第十六章2量子力学基础.ppt

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1、第十六章（2）量子力学基础,自1897年发现电子并确定电子是原子的组成粒子以后，物理学的中心问题之一就是探索原子内部的奥秘。人们逐渐弄清了原子的结构及其运动变化的规律，认识了微观粒子的波粒二像性，建立了描述分子、原子等微观系统运动规律的理论体系量子力学。量子力学成为当代物理学理论中的一大支柱，有力地推动了一些学科和技术的发展。这里主要介绍量子力学的基本概念和量子力学对原子问题的处理方法。,归坛础忻眺堪虹赊犯忍酋肾鞭殿徐淬咱严踞焚茵蛔宋章沂姚戌焕淀低尹契第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,第一节 玻尔的氢原子结构理论,氢原子光谱的规律性 原子发光是重要的原子现象之一，它反映了原子内部结

2、构或能态的变化。十九世纪发现氢原子有四条可见光谱线。,羞狠原谎玻晴去刚屉帜榨辕叫居配汪黄危够铃盗祖队桐蓉艇氨骤潍记翔拙第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,1885年，巴耳末发现这四条谱线的波长可以用一个简单的公式表示为：巴耳末公式：里德伯常量 分别令 n=3,4,5,6，可计算出四条谱线波长，其计算值与实验值很一致，巴耳末公式反映了原子内部运动的某种规律性。,汇麓怀绞蕉关鲍诅魏怔总荧立韩证漳具乃骋星航剃漳梯匆裳校沮蚜喂盏戮第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,氢原子光谱的规律性,1885年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律,其中,缴诬岂桨茅自阀逝韭佩黑更上憋健刷谭

3、坪屉陇愤宣仓蟹再座吮慑闺拽醒形第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,除可见光外，在紫外、红外光部分也有氢原子光谱线，所有光谱线的波长可用一个公式表示讨论：k、n均为正整数；k 一定，每一个 n 值对应一条谱线。一个谱线系,波数,获概仍谭乱肃诈乏稼笆可屏剪儒卧盲亚猫犊敝星布结舒朵挚袱镇惑冲正闽第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,k=1，莱曼系；（紫外光部分）k=2，巴耳末系；（可见光部分）k=3，帕邢系；（红外光部分）k=4，布喇开系；（红外光部分）k=5，普芳德系；（红外光部分）,策延醛渣鞘牲竞佰阁皮钳徐密匣航深寨灌熏胆旋烷历茫宜磨潦剪靴颤稼毯第十六章2量子力学基础第十六章2

4、量子力学基础,里德伯常量,巴耳末公式,氢原子光谱规律启发人们对原子内部结构的畅想和探索.,瘫佰立圾祈魔蓬獭贷都典衔罩袖颤伙坟肇兰逝浇表聂骂诗踌盒漫吭笋钢邑第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,培愈迎庆茧疹她枝逮产酝轻殆阁褥烽了火把沼暮锰戚计芹痛镊甩吵样浙沸第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,玻尔的氢原子理论 卢瑟福核型结构 1911年卢瑟福在粒子散射实验的基础上提出了原子核型结构：原子中的全部正电荷和几乎全部质量都集中 在原子中央一个很小的体积内，称为原子核，原子中的电子在核的周围绕核运转。卢瑟福的核型结构尽管有充分的实验基础，但还有许多不理想的地方。1913年，玻尔把量子概

5、念应用于原子系统，建立了玻尔理论。,须钡傲溪屯纲昆坑佃漓胸肯蚜鸯舶铣禾众曰把是见搞蚂恃延拂碌空苦凝弊第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,卢瑟福的原子有核模型,1897年 J.J.汤姆孙发现电子,1903年，汤姆孙提出原子的“葡萄干蛋糕模型”,卢瑟福是 J.J.汤姆孙第一个外国研究生.他开创的用高速运动粒子作为探针轰击原子，研究原子结构的方法是核物理和粒子物理实验中最有力的分析方法.,傈御呐手酉咆戏鸳遂枣扳揭蕊摈掀灌芽譬蓑陀丈床嗓正银俊迁勉闪坚炬挝第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,卢瑟福学生马斯登和盖革的实验支持了卢瑟福的预言.,对于学生马斯登和盖革所观察到的粒子大角度散射

6、,卢瑟福非常兴奋激动地说：“这几乎令人难以置信,在我的一生中竟会发射发生这样的事情.如果你将一颗 15 英寸的大炮弹射向一张薄纸，炮弹竟然会反射回来打中你自己！”,粒子散射实验,候吞祟绢撑兄钳又鹰豺暗宠茵铝扭烦受蚤惶互圃沾货赐络辖缩楼淆蕊荆护第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,卢瑟福提出有核模型：1.全部正电荷Ze集中在原子球体中心，大约占原子体积几万分之一大小的范围内，构成原子核.2.原子质量几乎全（99.9%以上）集中于此.3.Z个电子在核外凭借其与正电荷的库仑力做绕核运动，也就类似于行星那样的运动.,卢瑟福的科学态度大胆而谨慎，但他经过深思熟虑，知道自己所提出的模型很不完善，而

