式： , 2, 1,)11(122mmnnmR1710096776. 1mRHHHH6562.34861.3 4340.5 4101.7氢原子光谱氢原子光谱 2 3 4 5 612345mn光光 谱谱 系系区域区域日期日期赖曼（赖曼（Lyman）系）系巴尔末（巴尔末（Balmer）系）系帕邢（帕邢（paschen）系）系布喇开（布喇开（Brackett）系）系普芳德（普芳德（Pfund）系）系紫外紫外可见可见可见可见红外红外红外红外1906年年1880年年1908年年1922年年19

15、24年年此后又发现碱金属也有类似的规律。此后又发现碱金属也有类似的规律。m确定那个谱线系确定那个谱线系n确定哪条谱线确定哪条谱线 里兹并合原理里兹并合原理 )()(nTmT)(),(nTmT式中：式中： 称为光谱项称为光谱项 氢原子光谱：谱线是分裂的，线状的；原子光谱氢原子光谱：谱线是分裂的，线状的；原子光谱线的波数由光谱项之差确定。线的波数由光谱项之差确定。 二、经典电磁理论遇到的困难二、经典电磁理论遇到的困难 卢瑟福原子模型经典的电磁理论，必将导出：卢瑟福原子模型经典的电磁理论，必将导出： 注意：经典理论解释不了注意：经典理论解释不了H原子光谱原子光谱按按1911年卢瑟福提出的原子的行星模

16、型年卢瑟福提出的原子的行星模型-电子绕电子绕原子核（原子核（10-15m）高速旋转）高速旋转2)(mRmT2)(nRnT+2、原子是、原子是”短命短命“的的+电子绕核运动是加速运动电子绕核运动是加速运动必向外辐射能量，电子轨必向外辐射能量，电子轨道半径越来越小，直到掉到原子核道半径越来越小，直到掉到原子核与正电荷中和，这个过程时间与正电荷中和，这个过程时间mrVmF2) 1 (42202rVmre2hnL )2(2hnmVr n=1、2、3、4., 3 , 2 , 1,2220nmenhrnnmrn053. 0,11)(053. 0212nmnrnrn能量量子化能级（原子系统的总能量公式）能量

17、量子化能级（原子系统的总能量公式） , 3 , 2 , 1,1822204nnhmeEneVEn6 .13,11eVnnEEn2216 .13结论：电子轨道是量子化的。结论：电子轨道是量子化的。)4(21022nnremVEMm+rnMm结论：能量是量子化结论：能量是量子化 的。的。注意：这种不连续的注意：这种不连续的 能量称为能级能量称为能级计算值：计算值：1710096776. 1mR根据波尔理论计算根据波尔理论计算里德伯常数里德伯常数1710097373. 1mR实验值：实验值：氢原子的能级和轨道半径：氢原子的能级和轨道半径： 能能 态态 n E/eV rn(nm) 基基 态态 1 13

18、.6 0.053 第一激发态第一激发态 2 3.4 0.212 第二激发态第二激发态 3 1.51 0.476 电离状态电离状态 0解释解释H原子光谱原子光谱+n=1n=2n=3n=4n=6n=5赖曼（赖曼（Lyman）系）系巴尔末（巴尔末（Balmer）系）系帕邢（帕邢（paschen）系）系布喇开（布喇开（Brackett）系）系普芳德（普芳德（Pfund）系）系氢原子光谱氢原子光谱 hEEmn当当n n很大时，量子化特征消失，玻尔结果与经典很大时，量子化特征消失，玻尔结果与经典结果同，即光谱线连续结果同，即光谱线连续 注意：原子的注意：原子的电离能电离能就是从基态跃进到就是从基态跃进到n

19、= 大大 （En=0）状态时所需能量）状态时所需能量eVEEE6 .13)6 .13(01电四、四、 发射光谱和吸收光谱发射光谱和吸收光谱2 2、吸收光谱：连续光谱照射下，原子吸收光子，、吸收光谱：连续光谱照射下，原子吸收光子，明亮背景上出现了若干暗线明亮背景上出现了若干暗线 1 1、发射光谱：原子受激后又自动、发射光谱：原子受激后又自动“退激退激”而自发而自发发出的辐射发出的辐射五、玻尔理论的成功及局限五、玻尔理论的成功及局限 1、成功、成功 能较好地解释氢原子光谱和类氢原子光谱；能较好地解释氢原子光谱和类氢原子光谱；能级间跃迁的频率条件。能级间跃迁的频率条件。 2 2、局限性、局限性 用经

20、典理论推出电子有固定轨道、确定的用经典理论推出电子有固定轨道、确定的空间坐标和速度空间坐标和速度 人为引进量子条件，限制电子运动人为引进量子条件，限制电子运动不能自洽。对稍微复杂些的系统，如氦和碱土金不能自洽。对稍微复杂些的系统，如氦和碱土金属的光谱（谱线的强度、宽度、偏振）等均无法属的光谱（谱线的强度、宽度、偏振）等均无法解释解释 定态能级假设；定态能级假设；1922年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖只能解释只能解释H及类及类H原子，也解释不了原子的精原子，也解释不了原子的精细结构。细结构。原因：它是半经典半量子理论的产物。还应用了原因：它是半经典半量子理论的产物。还应用了 经典物理的轨道和坐标的概念

21、经典物理的轨道和坐标的概念玻尔其人玻尔其人：他是卢瑟福的学生，在其影响下具有他是卢瑟福的学生，在其影响下具有严谨的科学态度，勤奋好学，平易近严谨的科学态度，勤奋好学，平易近人，后来很多的科学家都有纷纷来到人，后来很多的科学家都有纷纷来到他身边工作。当有人问他，为什么能他身边工作。当有人问他，为什么能吸引那么多科学家来到他身边工作时，吸引那么多科学家来到他身边工作时，他回答说：他回答说：“因为我不怕在青年面前因为我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢暴露自已的愚蠢”。这种坦率和实事。这种坦率和实事求是的态度是使当时他领导的哥本哈求是的态度是使当时他领导的哥本哈根理论研究所永远充满活力，兴旺发根理论研究所永远充满活力，兴旺发达的原因。爱因斯坦评价说：达的原因。爱因斯坦评价说：“作为一个科学的思想家玻尔具有那么惊人的吸作为一个科学的思想家玻尔具有那么惊人的吸引力；在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的引力；在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的结合结合”习题：用习题：用13.0eV13.0eV的电子轰击基态的氢原子。的电子轰击基态的