原子的量子理论课件

原子的量子理论1、战鼓一响，法律无声。——英国2、任何法律的根本；不，不成文法本身就是讲道理……法律，也----即明示道理。——爱·科克3、法律是最保险的头盔。——爱·科克4、一个国家如果纲纪不正，其国风一定颓败。——塞内加5、法律不能使人人平等，但是在法律面前人人是平等的。——波洛克原子的量子理论原子的量子理论1、战鼓一响，法律无声。——英国2、任何法律的根本；不，不成文法本身就是讲道理……法律，也----即明示道理。——爱·科克3、法律是最保险的头盔。——爱·科克4、一个国家如果纲纪不正，其国风一定颓败。——塞内加5、法律不能使人人平等，但是在法律面前人人是平等的。——波洛克第二十一章原子的量子理论8/18/2021§21－1原子光谱的规律性§21－2玻尔的氢原子理论§21－3德布罗意假设及其实验证明§21－4不确定关系§21－5粒子的波函数薛定谔方程§21－6一维无限深的势阱8/18/20211文言文的定义文言文，一种用文言写成的文章，即上古的文言作品以及历代模仿它的作品。文言文也叫古文，在漫长的历史进程中，文言文曾经发挥过重要的作用。新课标也具体提出要求“让学生吸收祖国语言文化的珍贵遗产，培养学生健康的审美情趣和审美能力”的要求。充分体现了教育部门对这一文体的重视及希望通过这种题材教学达到的青少年能力培养目的。”2传统教学模式全国小语会副事长丁培忠曾说：“从小学生学习语言的角度讲，对一些典范的作品，只要牢牢地记住即可，不可能也不需要让他透彻地理解。一味地追求理解深透就可能导致倾盆大雨式的讲解。”但是在实际教学过程中，教师是很难把握这一教学内容的，要么熟视无睹，要么一读了之，要么无所适从，却很少有人致力于这方面的探索研究。正如钱梦龙先生在《文言文教学改革刍议》中所说那样：“文言文教学是语文教学改革的一个‘死角’，即使在语文教学改革很红火的年代，文言文教学这块‘世袭领地’上仍然是一派‘春风不渡玉门关’的景象。3教学方法之我见《新课标》提出的这些全新理念对我们从事文言文的教学有着极强的指导意义。文言文的教学也必须遵循这一阅读教学的基本规律，教学中要注重对学生感受、理解、欣赏和评价能力的培养。3.1“趣”字当头，激发欲望托尔斯泰说过，“成功的教学所需要的不是强制，而是激发学生的兴趣。”因此，在文言文教学中，教师应结合教学内容创设一些鲜活、生动、有趣的情景，让学生从周围熟悉的事物中学习、理解文言文，从而激发学习的兴趣。例如，在学习《杨氏之子》时可以用三国时期杨休的故事导入；在《学弈》教学前，让学生回顾《小猫钓鱼》的故事等。总之文言文教学，要把学生的兴趣贯穿始终。3.2引领研读，感悟文章萨特说：阅读是一项被引领的创造。在品味语言、感悟语言的实践活动中，教师要充分发挥主导和引领作用，寻求语文阅读指导与语言实践的最佳途径。《语文课程标准》在总目标中指出：学生要“具有独立阅读的能力，注重情感体验，有较丰富的积累，形成良好的语感。”古人说：“读书百遍，其义自见”。在教学中，树立“朗读是第一位”的观念，注重研读的引领，在完成阅读教学的“底线”――读通课文的基础上，以“读出感情――读出韵味――读出意境――读出思考”为读书路径，引导学生在读中悟，在悟中读，使学生在体会文言文的特质、感受文言文的魅力的同时，获得语言的发展，凸现了文言文教学的本色。至于字词句的讲析，每篇课文抓住2至3个基本词语和1至2句关键性句子熟记默写即可，课文翻译可以暂时不作要求。因为一字一句的翻译，不仅翻译不好，而且古文的味道丧失殆尽，文言文必须要用文言的思维来学。这个要求对他们来说，几乎人人都能达到，基础较差的学生也尝到了成功的快乐。一次有幸聆听教研室曲主任在文言文教学中有这样一段设计：师：自由读2到3遍，注意读准字音.师：你发现和平常的学习的课文有什么不同吗？师：检查朗读情况，指名朗读，评价。师：这篇课文写了几个人，主要写了谁？这两个人是什么关系？引读第二自然段特级教师周一贯老师指出：要把读通课文视作新课程语文课堂阅读教学范式要素之一。读通文言文是文言文教学目标人人必须达到的“下限”，是文言文教学的“底线”。