原子物理学课件第1-3章.ppt

,参考书：褚圣麟，苟清泉，谷建中，杨福家 原子物理学,绪 论,1.发展史及研究内容,物理学是研究物质世界中物体运动的最一般规律和物质,物质世界按其尺度的大小,可分为,宇观,宏观,微观,原子的概念两千年前就提出了,而我们学习的原子物,基本结构的学科.,理学,即建立在科学基础上的原子学说,则是从20世纪初才,开始形成的一门学科(属于近代物理)。,“原子”一词来自希腊文，意思是“不可分割的”。在公元前4世纪，古希腊哲学家德漠克利特(Democritus)提出这一概念，并把它看作物质的最小单元。,在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一些定律，如：,定比定律：,元素按一定的物质比相互化合。,若两种元素能生成几种化合物，则在这些化合物中，与一定质量的甲元素化合的乙元素的质量，互成简单整数比。,倍比定律：,在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原子学说，他认为:,1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成；,2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不同元素的原子，质量也不相同；,3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按 几种不同的比率化合成几种化合物的分子。,1885年，巴尔末发现氢原子光谱系规律,1887年，赫兹发现光电效应,1895年，伦琴发现X射线,1896年，贝克勒耳发现放射性,1897年，汤姆逊发现电子,1900年，普朗克黑体辐射理论,1911年，卢瑟福原子模型,1913年，波尔氢原子理论,光谱学的发展,原子物理的研究内容：,（1）原子.分子结构.性质.运动规律及相互作用。,（2）以及由此如何决定物体宏观性质等问题.,重点：单（价）电子原子 双价电子原子,第一 章 原子的基本状况,1 原子的质量与大小,要求：质量、体积大小的数量级如何换算，如何测定？,质量的换算：某原子实际质量,体积的测定：方法有三。,个,原子半径数量级：,(自学),电子的发现,电子的发现并不是偶然的，在此之前已有丰富的积累。,1811年，阿伏伽德罗（A.Avogadno）定律问世，提出1mol任何原子的数目都相同。,1833年，法拉第（M.Faraday）提出电解定律，1mol任何原子的单价离子永远带有相同的电量-即法拉第常数。,1874年，斯迪尼（）综合上述两个定律，指出原子所带电荷为一个电荷的整数倍，这个电荷是斯迪尼提出，用“电子”来命名这个电荷的最小单位。,1897年，汤姆逊（）发现电子：通过阴极射线管中电子荷质比的测量，汤姆逊（）发现了电子的存在。,1、模型的提出：,散射实验装置,实验现象：,2 原子的有核模型 卢瑟福 粒子的大角散射,汤姆逊(Thomson)模型认为,原子中正电荷均匀分布在原子球体内，电子镶嵌在其中。原子如同西瓜，瓜瓤好比正电荷，电子如同瓜籽分布在其中。,电子分布在分离的同心环上，电子在各自的平衡位置附近做微振动。因而可以发出不同频率的光，而且各层电子绕球心转动时也会发光。这对于解释当时已有的实验结果、元素的周期性以及原子的线光谱，似乎是成功的。,汤姆孙模型,汤姆逊模型中，a粒子受力最大是在球表面时,不可能形成大角散射,卢瑟夫有核模型,2、粒子散射理论,（1）库仑散射公式,b瞄准距离,散射角,推导：假设条件,（1）单次散射（2）靶核不动（3）只有库仑力（4）电子作用忽略,正电荷分布在10-14-10-15m,讨论：,b越小,ctg越小,则越大 即越靠近靶核,散射 越大。,2)若靶核较轻，核运动 不可忽略 则把整个运动 放在质心坐标系中,变 为c,（2）卢瑟福公式,db,R,打在 bb+db上,散射截面：,b,dR,r,卢瑟福公式,散射到 之间的那么个立体角 之内 的粒子所对应的一个原子的有效截面d。,设：靶的面积为A，厚度 t 很小（前后不遮蔽）单位体积内原子数为N。,对每个原子有一个-d,总有效散射面积-,问题:,意义：,靶子共有原子总数是,则一个 粒子被散射到 内的几率：,有n个粒子打在靶上,3.