原子物理课件.ppt

1、 教 学 为 本 ，质 量 立 校。 博学而笃志，切问而近思。玻尔氢原子理论1.量子物理的诞生迈克尔逊-莫雷实验黑体辐射紫外灾难19世纪末在西欧的一次新年聚餐会上开尔文致辞时说，整个物理学大厦已经建立起来了，后人只不过对这座大厦做些修修补补的工作而已。在物理学家庆幸物理学大厦竣工的同时，开尔文曾忧心忡忡地讲，在晴朗的物理学天空中还漂浮着两朵令人不安的小小乌云。然而就是这两朵乌云酿成了物理学的暴风骤雨，导致了近代物理的诞生！一、背景知识（1）普朗克黑体辐射理论解决了黑体辐射的紫外灾难问题 黑体是由带电的线性谐振子所组成，这些谐振子的能量是不能连续变化的，只能取一些分立值,这些分立值是最小能量 0

2、 的整数倍，即 0 , 20、 3 0 称为谐振子的能级。频率为的谐振子的最小 能量 0 =h 称为能量子。黑体在辐射和吸收能量时是以能量子的形式进行的。 1900年12月14日，在柏林德国物理学的一次会议上报告了他的成果，这一天被定为量子论的生日。1918年获诺贝尔物理学奖。1900年定为量子诞生之年。（2）爱因斯坦光量子假设）爱因斯坦光量子假设解释和说明光电效应的实验规律光的辐射也是一束一束地聚集成量子的形式存在的，它们以能量子的形式在空间传播，在真空中以光速运行。在光与物质相互作用时，它们一束一束地被发射和吸收。频率为 的单色光其一束的能量为 ，这一束称为光量子，简称光子。hE学习指导：

3、1.简述黑体辐射的实验规律和普朗克量子化假设的内容，并导出普朗克黑体辐射公式.2.试用爱因斯坦光量子假设解释光电效应的实验规律.1905年时的爱因斯坦，当年时的爱因斯坦，当时是他的多产时期。时是他的多产时期。1921年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。2. 卢瑟福原子有核模型19091909年汤姆逊的年汤姆逊的学生学生卢瑟福卢瑟福通过通过实验否定了汤姆实验否定了汤姆逊模型逊模型, ,建立了卢建立了卢瑟福原子模型瑟福原子模型。卢瑟福（18711937）新西兰人，历任加拿大麦吉尔大学、英国曼彻斯特维多利亚大学教授、剑桥大学卡文迪许实验室主任、英国皇家学会会长。1902年获诺贝尔化学奖。 按照卢

4、瑟福原子模型电子绕核运动，有加速度，将向外释放电磁能量，半径减少，最后沿一条螺旋线坠落到原子核上，原子将坍塌，成为不稳定的体系，原子光谱是连续谱。事实上原子是稳定的，原子光谱是线状谱。 这与实验不符. 经典物理遇到了困难！经典物理无法作出解释！？ 经典物理无法解释原子稳定性问题！2. 氢原子光谱实验规律 线状光谱 五个线系：赖曼系、巴尔末系、帕邢系、布喇开系和普芳德系等 谱线的波数归结为广义巴尔末公式 氢原子光谱项 并合原则学 习 指 导原子光谱是线状谱？广义巴尔末公式中的正整数代表了原子内部哪些信息？ H6563H H H4861 4341 4102巴尔末线系的前巴尔末线系的前4条谱线条谱线

5、波长埃氢原子光谱的实验规律 以氢原子为例，经典电动力学认为，原子的发光频率等于电子绕原 子核运动的运动频率或基频的整数倍. 事实上氢原子光谱是线状谱，分五个线系. 经典物理无法作出解释 ！ 为什么？经典物理无法解释原子发光问题！ 玻尔(N. H. D. Bohr,1885-1962) 哥本哈根大学哲学博士,曾赴英深造,回国后任哥本哈根大学教授及理论物理研究所所长,丹麦原子能委员会主席, 丹麦皇家科学院院长.1913年提出氢原子结构和氢光谱理论,稍后又提出“对应原理”,对量子论和量子力学的建立起到了重要作用.1927年提出“互补原理”.在原子核反应理论及解释重核裂变有突出贡献.曾提出核的液滴模型

