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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,第,19,章 原子的量子理论,量子力学是研究微,观结构和,微观粒子相互作用及其运动规律,的理论。,2,0,引言,但是量子力学却将它们统一了起来，并且大大地扩充了人们的眼界，量子力学的发展分为两个阶段。,1,旧量子力学时代,1913,年物理学家玻尔（,NBohr,）根据卢瑟福（,Rutherford,）原子模型及氢原子光谱提出了氢原子理论，初步奠定了原子物理基础。,经典物理中要将光看成是电磁波，而光与原子的相互作用中却要将光看成一颗颗微粒,-,这两种图象很难想像能将它们统一起来。,3,2,新量子力学时代,1924,年，德布罗意,(L. V. de Broglie, 1892-1987),提出了波粒二象性，尔后由德国的薛定谔,(E. Schrodinger, 1887-1961,),与海森堡,(W.Heisenberg, 1901,1976),等建立了量子力学。,4,1927,年，量子力学开始应用于固体物理，并导致了半导体、激光、超导研究的发展，此后由此又导致了半导体集成电路、电子、通信、电子计算机的发展，使人类进入信息时代,.,。,19-1,波尔的氢原子理论,量子物理起源于对原子物理的研究，人们从高能粒子的散射实验和原子光谱中获得原子内部信息。,5,6,一,玻尔理论的实验基础,1,汤姆逊葡萄干面包模型,1903,年，汤姆孙提出原子结构模型：原子里面带正电的部分均匀地分布在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球体与带负电的电子二者电量相等，故原子不显电性。,7,2,卢瑟福的核式模型,卢瑟福,1871,年,8,月,13,日出生在新西兰，,1894,年大学毕业，,1895,年到英国剑桥大学学习，成为,J.J.,汤姆孙的研究生。,1908,年卢瑟福荣获诺贝尔化学奖，同年在曼切斯特大学任教，继续指导他的学生进行,粒子散射的实验研究。,卢瑟福的,粒子散射验证了核式模型。,8,+,-,粒子散射,1 / 8000,被反射，,大部分透过。,粒子束射向金箔：,9,原子由,原子核,和,核外电子,构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。,1911,年，卢瑟福提出原子的“,有核结构模型,”,原子的核式模型,核的线度为,10,15, 10,14,m,，原子线度,10,10,m,。,10,二,氢原子光谱的实验规律,2,巴尔末公式,-,瑞士中学教师,1,氢原子光谱,-,里德堡常量,(1),谱线是分裂的，线状的；,(2),原子光谱线的波数由光谱项之差确定。,6562.3,4861.3,4340.5,4101.7,H,H,H,H,11,此后又发现碱金属也有类似的规律。,m,确定那个谱线系,n,确定哪条谱线,m,n,光谱系,区域,日期,1, 2,赖曼（,Lyman,）系,紫外,1906,年,2, 3,巴尔末（,Balmer,）系,可见,1880,年,3,4,帕邢（,Paschen,）系,可见,1908,年,4,5,布喇开（,Brackett,）系,红外,1922,年,5,6,普芳德（,Pfund,）系,红外,1924,年,3,里兹并合原理,光谱项 ：,12,+,1,原子是”短命“的,。电子绕核运动是加速运动必向外辐射能量，电子轨道半径越来越小，直到,掉到,原子核与正电荷中和，这个过程时间,m,16,(2),能量是量子化的,-,能级,+,r,n,M,m,Mm,原子系统的总能量公式：,17,(3),氢原子光谱,(4),当,n,很大时，量子化特征消失，玻尔结果与经典结果相同，,即光谱线连续。,-,见例,1,注意：,原子的,电离能,就是从基态跃进到,n=,大,（,E,n,=0,）状态时所需能量,与实验数据吻合得很好！,18,氢原子的能级和轨道半径：,能 态,n,E/eV,r,n,(nm),基 态,1,13.6,0.053,第一激发态,2,3.4,0.212,第二激发态,3,1.51,0.476,电离状态,0,解释,H,原子光谱,19,(1),轨道是量子化的。,(2),能量是量子化的。,(3),角动量是量子化的。,玻尔氢原子理论,能级图,基态,激,发,态,20,五,氢原子光谱,将,E,n,代入频率条件,对照：,计算值：,实验值：,n,=2,、,3,、,4,导出里德伯常数,经验公式,21,能级图,基态,激,发,态,发射,光谱和,吸收,光谱,2,吸收,光谱：在连续光,谱照射下，原子吸收,光子，明亮背景上出,现了若干暗线,。,1,发射,光谱：原子受激后,又自动,“,退激,”,而自发,发出的辐射。,22,2,局限性,(1),用经典理论推出电子有固定轨道、确定的空间坐标和速度,(2),人为引进量子条件，限制电子运动,(3),只能解释,H,及类,H,原子，也解释不了原子的精细结构。,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）等均无法解释。,(1),定态能级假设与原子的稳定性；,(2),能级间跃迁的频率条件。,(3),能较好地解释氢原子光谱和类氢原子光谱。,六,玻尔理论的成功及局限,1,成功,-,1922,年获诺贝尔奖,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。,23,玻尔其人：,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，为什么能吸引那么多科学家来到他身边工作时，他回答说：“,因为我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢,”。这种坦率和实事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,引力，在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的,结合”,24,例,1,计算,H,原子中电子从量子数,n,的状态跃进迁到,k,=,n,-1,的状态时发射出光子的频率，证明：当,n,足够大时，这个频率就是电子在量子数为,n,的轨道上旋转的频率（经典理论频率）。,解：,当,n,很大时：,k,=,n,-1,25,依经典物理，电子在,n,轨道上旋,转的频率（发射光的频率）为,证毕！,这实质上是,对应原理,的必然结果！,+,r,n,M,m,Mm,当,n,很大时：,26,例,2,用,12.5eV,的电子轰击基态的氢原子。,(1),试确定氢原子所能达到的最高能态；,(2),氢原子由上述最高能态跃迁到基态发出的光子可能的波长为多少？,(3),欲使处于基态的氢原子电离至少用多大能量的电子轰击氢原子？,n,3,(2),可能的跃迁方式,解：,(1),n,=1,n,=2,n,=3,27,3,2,2,1,-,可见光,3,1,28,(3),氢原子电离能,所以至少要,13.6eV,能量的电子。,作业：,练习二十五,
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