3.3发挥想象、填充空白心理学家吉尔福特提出的创造性人格中，其中第六条就是要有丰富的想象力，学生的想象能力犹如给学生插上了飞翔的翅膀，要想学生飞得更高更远，作为教师应该重视培养学生的想象能力。在一次的听课教研活动中，我深深体会到如果把文言文作为支点培养学生的想象能力，将是我们语文领域的一次突破和改革。曲主任在教学中是这样把补白想象展现的淋漓尽致。师：（出示例句）父不在乃呼儿出想象一下：是谁在叫谁，会怎样说？生：应该是孔君平叫杨氏的儿子生：孔君平会说：“家里有人吗？杨氏的孩子在吗？杨氏之子说：“你好，我就是。请问你是哪一位呀？“孔君平说：“我是你爸爸的好朋友，孔君平。“杨氏之子说：“叔叔你好，请坐这里，我爸爸出去了，一会儿回来，你在这等一等。我给您端点好吃的。”（例句）为设果想一想：谁为谁设果，当时两人之间会怎样说？（例句）孔指以示儿曰示儿到底示什么给儿看？培养小学生的想象力是学生创造性思维的一个重要方面，教师在进行文言文的教学中，以文言文为支点，在读文言文中，在空白处，在体验意境中，在拓展文言文中充分发挥想象，从而让学生的想象得以真实的再现，让他们的创造能力得以最大的发挥，让我们的学生成为最具有潜力和创造力的一代。3.4举一反三、加深理解激发潜能是课堂教学的最终目的，小学生尤为如此，而小学语文教学则表现得更加突出，小学文言文教学，千万不能让学生望而生畏。曲主任在课尾来了个举一反三。师：如果来人姓柳，杨氏子会怎么回答呢？生：未闻柳树是夫子家树。师：如果来人姓梅呢？生：未闻梅花是夫子家花。课文学习完了，老师又拓展了《世说新语》里的《谢太傅》与《徐孺子》的故事，孩子们都兴致盎然，掌握了学习文言文的方法，也很快就弄懂了文章大意，从中体会语言表达的艺术，感悟语言表达中透出的智慧。趁热打铁，我鼓励学生课外阅读古代寓言故事，文言名句，以拓宽阅读面，增加阅读量。虽然小学生是初次接触文言作品，但文言文精炼的语言，丰富的内涵，特殊的表达方式，使学生对于语言的积累和接受文化熏陶都大有裨益。每一个学生都会有未挖掘的潜能，而小学生的想象更是一片青青的草地，期待我们老师去开垦和栽培。物理是一门以实验为基础的自然学科,它与社会生活联系紧密,以物质的结构、物质之间的相互作用和其运动变化规律为研究对象,具有科学性、实用性、趣味性等特点。根据这些特点,在物理实验教学中,如何进行创新教育呢?一、更新实验教学的思路物理就是以实验为基础的学科,也就是物理的定义、定理、规律、定律都建立在大量的实验和实践和活动中,那么我们所说的实验也就不仅仅局限于现行中学物理教科书中所安排的学生分组实验、演示实验和若干课外小实验。我们的实验教学可以在课上,也可以在课下;可能使用实验室所配备的器材,也可以自备自制教具,甚至可以使用我们日常生活中的现有物品,经常用学生身边的物品做实验,如用铅笔和小刀做压强实验,用雪碧瓶做液体压强与深度关系的实验,用汽水瓶做大气压实验,用眼药瓶做物体的浮沉实验,用水和玻璃做光的色散实验等,这些器材学生更熟悉,更有利于使学生明白物理就在身边,物理与生活联系非常紧密。而且通过这些课本上没有出现的,启发学生的创新能力,调动学生的创新意识和创新的精神。总之,我们不是为做实验而做实验,我们做实验是学习这种研究事物内在联系,研究问题的方法。二、实验教学方法的改革1.观察是创新的前提观察是实验的第一步,也是创新的前提。所谓观察就是要有目的地辩明观察对象的主要特征,注意发现引起变化的条件和原因。在教学中,应该让学生知道,观察事物是科学方法中提取大量事实的第一步,也是我们要进行任何创造和超越的第一步,我们所需要的不仅仅是大家观察到的结果,更重要的是观察这个活动的本身,观察在生活中无处不在。比如,观察水的沸腾实验中要求学生注意观察在给水加热的过程中,能看到什么?在此基础上引导同学讨论观察的方法和应注意的问题。可以提示看到的不同的现象是由不同的原因引起的,但是具体到是哪些原因,应该由学生通过多次的实验得出一定的结论,而不是老师在黑板上把各种条件罗列出,再提供给学生实验。那样做实际限制了学生的思维,是不利于学生形成创新思维的。2.实验,在学习中创新人们的许多物理知识是通过观察和实验认真地加以思索和总结得到的。