6、和复合核的概念.1922年获诺贝尔物理学奖.以他为首的哥本哈根学派对量子力学作出了与爱因斯坦和薛定谔等人不同观点的基本解释.著有光谱和原子构造理论和原子论和自然界的描述等著作.巴斯德巴斯德说： 在观察的领域中机遇只偏爱那种有准备的头脑。爱因斯坦爱因斯坦说：想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。一、玻尔基本假设量 子 史 话1900年普朗克发表了著名的量子假说，但当时很少有人注意他的文章，更不用说理解它了，就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纳入经典轨道。可是，爱因斯坦却

7、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是“迷失了方向”。可是，当时年仅28岁的丹麦物理学家N.玻尔却创造性地把量子的概念用到了人们持怀疑的卢瑟福原子结构模型，连续发表了三篇关于原子结构和光谱的文章，解释近30年的光谱之迷。 江泽民说： 创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。1.实验基础原子光谱的实验规律卢瑟福原子的核式结构模型普朗克黑体辐射理论和爱因斯坦的光量子假说.自学指导：1.简述氢原子

8、光谱的实验规律.2.卢瑟福原子的核式结构模型提出的实验依据是什么？3.简述普朗克量子化假设和爱因斯坦的光量子假说2.玻尔基本假设定定态态假假设设原子中存在一系列不连续的稳定状态,简称定态。这些定态各与一定的能量E1,E2相对应，在这些定态下，电子虽作加速运动，但不向外辐射能量。频频率率条条件件jiEEh原子从一个能量Ei的定态跃迁到能量Ej的定态时，会发出（或吸收）一个光子，这个光子的频率满足下列关系：恩格斯说：只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。 圆轨道量圆轨道量子化条件子化条件处于定态时，电子绕核运动的角动量, 必须满足:, 3 , 2 , 1,2nnhnmvrP学学 习习 指指

9、导导定态假设回答了原子的哪些问题？（原子稳定性）频率条件回答了原子的哪些问题？（原子发光）二、玻尔的氢原子圆轨道理论二、玻尔的氢原子圆轨道理论1.物理模型物理模型原子核不动，电子绕核作匀速率圆周运动电子与核之间的作用遵守库仑定律，电子的运动遵循牛顿运动定律2.轨道半径的量子化(1) , 3 , 2 , 1,2nnhnmvrP(2) 42022rZervm 爱因斯坦说：数学方法的应用往往是一门科学从描述性科学发展成为“精确科学”的杠杆和桥梁。二式联立,求得轨道半径和速度分别为 ,2, 1,444222022220nmZenmZenhrnncnccenchcevnZZ4Z4202021371102

10、9735. 74302cencnccenchcevnZZ4Z420202轨道半径轨道半径 , 2 , 1 ,21nZnarn玻尔第一轨道半径玻尔第一轨道半径o1022022201A0.529 m10529.0 444memehan=1n=2n=3n=4n=5n=6核氢原子中电子轨道图氢原子中电子轨道图？氢原子中电子处n=1,2时的轨道半径和速度各是多少？（2001年山师大考研题）3.氢原子能级 设电子处原子之外时，体系的电势能为零. 原子核静止，其动能为零 原子的能量即为电子的动能和势能之和，即2022421nnnnnrZemvUTE根据20224nnnrZervm氢原子的能级公式)(6.13

11、 2)4()4(222222220422220422eVnZnhcRZnemZhnemZEn14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 03 2 电离连续区 氢原子能级图 能量(ev)14学 习 指 导什么是基态、激发态和电离态？随着什么是基态、激发态和电离态？随着n的增加相邻能级间隔发生怎样变化？的增加相邻能级间隔发生怎样变化？氢原子能级图三、实验验证之一：解释氢原子光谱1.广义巴尔末公式的推导原子在两个定态之间跃原子在两个定态之间跃迁时发出光子的：迁时发出光子的：里德伯常数的理论值里德伯常数的理论值EnEmh2.氢原子光谱成因能级之间跃迁n=1n=2n=3n=4n=5

12、n=6核赖曼系（紫外线）布喇开系普芳德系巴耳末系HHHH帕邢系（红外线）根据玻尔理论可知，氢原子光谱是电子在不同轨道之间跃迁产生的.能级和轨道存在一一对应关系3.连续谱的产生非量子化轨道跃迁 自由电子被原子核俘获，进入量子数为n的轨道，发出光子的能量为 （1）自由电子的动能可连续变化 （2）实验中有大量氢原子参与 结论：电子的非量子化轨道跃迁产生连续谱学习指导：1.为什么在实验中能观察到包括连续谱在内的全部谱线？2.当氢原子从第二激发态返回基态时，能发出多少条谱线？它们各属于哪些线系？画出能级跃迁图？ 结论：玻尔理论可以解释氢原子光谱的形成,说明玻尔理论是正确的! 里德伯常数的理论值和实验值（

