原子物理課件

教學(xué)為本，質(zhì)量立校。博學(xué)而篤志，切問而近思。玻爾氫原子理論1.量子物理的誕生邁克爾遜--莫雷實驗黑體輻射紫外災(zāi)難19世紀(jì)末在西歐的一次新年聚餐會上開爾文致辭時說，整個物理學(xué)大廈已經(jīng)建立起來了，后人只不過對這座大廈做些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作而已。在物理學(xué)家慶幸物理學(xué)大廈竣工的同時，開爾文曾憂心忡忡地講，在晴朗的物理學(xué)天空中還漂浮著兩朵令人不安的小小烏云。然而就是這兩朵烏云釀成了物理學(xué)的暴風(fēng)驟雨，導(dǎo)致了近代物理的誕生！一、背景知識（1）普朗克黑體輻射理論—解決了黑體輻射的紫外災(zāi)難問題

黑體是由帶電的線性諧振子所組成，這些諧振子的能量是不能連續(xù)變化的，只能取一些分立值,這些分立值是最小能量0的整數(shù)倍，即0,20、3

0……稱為諧振子的能級。頻率為的諧振子的最小能量0=hν稱為能量子。黑體在輻射和吸收能量時是以能量子的形式進(jìn)行的。

1900年12月14日，在柏林德國物理學(xué)的一次會議上報告了他的成果，這一天被定為量子論的生日。1918年獲諾貝爾物理學(xué)獎。1900年定為量子誕生之年。（2）愛因斯坦光量子假設(shè)—解釋和說明光電效應(yīng)的實驗規(guī)律光的輻射也是一束一束地聚集成量子的形式存在的，它們以能量子的形式在空間傳播，在真空中以光速運行。在光與物質(zhì)相互作用時，它們一束一束地被發(fā)射和吸收。頻率為的單色光其一束的能量為，這一束稱為光量子，簡稱光子。學(xué)習(xí)指導(dǎo)：1.簡述黑體輻射的實驗規(guī)律和普朗克量子化假設(shè)的內(nèi)容，并導(dǎo)出普朗克黑體輻射公式.2.試用愛因斯坦光量子假設(shè)解釋光電效應(yīng)的實驗規(guī)律.1905年時的愛因斯坦，當(dāng)時是他的多產(chǎn)時期。1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎。2.盧瑟福原子有核模型1909年湯姆遜的學(xué)生盧瑟福通過實驗否定了湯姆遜模型,建立了盧瑟福原子模型。盧瑟福（1871——1937）新西蘭人，歷任加拿大麥吉爾大學(xué)、英國曼徹斯特維多利亞大學(xué)教授、劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室主任、英國皇家學(xué)會會長。1902年獲諾貝爾化學(xué)獎。按照盧瑟福原子模型電子繞核運動，有加速度，將向外釋放電磁能量，半徑減少，最后沿一條螺旋線墜落到原子核上，原子將坍塌，成為不穩(wěn)定的體系，原子光譜是連續(xù)譜。事實上原子是穩(wěn)定的，原子光譜是線狀譜。這與實驗不符.經(jīng)典物理遇到了困難?。〗?jīng)典物理無法作出解釋·?。?？?經(jīng)典物理無法解釋原子穩(wěn)定性問題??！2.氫原子光譜實驗規(guī)律線狀光譜五個線系：賴曼系、巴爾末系、帕邢系、布喇開系和普芳德系等譜線的波數(shù)歸結(jié)為廣義巴爾末公式氫原子光譜項并合原則學(xué)習(xí)指導(dǎo)原子光譜是線狀譜？廣義巴爾末公式中的正整數(shù)代表了原子內(nèi)部哪些信息？

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43414102巴爾末線系的前4條譜線波長埃氫原子光譜的實驗規(guī)律以氫原子為例，經(jīng)典電動力學(xué)認(rèn)為，原子的發(fā)光頻率等于電子繞原子核運動的運動頻率或基頻的整數(shù)倍.事實上氫原子光譜是線狀譜，分五個線系.經(jīng)典物理無法作出解釋?。槭裁?？?經(jīng)典物理無法解釋原子發(fā)光問題??！玻爾(N.H.D.Bohr,1885-1962)

哥本哈根大學(xué)哲學(xué)博士,曾赴英深造,回國后任哥本哈根大學(xué)教授及理論物理研究所所長,丹麥原子能委員會主席,丹麥皇家科學(xué)院院長.1913年提出氫原子結(jié)構(gòu)和氫光譜理論,稍后又提出“對應(yīng)原理”,對量子論和量子力學(xué)的建立起到了重要作用.1927年提出“互補(bǔ)原理”.在原子核反應(yīng)理論及解釋重核裂變有突出貢獻(xiàn).曾提出核的液滴模型和復(fù)合核的概念.1922年獲諾貝爾物理學(xué)獎.以他為首的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)作出了與愛因斯坦和薛定諤等人不同觀點的基本解釋.著有《光譜和原子構(gòu)造理論》和《原子論和自然界的描述》等著作.巴斯德說：

