16量子基础-2解析

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,*,爱因斯坦方程,低能,光子与,束缚电子,发生相互作用，打出一个,光电子,逸出功,普朗克常数,1,、,黑体辐射,2,、光电效应,回忆,1900,年,1905,年,光有波粒二象性。,能量:,动量:,光子的质量:,X射线被物质散射，散射光中局部波长变长的物理现象。,16.3,康普顿散射,1 试验装置示意图:,X,射线波长在 0.1nm 量级;X光子能量约 10,4,eV,量级,0,0,探测器,0,X,光管,光阑,散射物体,散射线中有两种波长,0,、,，,随,散射角,的增大而增大。,散射物体不同，,0,、,的强度比不同。,2 试验结果,经典物理的解释,经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射.,电子受迫振动,同频率散射线,放射,单色电磁波,照射,3,光子理论的解释,能量、动量守恒,(1),入射光子与外层电子弹性碰撞,外层,电子,受原子核束缚较弱,动能,光子能量,近似自由,近似静止,静止 自由 电子,电子的康普顿波长,其中,光子和外层电子碰撞，波长变长。,(2)X,射线光子和原子内层电子相互作用,光子质量远小于原子，碰撞时间子不损失能量，波长不变。,自由电子,0,0,0,内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。,原子,光子,内层电子,外层电子,波长变大的散射线,波长不变的散射线,结论,波长变化：,强度变化：,波长,0,轻物质（多数电子处于弱束缚状态）,弱,强,重物质（多数电子处于强束缚状态）,强,弱,吴有训试验结果,我国科学家吴有训博士在这项工作中作出过精彩奉献。,19191922年试验觉察，1923年作出解释，1927年获诺贝尔奖。,例 0 =0.02nm 的X射线与静止的自由电子碰撞,假设从与入射线,成900的方向观看散射线。,求,(1)散射线的波长,;(2),反冲电子的动能;(3)反冲电子的动量。,解,(1),散射,线的波长,:,(2),反冲电子的动能:,(3),反冲电子的动量：,小结：康普顿效应,X,射线波长在 0.1nm 量级 X光子能量约 10,4,eV,量级,高能,光子,与,自由电子,发生完全弹性碰撞,碰撞过程 能量守恒，,动量守恒,康普顿公式,16.4,玻尔的氢原子理论,记录氢原子光谱的试验原理图,氢放电管,23 kV,光阑,三棱镜,或光栅,光,源,氢原子线状光谱,摄谱仪,原子光谱是原子构造的反映,因此,争论原子构造可从争论原子光谱入手。,一、氢原子光谱规律：,1,、氢原子光谱规律：,1853，瑞典物理学家安斯探测到4条氢原子光谱线可见光区,瑞士科学家巴耳末觉察它们的波长有简洁的规律：,巴尔末公式,巴尔末,预测,公式对 的整数都成立，即,氢谱线还有,其它谱线存在,，并满足同一规律。,1885,，氢谱线已观测到14条,氢,光谱是分立的,线状谱,1890,瑞典物理学家,里德伯,给出氢原子光谱(,波数,),公式:,1885，瑞士科学家巴耳末觉察(波长)存在简洁的规律：,巴尔末公式,波数,里德堡常数,k=1(n=2,3,4,)谱线系 莱曼系1906年紫外区,k=2(n=3,4,5,)谱线系 巴耳末系1885年可见光区,k=3(n=4,5,6,)谱线系 帕邢系1908年红外区,k=4(n=5,6,7,)谱线系 布喇开系1922年近红外区,k=5(n=6,7,8,)谱线系 普丰德系1924年远红外区,R,H,=1.0967757610,7,m,-1,葡萄干布丁模型,2,关于原子模型：,(1)汤姆逊的原子模型(1897年觉察电子),(2)卢瑟福的“原子核式构造”模型(1911年),全部正电荷Ze都集中在原子中心一个特殊小的体积内(线度不超过10-15m)构成原子核,电子绕核运动。-行星模型,原子核体积小,质量大.,+,-,依据经典电磁理论，绕核作圆周运动(变速运动)的电子将不断向外辐射电磁波,则,+,应放射连续光谱,原子应不稳定,+,与,线状谱,不符,但事实是,原子很稳定,玻尔18851962，丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人，量子物理学的奠基者之一。1922年,荣获诺贝尔物理学奖,(3),行星模型的鉴赏家-玻尔,在玻尔争论所成立的头10年里，共有17个国家的63位物理学家来此争论。,在玻尔担当所长的40年中，共培育了10多位诺贝尔奖获得者。,公正、自由、合作的争论气氛和深厚的学术气氛。,独特的争论风格,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，他答复说：“由于我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢”。