13、RH=10967758m-1）的前四位有效数字完全相同. 由玻尔理论可以推出氢原子广义巴尔末公式， 氢原子的光谱项与能级存在一 一对应关系，最大的光谱项对应最低的能级，其关系为 学习指导：1.导出广义巴尔末公式，说明光谱项的物理意义.2.利用里德伯常数或光谱项表示氢原子的能级。实验验证之二：夫兰克-赫兹实验实验装置实验装置 4.1 4.9 4.9 4.9I 0 5 10 15 20VKGABCD1915年由夫兰克和赫兹完成，结论：夫兰克-赫兹实验直接证明了原子内部确实存在能级。学习指导：简述夫兰克赫兹实验，说明其对量子理论发展作的贡献，给出实验的大致数据.（2000年华东师大考研题）四、玻尔理

14、论的地位、缺陷1.玻尔理论的意义 第一次把量子的概念引入了原子领域（1913年连续发表了三篇关于原子理论的文章伟大的三部曲） 原子定态的概念至今有效 辐射频率法则解释了近30多年的原子发光之迷，说明了氢原子光谱五线系的成因，预言了类氢原子光谱 玻尔理论是由经典力学向量子力学过渡的桥梁 古之立大志者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。 苏 轼2. 玻尔理论的缺陷 量子化假设是人为施加的，没有理论基础 它是建立在经典物理的基础上的，带有浓厚的经典物理的色彩（如轨道的概念等）. 由于微观粒子具有波粒二象性，所以它不能完全描述微观粒子的性质和运动 对原子光谱线的强度、宽度、干涉、衍射和偏振无法做出说

15、明韦斯科夫说： 什么是模型？模型就是奥地利的火车时刻表。奥地利的火车经常晚点，乘客问列车员：“你们干吗还要时刻表？”列车员回答：“有了时刻表，你才知道火车的晚点呀！”3.量子物理学展望 在理论研究进展继玻尔理论之后，由薛定谔、海森堡等物理学家建立了描述微观粒子的量子力学。从量子力学基本原理出发所给出的许多结论，都与实验结果相符合。量子力学现已在材料、化学、生物、微电子学和天文星际大分子等各个学科研究领域获得广泛应用，并取得了丰硕成果。它与相对论一起构成现代物理学的两大基石。近年来，在量子力学及其相关领域的研究极为活跃，并取得了重要进展。例如，量子的非定域性得以肯定，实现了纠缠相干态的制备，成为

16、量子力学中最基本的物理图象之一，形成了量子信息和和量子密码等新兴的量子信息学科，为量子计算机的研究提供了理论依据。境自远尘皆入咏，物含妙理总堪寻。清 乾 隆小 结 掌握玻尔基本假设的实验基础和假设内容。 重点掌握玻尔圆轨道理论，记住并熟练导出氢原子的电子轨道半径和原子能级公式。 熟练运用玻尔理论解决类氢原子。 熟练导出广义里德伯公式，正确解释氢原子光谱的成因。 了解玻尔理论的地位、缺陷和量子物理发展的前沿。杨福家说： 成功的教学必须诱发问题：听了课，读了书，只感到“听得舒服，读来就懂”是不够的，真正的收获还应该反映在有没有产生新的问题。课 外 练 习1. 试求氢原子的第一激发能和基态的电离能.2.电子以速率v垂直射入匀强磁场B中，试用玻尔理论求电子运动的轨道半径和能级.（南京大学考研题）3.计及原子核的运动，试利用玻尔理论导出氢原子中电 子和核的距离公式和氢原子的能级公式。杨福家说：我们特别鼓励同学们经常地相互讨论，勇于提出问题，共同创造一个浓厚学术气氛的学习环境课外自学参考书目 原子物理学（楮圣麟）：玻尔的氢原子理论和关于原子的普遍规律 原子物理学（杨福家）：原子的量子态 玻尔模型杨福家说：所谓智能，是指人们运用知识的才能；培养智能，主要是培养自学能力、思维能力、表达能力、研究能力和组织管理能力。知识的增长必然孕育着新问题的产生。 谢 谢