在觀察的領(lǐng)域中機(jī)遇只偏愛那種有準(zhǔn)備的頭腦。愛因斯坦說：想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進(jìn)步，并且是知識進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說，想象力是科學(xué)研究中的實在因素。一、玻爾基本假設(shè)量子史話1900年普朗克發(fā)表了著名的量子假說，但當(dāng)時很少有人注意他的文章，更不用說理解它了，就連普朗克本人也不喜歡自己的“量子”。他與很多人一起想把量子納入經(jīng)典軌道?？墒?，愛因斯坦卻認(rèn)真對待這一革命性的觀念。他在提出狹義相對論的同年（1905年）明確提出了光量子的概念。無獨有偶，愛因斯坦的論文同樣不受名人的重視；甚至到了1913年德國最著名的四位物理學(xué)家（包括普朗克在內(nèi)）在一封信中還把愛因斯坦的光量子概念說成是“迷失了方向”。可是，當(dāng)時年僅28歲的丹麥物理學(xué)家N.玻爾卻創(chuàng)造性地把量子的概念用到了人們持懷疑的盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型，連續(xù)發(fā)表了三篇關(guān)于原子結(jié)構(gòu)和光譜的文章，解釋近30年的光譜之迷。江澤民說：創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力。1.實驗基礎(chǔ)原子光譜的實驗規(guī)律盧瑟福原子的核式結(jié)構(gòu)模型普朗克黑體輻射理論和愛因斯坦的光量子假說.自學(xué)指導(dǎo)：1.簡述氫原子光譜的實驗規(guī)律.2.盧瑟福原子的核式結(jié)構(gòu)模型提出的實驗依據(jù)是什么？3.簡述普朗克量子化假設(shè)和愛因斯坦的光量子假說2.玻爾基本假設(shè)定態(tài)假設(shè)原子中存在一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài),簡稱定態(tài)。這些定態(tài)各與一定的能量E1,E2相對應(yīng)，在這些定態(tài)下，電子雖作加速運動，但不向外輻射能量。頻率條件原子從一個能量Ei的定態(tài)躍遷到能量Ej的定態(tài)時，會發(fā)出（或吸收）一個光子，這個光子的頻率滿足下列關(guān)系：恩格斯說：只要自然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說。

圓軌道量子化條件處于定態(tài)時，電子繞核運動的角動量,必須滿足:學(xué)習(xí)指導(dǎo)定態(tài)假設(shè)回答了原子的哪些問題？（原子穩(wěn)定性）頻率條件回答了原子的哪些問題？（原子發(fā)光）二、玻爾的氫原子圓軌道理論1.物理模型原子核不動，電子繞核作勻速率圓周運動電子與核之間的作用遵守庫侖定律，電子的運動遵循牛頓運動定律2.軌道半徑的量子化愛因斯坦說：數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用往往是一門科學(xué)從描述性科學(xué)發(fā)展成為“精確科學(xué)”的杠桿和橋梁。二式聯(lián)立,求得軌道半徑和速度分別為軌道半徑玻爾第一軌道半徑n=1n=2n=3n=4n=5n=6核氫原子中電子軌道圖？氫原子中電子處n=1,2時的軌道半徑和速度各是多少？（2001年山師大考研題）3.氫原子能級設(shè)電子處原子之外時，體系的電勢能為零.原子核靜止，其動能為零原子的能量即為電子的動能和勢能之和，即根據(jù)氫原子的能級公式141312111098765

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電離連續(xù)區(qū)氫原子能級圖

能量(ev)14學(xué)習(xí)指導(dǎo)什么是基態(tài)、激發(fā)態(tài)和電離態(tài)？隨著n的增加相鄰能級間隔發(fā)生怎樣變化？氫原子能級圖三、實驗驗證之一：解釋氫原子光譜1.廣義巴爾末公式的推導(dǎo)

原子在兩個定態(tài)之間躍遷時發(fā)出光子的：里德伯常數(shù)的理論值EnEmhν2.氫原子光譜成因—能級之間躍遷n=1n=2n=3n=4n=5n=6核賴曼系（紫外線）布喇開系普芳德系巴耳末系HHHH帕邢系（紅外線）電子軌道躍遷圖根據(jù)玻爾理論可知，氫原子光譜是電子在不同軌道之間躍遷產(chǎn)生的.能級和軌道存在一一對應(yīng)關(guān)系3.連續(xù)譜的產(chǎn)生—非量子化軌道躍遷自由電子被原子核俘獲，進(jìn)入量子數(shù)為n的軌道，發(fā)出光子的能量為