卢瑟福理论实验验证,进行了4个实证：,当n,M,v(同一 源)一定,N,t,z(同一散射体）一定时，改变 有,当n、M、v、N、A、t一定，改变靶材料,z变，则,当n、M、v、N、z、一定，改变 t，则有,当N、t、z、一定，改变v，则有,变,变 t；,变 v；,变 z；,理论与实验的吻合证明了卢瑟福假设,4.原子核大小的推断,通过a粒子与原子核之间的最小距离，判断原子核半径的上限,有心力场中，角动量守恒,5.对a粒子散射实验的说明,（1）散射截面的问题,（2）大角散射和小角散射的问题,（3）核外电子的问题,1原子光谱研究原子结构的重要途径之一,一.光谱记录与分析,光谱：光源所发出的所有波长成分的集合,分光：,角位置决定谱线,谱线分析：,根据谱线位置分析确定光源光波的成分,二.光谱分类,线状谱,带状谱,连续谱,原子谱.,分子谱,固体.如;白炽灯,三.发射谱与吸收谱,一般发射谱与 吸收谱相同。,第二章 原子能级与辐射,如:钠灯,2.氢原子光谱规律,一.巴尔末系-氢原子可见光谱规律及经验公式,实验规律：,波数：,线系限,二、H原子的其它线系,赖曼系,帕邢系,布喇开系,普丰德系,一般式,紫外,近红外,中红外,远红外,H光谱共同特点：,（1）分离谱,（2）同一系中谱线间有严格的规律，同时有线系限 n增大 减小 减小到 min,（3）不同线系间也有一定规律,光谱项：,（1）原子光谱是线状分离谱,（2）各谱线的波数有严格的关系(线系),例：,三、原子光谱的规律,1.玻尔理论的三个基本假说,原子只能处于某些分立的,不连续的能量状态,每一能态对应一轨道电子不辐射,不吸收.能量稳定,2)量子假设:,原子由一个定态跃迁到另一定态时，将辐射 电磁波，电磁波的频率由下式决定:,n=1,2,3.,1)定态假设：,3)频率假设：,3 玻尔氢原子理论,2、玻尔理论H原子电子轨道半径：rn,两式联立,第一玻尔半径,3、H原子能量En 能级公式,氢原子的能量=这一带电系统的静电势能和电子动能之和,结论：只有束缚态的电子的能量才有能量量子化特征。,4.波数公式,吻合,巴尔末系,赖曼系,布拉开系,珀邢系,5.H能级图与轨道图 跃迁图,+e,玻尔理论对H光谱的解释,波数公式：,吻合的意义：,（1）H光谱实验证明玻尔理论正确性。,（2）反之，玻尔理论给里德堡经验公式 清晰物理图象及意义。,注：第一激发电势：从基态向第一激发态跃迁所需电势,6.非量子化的状态和连续光谱,当电子距离原子核很远时，势能为0，总能等于动能，为正,从非量子化轨道向量子化轨道跃迁时，放出光子,注：波尔理论的基础,（1）光谱的实验资料和经验规律（2）原子核式结构（3）普朗克的量子论,作业：p76-1;3;8答案：T31025；1215；6563；,4 玻尔理论在类H离子中的应用,一、类 H离子的 rn、En、理论公式：,类H离子：-结构与H相同的离子,二、类H离子光谱及理论解释,1、He+光谱,1897年 毕克林 He+谱如图,里德堡推出经验公式：,2、He+理论,结论：He+谱毕克林系理论与实验吻合的好 问题：理论与实验有误差，谱线不重合，为什麽？,三、原子核运动效应R变,核不动：,修 正：,系统角动量,折合质量取代了m,折合质量取代了m,讨论：,可推算M，历史上测定重氢氘的存在,5 夫兰克赫兹实验-从能量吸收证明原子内量子态的存在,实 验,原理,一.,装置,实验现象,结果：,讨论分析,（1）汞有一个=4.9ev的量子态。,（2）光谱解释,证明了原子内部确有分立能态存在。,结论：,A,热阴极,K,G1,栅极,A 接收极,汞原子,V2,G2,较高激发电势的测量,亚稳态的存在,2.电离电势的测定,6 量子通则,与索末菲电子椭圆轨道,一、玻尔量子条件另一形式,同一轨道：,二、索末菲推广量子条件量子通则,其中，广义动量 是自变量为i的动量 广义坐标i是动量相应的变量。,量子通则,有几个自由度 就有几个量子条件 和几个量子数,三、量子论推导量子通则,辐射源的线振子的能量,线振子的位移,线振子的速度,量子通则,三.电子的椭圆轨道运动的长短半轴量子条件公式,椭圆轨道量子条件：,结论:电子只能在满足以上条件的量子轨道上运动,a、b不是任意的。,四.椭圆轨道原子能级公式,原子的动能：,原子的势能：,n相同的n个轨道能量相同，称为n重简并,7椭圆轨道原子能级公式、长短轴公式,原子的动能：,原子的势能：,原子总能量：,五.相对论效应的影响,由于电子在椭圆轨道中做变速率运动，其轨道不闭合。,由相对论效应：,对轨道能量有微小影响,作业：p76-4;5;7答案：T72437.5；,