如对于彩虹,自然界在特定雨天后才能看到,平时看不到。在序言中教学中用三棱镜做光的色散实验让彩虹出现在教室里,使学生感到新奇,通过这段教学师生共同讨论,形成共识,知道什么是实验。实验就是在人工控制条件下使物理现象重复出现供人们观察的工作。通过实验,能够对物理事实获得具体的明确的认识,有助于理解物理概念和规律。更重要的学习了这种探索事实根本的方法――实验。实验中要有实事求是的科学态度。教育学生每做一个实验应该:了解实验目的,正确使用仪器,作必要的记录,得出相应的结论整理好实验器材。根据实验观察到的现象和结果得出结论,做出正确的实验报告。向学生适当介绍一些物理学大师所做的物理实验以及所取得的成绩,而在以后的学习中运用这些方法来探索知识。3.重视方法和总结,动手动脑科学方法提出这样几个步骤:收集大量资料,证据;总结分析:得出结论;提出意见和建议。实验做完了,结果出来了,我们的实验是不是就结束了?没有。应用才是我们的最终目的,这也完全符合唯物主义方法论中关于从实践到理论再由理论到实践的辩证原则。当学生做了基本实验后,老师应当对学生实验提出较高层次的要求――做验证性的和设计性的实验。比如在做完测平均速度的实验后应该总结实验时所采用的物理方法:控制变量的方法,这种方法在物理的实验中是最常用的,是应该掌握的。这样在学完密度知识后根据实验室所提供的器材可以要求学生解决如何测金属块的密度问题,学生可以根据控制变量的方法提出设计方案,也可以提出一些具体问题,自己设计实验方法进行实验。这不仅是对前面知识的应用,也是一种对物理方法的使用。运用现有的知识内容推论后面的学习内容是一种物理研究的思路,更是学生应该掌握的物理方法之一。在这个研究的过程中也更容易有新的突破。在做固体融化的实验过程中(直接加热),开始的实验结论和课本上总是不一致,学生甚至考虑了推翻课本的大胆想法。在引导学生考虑小学学习的热平衡的知识后,就有了学生考虑是不是加热不均匀的问题,通过讨论,最终使用了水浴的方法来解决了问题,结论与课本基本一致。这就是运用探讨新知识的新方法,在探讨中学生也品尝到了成功的喜悦。三、实验教学评价中的新意识教师对教学目标的完成情况进行评估,为制订下一个目标做准备,这是一个学科目标的结束。如果说学生已经掌握了知识的重点、难点,形成了相应的技能技巧,那么教师应该对学生学习过程进行总结,学生掌握了什么,超越了什么?谁做得最好,由教师和学生总结这个的经验,从而形成再创新能力,这个环节是必不可少的。新的评价观点不仅仅应该看到学生在操作实验中的熟练程度、准确程度,更应该重视实验中解决问题的能力。由于这种评价还在起步当中,在实际操作时就更应该努力避免死板缺乏创造力的观点,这也是我们努力的方向之一。总之,创新教育能使学生学会学习,开发智力提高素质,增加了锻炼的机会,增强了适应社会发展的意识。而其在物理实验教学中的具体实施,也会给我们培养大量的适应现代化社会需要的人才提供一个可行的方式方法。第二十一章原子的量子理论7/17/2023§21－1原子光谱的规律性§21－2玻尔的氢原子理论§21－3德布罗意假设及其实验证明§21－4不确定关系§21－5粒子的波函数薛定谔方程§21－6一维无限深的势阱7/17/20234、了解波函数及其统计解释、不确定关系，了解一维定态薛定谔方程。3、理解描述物质波动性、粒子性的物理量之间的关系。2、了解德布罗意的物质波假设及电子衍射实验，理解光和实物粒子的波粒二象性。1、理解氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子理论,了解此理论的意义及其局限性。教学要求：7/17/2023原子的核模型与经典电磁理论有矛盾，如果原子的核模型正确则经典电磁理论不能解释：（1）原子的不稳定性；（2）原子光谱的分离（裂）性（即不连续性）。实验表明经典电磁理论已不适用于原子内部的运动，必须建立适用于原子内部微观过程的理论。1911年卢瑟福在散射实验的基础上提出了原子的核模型，根据原子的核模型，可以很好地解释大角散射。7/17/2023研究原子结构规律有两条途径：1、利用高能粒子轰击原子—轰出未知粒子来研究(高能物理)；