（1）自由電子的動能可連續(xù)變化（2）實驗中有大量氫原子參與結(jié)論：電子的非量子化軌道躍遷產(chǎn)生連續(xù)譜學(xué)習(xí)指導(dǎo)：1.為什么在實驗中能觀察到包括連續(xù)譜在內(nèi)的全部譜線？2.當(dāng)氫原子從第二激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時，能發(fā)出多少條譜線？它們各屬于哪些線系？畫出能級躍遷圖？結(jié)論：玻爾理論可以解釋氫原子光譜的形成,說明玻爾理論是正確的!里德伯常數(shù)的理論值和實驗值（RH=10967758m-1）的前四位有效數(shù)字完全相同.由玻爾理論可以推出氫原子廣義巴爾末公式，氫原子的光譜項與能級存在一一對應(yīng)關(guān)系，最大的光譜項對應(yīng)最低的能級，其關(guān)系為學(xué)習(xí)指導(dǎo)：1.導(dǎo)出廣義巴爾末公式，說明光譜項的物理意義.2.利用里德伯常數(shù)或光譜項表示氫原子的能級。實驗驗證之二：夫蘭克-赫茲實驗實驗裝置

4.14.94.94.9I

05101520VKGABCD1915年由夫蘭克和赫茲完成，結(jié)論：夫蘭克-赫茲實驗直接證明了原子內(nèi)部確實存在能級。學(xué)習(xí)指導(dǎo)：簡述夫蘭克—赫茲實驗，說明其對量子理論發(fā)展作的貢獻(xiàn)，給出實驗的大致數(shù)據(jù).（2000年華東師大考研題）四、玻爾理論的地位、缺陷1.玻爾理論的意義第一次把量子的概念引入了原子領(lǐng)域（1913年連續(xù)發(fā)表了三篇關(guān)于原子理論的文章—偉大的三部曲）原子定態(tài)的概念至今有效輻射頻率法則解釋了近30多年的原子發(fā)光之迷，說明了氫原子光譜五線系的成因，預(yù)言了類氫原子光譜玻爾理論是由經(jīng)典力學(xué)向量子力學(xué)過渡的橋梁古之立大志者，不惟有超世之才，亦必有堅忍不拔之志。——蘇軾2.玻爾理論的缺陷量子化假設(shè)是人為施加的，沒有理論基礎(chǔ)它是建立在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上的，帶有濃厚的經(jīng)典物理的色彩（如軌道的概念等）.由于微觀粒子具有波粒二象性，所以它不能完全描述微觀粒子的性質(zhì)和運動對原子光譜線的強(qiáng)度、寬度、干涉、衍射和偏振無法做出說明韋斯科夫說：什么是模型？模型就是奧地利的火車時刻表。奧地利的火車經(jīng)常晚點，乘客問列車員：“你們干嗎還要時刻表？”列車員回答：“有了時刻表，你才知道火車的晚點呀！”3.量子物理學(xué)展望在理論研究進(jìn)展繼玻爾理論之后，由薛定諤、海森堡等物理學(xué)家建立了描述微觀粒子的量子力學(xué)。從量子力學(xué)基本原理出發(fā)所給出的許多結(jié)論，都與實驗結(jié)果相符合。量子力學(xué)現(xiàn)已在材料、化學(xué)、生物、微電子學(xué)和天文星際大分子等各個學(xué)科研究領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并取得了豐碩成果。它與相對論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石。近年來，在量子力學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究極為活躍，并取得了重要進(jìn)展。例如，量子的非定域性得以肯定，實現(xiàn)了糾纏相干態(tài)的制備，成為量子力學(xué)中最基本的物理圖象之一，形成了量子信息和和量子密碼等新興的量子信息學(xué)科，為量子計算機(jī)的研究提供了理論依據(jù)。境自遠(yuǎn)塵皆入詠，物含妙理總堪尋?！猍清]乾隆小結(jié)掌握玻爾基本假設(shè)的實驗基礎(chǔ)和假設(shè)內(nèi)容。重點掌握玻爾圓軌道理論，記住并熟練導(dǎo)出氫原子的電子軌道半徑和原子能級公式。熟練運用玻爾理論解決類氫原子。熟練導(dǎo)出廣義里德伯公式，正確解釋氫原子光譜的成因。了解玻爾理論的地位、缺陷和量子物理發(fā)展的前沿。楊福家說：

成功的教學(xué)必須誘發(fā)問題：聽了課，讀了書，只感到“聽得舒服，讀來就懂”是不夠的，真正的收獲還應(yīng)該反映在有沒有產(chǎn)生新的問題。課外練習(xí)1.試求氫原子的第一激發(fā)能和基態(tài)的電離能.2.電子以速率v垂直射入勻強(qiáng)磁場B中，試用玻爾理論求電子運動的軌道半徑和能級