大學(xué)物理原子及微觀粒子性質(zhì)

1第五章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)★

原子結(jié)構(gòu)的近代概念★

多電子原子的電子分布方式和周期系★

化學(xué)鍵與分子間相互作用力★

晶體結(jié)構(gòu)25.1原子結(jié)構(gòu)的近代概念一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

從小家境很窮，少年時(shí)代自學(xué)，12歲在鄉(xiāng)村學(xué)校教書(shū)；自學(xué)數(shù)學(xué)、哲學(xué)、希臘文、法文和拉丁文等；27歲移居曼徹斯特，從此，這個(gè)沒(méi)有受過(guò)高等教育的人開(kāi)始在大學(xué)里講授數(shù)學(xué)和哲學(xué)；1816年當(dāng)選法國(guó)科學(xué)院通訊院士，1822年成為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員；道爾頓一生大量的工作就是觀察天氣，他一生記錄了20萬(wàn)條觀察記錄。1801年總結(jié)出氣體分壓定律；1803年發(fā)表化學(xué)原子論，認(rèn)為元素是由非常微小的、看不見(jiàn)的、不可再分割的原子組成；3一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

1885年天然放射性1897年電子1895年X射線物理學(xué)上三大發(fā)現(xiàn)湯姆遜(Thomson，JosephJohn)(1856~1940)英國(guó)物理學(xué)家1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)貝克勒爾(Becquerel，AntoineHenri，1852~1908)法國(guó)物理學(xué)家，1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)倫琴(WilhelmKonradRontgen)(1854~1923)德國(guó)物理學(xué)家1901年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1.19世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)4一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

出生于新西蘭，畢業(yè)于新西蘭大學(xué)和劍橋大學(xué)；1898年任加拿大馬克歧爾大學(xué)物理學(xué)教授，這期間他在放射性方面的研究貢獻(xiàn)很多；1907年任曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授；1908年因?qū)Ψ派浠瘜W(xué)的研究獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1919年任劍橋大學(xué)教授，并任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任；1909年他指導(dǎo)他的兩個(gè)學(xué)生做了著名的實(shí)驗(yàn)：用粒子轟擊金箔，從而提出含核原子模型：原子核帶正電，位于原子中心，電子在它的周圍旋轉(zhuǎn)，于1911年發(fā)表。2.原子的含核模型(1911年)盧瑟福(ErnestRutherford)(1871-1937)英籍新西蘭物理學(xué)家

5一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

1911年獲哥本哈根大學(xué)博士學(xué)位后開(kāi)始研究金屬中電子運(yùn)動(dòng)的理論；1911年進(jìn)入劍橋大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)深造，并結(jié)識(shí)了良師益友盧瑟福；玻爾大膽地把盧瑟福的模型和普朗克的量子理論結(jié)合起來(lái)，把原子只用于能量的量子概念推廣的到角動(dòng)量，創(chuàng)立了量子化軌道原子結(jié)構(gòu)理論；為以后各種物理量的量子化打開(kāi)了大門；1913年初，玻爾提出了他著名的原子理論，這個(gè)理論隨即被用于分析各種譜線，獲得了巨大的成功；因他對(duì)原子結(jié)構(gòu)模型的研究成果，他獲得了1922年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。3.原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型(1913年)玻爾

(NielH.D.Bohr)(1885-1937)丹麥物理學(xué)家4.原子結(jié)構(gòu)的波動(dòng)力學(xué)方程(1926年)－薛定諤方程6二.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性(1)光的波動(dòng)性(2)光的微粒性(1900年)Plank公式：E=hv光的能量與頻率的關(guān)系普朗克認(rèn)為,物體只能按hv的整數(shù)倍(如1,2,3等)一份一份地吸收或釋出光能,而不可能是0.5,1.6,2.3等任何非整數(shù)倍－能量量子化概念。h為普朗克常數(shù)，h=6.626

10-34J·s-1普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck)(1858~1947)德國(guó)物理學(xué)家1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)7(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子學(xué)說(shuō)：E=mc2愛(ài)因斯坦認(rèn)為,入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,并將這一份數(shù)值為1的能量叫光子(photons)。c=

v

hv=mc2=mcv

=h/mc

愛(ài)因斯坦(AlbertEinstein)(1879~1955)德裔美國(guó)科學(xué)家二.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性8二.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性德布羅依(L.deBroglie)法國(guó)物理學(xué)家λ=h/mv體現(xiàn)粒子波動(dòng)性體現(xiàn)粒子粒子性戴維遜

(Davission)美國(guó)物理學(xué)家1927年，美國(guó)Davission和Germeer應(yīng)用Ni晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子具有波動(dòng)性。9電子衍射示意圖定向電子射線晶片光柵衍射圖象L.deBroglie和

Davission等分別獲得1929年和1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)二.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性10電子通過(guò)Al箔(a)和石墨(b)的衍射圖物質(zhì)波或德布羅依波★微觀粒子遵循特有的運(yùn)動(dòng)特征和規(guī)律，即能量的量子化、

波粒二象性和統(tǒng)計(jì)性?！锟臻g任意一點(diǎn)物質(zhì)波的強(qiáng)度與微粒出現(xiàn)的幾率密度成正比。★物質(zhì)波是具有統(tǒng)計(jì)性的幾率波（概率波）。二.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性11核外運(yùn)動(dòng)的電子，已不再遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，它們的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的軌道，只有一定的空間幾率分布，即電子的波動(dòng)性與其微粒行為的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律相聯(lián)系。微粒的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的位置，只有一定的和波的強(qiáng)度成正比的空間幾率分布規(guī)律。波的微粒性電子微粒性的實(shí)驗(yàn)Plank

的量子論Einstein

的光子學(xué)說(shuō)量子力學(xué)(quantum

mechanics)二.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性12二.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性2008年瑞典科學(xué)家首次通過(guò)飛秒激光成功拍攝到了電子運(yùn)動(dòng)的連貫影片。13三.波函數(shù)(Wavefunctions)

(ψ)薛定諤(E.Schrodinger)(1887-1961)奧地利物理學(xué)家1910年獲物理學(xué)博士學(xué)位后在維也納第二物理研究所工作；1921年他受聘到瑞士蘇黎士大學(xué)任數(shù)學(xué)物理學(xué)教授；1926年在德布羅依波粒二象性基礎(chǔ)上，獨(dú)立創(chuàng)立了波動(dòng)力學(xué)，提出了薛定諤方程，確定了波函數(shù)的變化規(guī)律，成為波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人；1927年他接替普朗克任柏林大學(xué)理論物理學(xué)教授，同年當(dāng)選普魯士科學(xué)院院士；1933年，受納粹迫害，離開(kāi)蘇黎士到牛津大學(xué)任物理學(xué)教授，同年和狄拉克一起榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。14三.波函數(shù)(Wavefunctions)

(ψ)1.薛定諤方程空間坐標(biāo)核外電子總能量核外電子的勢(shì)能電子的質(zhì)量

解此方程可得：系統(tǒng)的能量E

，波函數(shù)ψ；ψ是描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式。

方程中既體現(xiàn)微粒性(m)，也體現(xiàn)波動(dòng)性(ψ)；151.薛定諤方程(1)直角坐標(biāo)(x,y,z)與球坐標(biāo)(r,θ,φ)的轉(zhuǎn)換球面坐標(biāo)變換rsi