2、通过在外界激发下，原子的发射光谱来研究光谱分析。光谱可分为：1、发射光谱：1)连续光谱：炽热固体、液体、黑体；2)线状光谱(原子)：彼此分离亮线,气体放电、火花电弧等。§21－1原子光谱的规律性7/17/2023两者都能反映物质特性及其内部组成结构___特征谱线最简单的原子发射光谱是氢原子光谱。2、吸收光谱：连续谱通过物质，有些谱线被吸收形成的暗线。氢原子的光谱系1885年巴尔末(瑞士一中学教师)发现了氢原子光谱在可见光部分的规律，即1、巴尔末系(可见光部分)HαHβHγHδ7/17/20232、赖曼系（紫外光部分）7/17/20233、红外光部分：4、氢原子光谱规律：nf=1、2、3、4和5分别对应赖曼系、巴尔末系、帕邢系、布喇开系和普芳德系。7/17/2023太阳光谱7/17/20231、玻尔的氢原子理论是建立在以下三条假设基础上：1)定态假设：原子系统只能具有一系列的不连续能量状态。2)角动量假设——量子化条件

3)跃迁假设：在两个能级间跃迁时吸收或发射光子1913年，玻尔从原子核模型和原子的稳定性出发，应用普朗克的量子概念，提出了关于氢原子内部运动理论，成功解释了氢原子光谱的规律性。§21－2玻尔的氢原子理论7/17/20232、氢原子能级公式认为：氢核质量无穷大,近似静止(相对电子)[1]

半径量子化：库仑力提供向心力7/17/2023[2]能量量子化7/17/2023电离：基态n=1，激发态n>1说明不连续，取一系列分离值——能级3、原子辐射与实验吻合得极好根据玻尔的跃迁假设：7/17/2023紫外光红外光λ赖曼系（nf=1）巴尔末系（nf=2）帕邢系（nf=3）可见光n=1n=2n=3n=∞7/17/2023（1）不能解释多电子原子光谱、强度、宽度和偏振性等；（2）不能说明原子是如何结合成分子，构成液体、固体的。（3）逻辑上有错误：以经典理论为基础,又生硬地加上与经典理论不相容的量子化假设,很不协调----半经典半量子理论。4、玻尔氢原子理论的困难满意解释了H、类H原子线谱，得到了，但仍存在缺陷：7/17/2023玻尔原子理论的意义在于：1)揭示了微观体系具有量子化特征（规律），是原子物理发展史上一个重要的里程碑，对量子力学的建立起了巨大推进作用。2)提出“定态”，“能级”，“量子跃迁”等概念，在量子力学中仍很重要，具有极其深远的影响。7/17/2023一、德布罗意波假设—物质波概念2、1924年，德布罗意用类比手法，提出实物粒子亦具有波粒二象性的假设：每一个运动的粒子都有一个波与之联系，这波的波长和粒子的质量m及其速度v之间有一简单关系：