,2 跃迁假设,1 定态假设,v,原子系统只能处在一系列不连续 的能量状态中E1、E2、E3、;,3轨道角动量量子化假设,原子从一个定态,跃迁,到另一定态，会发射或吸收频率为 的一个光子,在这些状态中，电子绕核转动不辐,射能量，这些状态称稳定状态定态,二、玻尔的氢原子理论,1.,玻尔假设(1913年),r,2,=4,r,1,r,2,=9,r,1,r,向心力是库仑力,结合角动量量子化得,第,n,个定态的轨道半径为,第一轨道半径-玻尔半径,(1),轨道半径量子化：,n=1,时,2.,玻尔的计算,n=2,时,r,2,=4,r,1,r,2,=9,r,1,r,(2),能量量子化,n=1,基态能量,(3)里德堡常数(与试验比照),当时试验测得,其中计算得到,由于假定原子核静止！,n=1,n=2,n=3,n=4,n=,n=1,n=2,n=3,n=4,能级跃迁，放出,hv,nk,=,E,n,E,k,一样下能级的各跃迁谱线构成一个线系,能级与轨道相对应,局部允许的轨道与对应的能级,基态能级,第一激发态能级,电离,3.,玻尔对氢原子光谱线系的解释,E,n,(,eV,),氢原子能级图,莱曼系,k=1,巴耳末系,k=2,帕邢系,k=3,布拉开系,k=4,-13.6,-1.51,-3.39,0,n,=1,n,=2,n,=3,n,=4,n,=5,n,=6,外界做功10.21 eV,基态原子能激发到什么能级?,问题:,把电子从基态电离,需外界做多少功?,莱曼系最大波长和最小波长分别多少？,紫外区,线系的最短波长，即线系极限波长，对应取,n,=,最长波长,依据玻尔Bohr理论，在原子内存在一系列分立的能级.,三.弗兰克 赫兹试验,1914年,夫兰克和赫兹Frank-Hertz,德国物理学家),进展了电子轰击汞原子的试验，,证明白原子内部的能级确实是分立的。,1925年获诺贝尔物理学奖.,电子由阴级K发出，,K与栅极G之间有加速电场，,G与接收极A之间有减速电场。,充汞原子蒸汽,试验装置示意图,Hg,Hg,Hg,Hg,此时电子与汞原子碰撞后再加速获得的能量缺乏以抑制反向电场作功到达A极,此时电子的能量可以与汞原子发生次非弹性碰,撞，碰撞时把能量传给汞原子,这些电子不能到达,A,极,此时电子的能量,汞原子,从基态激发到第一激发态的激发,能,电子与汞原子碰撞时,能量传给汞原子,碰撞为,非弹性碰撞,此时电子的能量汞原子从基态激发到第一激发态的激发能,电子与汞原子碰撞时，汞原子不吸取能量，其碰撞为弹性碰撞,光谱试验可知，汞原子第一激发态比基态的能量高.9eV,结果说明：,1914年的试验虽然证明白原子内部能量确实是量子化的，但只得到汞原子的一个量子态 4.9ev。缘由是试验装置存在缺陷，电子的动能难以超过4.9ev,这样就无法使汞原子激发到更高的能态.,1920年，夫兰克改进了原来的试验装置，把电子的加速与碰撞分在两个区域内进展，电子可获得高的加速动能，从而得到了汞,原子内一系列的量子态。,弗兰克 赫兹试验的改进,图改进后的试验装置,弗兰克 和赫兹因觉察电子和原子的碰撞规律,共同共享了1925年度的诺贝尔物理学奖.,从而得到了汞,原子内一系列的量子态。,玻尔理论对科学进展的奉献,局限性,(1),只能解决氢原子和,类氢离子,的问题。,(2),完全没涉及谱线的强度、宽度等特征。,(3)以经典理论为根底,是半经典半量子的理论。,四、对玻尔理论的评价：,定态能级观点解决了电子绕核运动的稳定性，支持了原子核式构造模型。,2解释了氢原子光谱线系的形成缘由。,3理论导出里德堡常数，计算得出氢原子的大小和电离能。,1922,年,玻尔荣获,诺贝尔,物理学奖,思考题,当氢原子被激发到 n=4的能态时，可能放射几种频率的光？,如图，可能放射6种频率的光。,n=,n=1,n=2,n=3,n=4,16-43 氢原子光谱的巴耳末线系中，有一光谱线的波长为434 nm，试求：,1与这一谱线相应的光子能量为多少电子伏特？,2该谱线是氢原子由哪个能级到哪个能级跃迁产生的？,3处于第四激发态的大量氢原子，最多可以放射几个线系，共几条谱线？在氢原子能级图中表示出来，并说明波长最短的是哪一条谱线,计算题 235页,解 1光子能量,由于该谱线是属于巴耳末线系，其,2该谱线是氢原子由哪个能级到哪个能级跃迁产生的？,（处于第四激发态（）的大量氢原子，可以发射四个线系，共10条谱线，能级跃迁图如下图所示。),3处于第四激发态的大量氢原子，最多可以放射几个线系，共几条谱线？在氢原子能级图中表示出来，并说明波长最短的是哪一条谱线,波长最短的是赖曼系中由能级,n=5,跃迁到能级,n=1,的谱线。,n,=1,n,=2,n,=3,n,=4,n,=5,3轨道角动量量子化假设,2 跃迁假设,1 定态假设,玻尔假设,一.氢原子光谱的规律,二.玻尔氢原子理论,氢原子能级公式,及能级图,轨道,半径,小结,波数,1.,氢原子光谱规律:,分立线状谱.,作业,:,计算题16-34,35,16-40,16-41,选择题16-4,5,9,10,23,思考题：16-5，6,