1、光的波粒二象性：§21-3德布罗意假设及其实验证明==nlhEhp

粒子性：黑体、光电、康普顿波动性：可以发生干涉、衍射7/17/2023物质波：与实物粒子相联系的波。德布罗意关系式说明能量为E、动量为p的粒子,从波动性看来应具有ν和λ。7/17/20233、玻尔氢原子理论量子化条件的导出：(1)定态：只有当电子在核外绕行的圆轨道周长为电子波长的整数倍，即只有当电子波环绕着原子核形成驻波的情况下，原子才具有稳定状态。(2)角动量L7/17/2023例计算电子经过U1=100V

和U2

=10000V

的电压加速后的得布罗意波长λ1和λ2分别是多少？解：经过电压U

加速后，电子的动能为：将已知数据代入计算可得：λ1=1.225（埃）λ2=0.1225（埃）7/17/2023二、德布罗意假设的实验证明1、戴维森—革末实验I0510152025电子束加速后投射到单晶上。保持掠入角不变，改变加速电压，发现接收到的电子（电流）有一系列的极大值。GUKMB7/17/2023若电子有波动性,应满足布拉格公式:若d一定，k不同，只有取不连续的值才可以满足极值条件。7/17/20232、汤姆孙电子衍射实验实验得到电子的衍射图样类似于X射线。证明电子确有波动性,后来又证明其他实物粒子(原子、中子)亦有波动性。电子衍射图X射线衍射图K金属箔电子束7/17/2023物质波是什么？7/17/2023三、德布罗意波的统计解释：1、双缝衍射：2、电子衍射：电子分布稀疏与密集说明电子到达各处的数量不同。统计解释：物质波振幅A的平方，与粒子在该处附近出现的概率P成正比。1926年玻恩提出：物质波是“概率波”。SS1S2用光子概念解释双缝实验7/17/2023一、不确定关系由于微观粒子具有波粒二象性，所以它具有和经典力学中质点不相同的性质，按照经典物理，每一时刻质点占有一定位置，并具有一定动量，位置和动量可以同时准确测量。而微观粒子的波动性对确定粒子的坐标和动量带来了某种限制。

设一平行电子束垂直射在单缝上，如图，大多数电子通过狭缝后继续沿原方向运动但有些电子改变了方向，即其动量改变了。§

21-4不确定关系xzd7/17/2023首先考虑第一级电子衍射，电子动量在X分量px在下列范围内：故px的不确定量为：根据单缝衍射公式dsin，得电子通过狭缝时，通过狭缝哪一点是不确定的，所以有电子坐标不确定量：Dx=d7/17/2023说明：不确定关系并非由于实验技术、误差造成，是波粒二象性的必然结果。如果考虑次级，则：同理，对三维空间有：7/17/2023例不确定关系式△x·△

px≥h表示在x方向上（A）粒子位置不能准确确定。（B）粒子动量不能准确确定。（C）粒子位置和动量都不能准确确定。（D）粒子位置和动量不能同时准确确定。例不确定关系式△x·△

px≥h，有以下几种理解：（1）粒子的动量不可能确定。（2）粒子的坐标不可能确定。（3）粒子的动量和坐标不可能同时准确确定。（4）不确定关系不仅适用于电子和光子，也适用于其它粒子。其中正确的是：（A）（1），（2）（B）（2），（4）（C）（3），（4）（D）（4），（1）√√7/17/2023例题21-1设电子在原子中运动的速度为106m/s，原子半径约为10-10m，电子位置的不确定量至少为10-11m，即△x=10-11m，由不确定关系得：速度的不确定量在数量级上大于速度本身，在原子尺度上，电子不再有确定的速度，也就不能用经典力学求解。例题21-2质量为1g的物体，当测量其重心位置时，不确定量不超过10-6m，即△x=10-6m，由不确定关系可得：速度的不确定量，远小于可能达到的测量精度，用经典力学来处理宏观物体的运动是足够精确的。7/17/2023

与具有恒定速度的粒子（自由粒子）相联系的物质波是平面波，波的传播方向沿粒子的运动方向。沿x方向传播的平面机械波波函数为：a为平面波的振幅，为初相。可写成复数形式，只取实数部分：其中§21-5波函数薛定谔方程问题：如何寻找将粒子性与波动性联系起来的波函数？7/17/2023假定这是与能量为E、动量为P的自由粒子相联系的平面波，上式中的波长和频率（表示波动的物理量），可用表示粒子性的量E和P来表示。由德布罗意公式：平面波方程可化为：这是与能量E、动量P、沿x方向运动的自由粒子相联系的波，称为自由粒子的德布罗意波，为自由粒子的波函数，A是波函数的振幅。7/17/2023自由粒子的能量E、动量P——常数，德布罗意波是平面波。非自由粒子的能量E、动量P——不是常数，此时德布罗意波是非平面波，怎样确定那么非自由粒子的德布罗意波？它服从怎样的方程呢？在x轴上运动的自由粒子的波函数可写为：其中是波函数的一部分，只与x有关——振幅函数。（分离变量）类似于驻波的振幅。7/17/2023上式为自由粒子的薛定谔方程在有势力场中运动的粒子（非自由粒子）除有动能Ek外，还有势能U，令则（21-33）可推广到非自由粒子情形，即（21-33）7/17/2023推广到三维空间：——势能为U的力场中运动粒子的薛定谔方程（1926年）。薛定谔方程是量子力学的基本方程，不能推导，只能验证。波函数的物理意义：t时刻在空间（x，y，z）处体积元dV内找到粒子的几率与

（x，y，z，t）2dV

成比例：，对应概率密度。ΨΨ*——t时刻在（x，y，z）处单位体积中找到粒子的概率，称为概率密度。7/17/2023如果满足归一化条件，表示t时刻，在空间（x，y，z）处单位体积内找到粒子的几率—几率密度。因为在整个空间找到粒子的几率应等于1，故得到：该式称为归一化条件。波函数必须满足的条件：

单值、连续、有限和归一化条件。7/17/2023赤铜矿cuprite（Cu2O）中铜与氧的结合7/17/20231、金属中,自由电子受力为0。势能U为常数,可看作为0。2、金属表面：

U突然增大(x=0,a)为拐点，一、势阱模型§21-6一维无限深势阱a0金属表面Ux金属---------7/17/2023为简单计,设粒子在场U中沿x轴作一维运动。2、U满足边界条件：——无限深方形势阱3、薛定谔方程的解——波函数经典观点：能量连续,几率相等,量子力学的结果应该如何?0<x<ax≤0及x≥a0U(x)=0axU(x)=∞U(x)=∞U(x)=07/17/20237/17/2023由归一化条件求A：7/17/2023说明：3、能量为E

时，粒子在势阱中x处的概率密度：1、粒子的波函数为驻波形式：2、粒子的能量是量子化的：

n=1，2，3，……7/17/2023波函数曲线概率密度曲线E4E3E2E1xa0n=1n=2n=3n=4n=247/17/2023表明：7/17/2023薛定谔方程的重要意义：薛定谔方程是量子力学描述微观粒子运动规律的基本方程，由它得出的结果与实验相符合。通过求解薛定谔方程可以得出描述粒子运动状态的波函数。在求解过程中，要考虑波函数必须满足的条件：单值、连续、有限和归一化条件。不必象经典物理那样，人为地提出量子化条件，求解过程中自然得到量子化条件，这是经典物理所无法比拟的。7/17/20231。

一个质量为m的粒子约束在长为L的一维线段上，试由不确定关系估算这个粒子所具有的最小动能。由此计算核内质子和中子的最小动能（原子核半径的数量级为10-14m）。解：由题意知粒子的位置不确定度为L。则由不确定关系得其动量不确定度为：上式说明，该粒子的最小动量为：

在不考虑相对论效应时，该粒子的最小动能为：对于核内的质子和中子有m~1.67×10-27kg，则7/17/20232。设粒子沿x方向运动，波函数求：（1）归一化常数A；（2）粒子的概率密度按坐标的分布；（3）在何处找到粒子的概率最大？解：（1）根据归一化条件有由此得归一化常数为7/17/2023（3）很显然，由上式知x=0处概率密度最大。此时有：

（2）粒