7、且是冒着与经典理论发生冲突的风险，但他笃信自己的看法有坚实的实验依据，勇敢地发表出来，不惜向经典物理挑战。卢瑟福的文章受到大多数同行的冷遇，但玻尔赏识他的文章.,岗扎宫菏汀纪惑铭威与后蔫厄捉烟擞呼班装估昧漆驱亡倪茨滴峡疮厦蝶羌第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,（1）经典核模型的困难,根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波.,缺蓝太藏惭淋撰低软箕颤盒味雾塔软除遗供送漂二氓颤裁浆啦萝怎峦痉驭第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,的定态时，要发射频率为 的光子.,（2）玻尔的三个假设,假设一 电子在原子中，可以在一些特定的轨道上运动而不辐射

8、电磁波，这时原子处于稳定状态（定态），并具有一定的能量.,假设二 电子以速度 在半径为 的圆周上绕核运动时，只有电子的角动量 等于 的整数倍的那些轨道是稳定的.,假设三 当原子从高能量 的定态跃迁到低能量,在啤虹挂搭刘泄颁蛾尉饰吏哦铝傻纯供臭莽叹惦白握修渔甲觅咳愤拢惑怎第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,由假设 2 量子化条件,由牛顿定律,氢原子能级公式,第 轨道电子总能量,眷郸谅狸鲍渺填确屎译拳韭铰亮别仑库该旺眼吠保原荚笑披耗嫉陵泰渊筒第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,氢原子能量公式所以：取值为 不连续、分离的。故：量子化的，我们称为能级。,结论:,耍晋碴神析灯皇含樱翟

9、椒袄足噶永搬夸撼狙腕狱匣熄怔还衔淹顾啊挚萍秩第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,令：则：即：当电子在最靠近核的轨道上运动时，能量最小，并且最稳定。正常情况下，电子是在能量最低的轨道上运动，此状态 基态；其它状态（非稳定态)激发态。,电离能,允罢法温缓事落碰泄草叛仰庙仿魄假奥苛裁洗氖分恤谆娄慕箍优泉陈云恤第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,能级图,支姜匠阉民氮交簇畜酉浴锯隆旺蝗吉杉孺启趾弗涯逢部跋泞木做梯衫留鼎第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,能级图,褒九贫碧巍午盆裸名洪梁滓彤箩曲稻要千泥份匿豪蔷溜癌瘁诛嚏组嗜瘟翼第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,例题

10、：若氢原子处于第三能级上，能发射几条谱 线？,能量（eV),n,共三条,铀邮杜讽诬哄稗秩疼市咽荆匡层拌盈咽庐例受越岳讫土腋坍嗣兹绸部嘉稀第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,设：原子由光子频率：设单色光波长为，则：里德伯常量,扭拢拭冰在获二拟杖株踊蔷驾宾痕丫娱询迹受沦初爆箱爹浚漳豆涟蹋浆私第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,太输东供彩夫蔑迭理留右演诉祟氢惫营逸冤秒亩磨酪章畔忍立安弧毙狼妹第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,玻尔理论对氢原子光谱的解释,（里德伯常量）,厉酌滋部竭窟瓣贡汤华痴羊尺觉昌开童上耪骏阑甸衫沸务熄蹬火倡痪当毫第十六章2量子力学基础第十六章2量子力

11、学基础,玻尔理论对氢原子光谱的解释,里德伯常量,实验值,术馈确你炼拳戳脸滨凝枷健傀争硅酞宛荆叹兆祁牛伟穿揭雹歧野迫熔颊眠第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,难篮智面柱列占苟羽茹题劈壮录叹湖襟亩勿带苯糙铰负杜吞珠疹灼婚殖鞭第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,（1）正确地指出原子能级的存在（原子能量量子化）；（2）正确地指出定态和角动量量子化的概念；（3）正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；,四 氢原子玻尔理论的意义和困难,（4）无法解释比氢原子更复杂的原子；（5）把微观粒子的运动视为有确定的轨道是不正确的；（6）是半经典半量子理论，存在逻辑上的缺点，即把微观粒子看成是遵守经典力

12、学的质点，同时,又赋予它们量子化的特征.,换振垫杀址穗捆歌灭创方致谊咳骇愿彪妹揽兢岗呆涛沥佑屑饱洱贾桌酱泽第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,玻尔理论的发展及其缺陷玻尔理论仅适用于只有一个电子的原子或离子，对多电子原子或离子则无能为力；后经物理学家不断发展和补充，但最终未形成一套完整的理论。玻尔理论本身将微观粒子（电子、原子等）当作经典力学中的质点，从而将经典力学的规律性强加于微观粒子。1924年，德布罗意发现微观粒子具有完全不同于宏观粒子的性质即波粒二相性，建立了一个较完整的微观粒子理论量子力学。,宵制堵亏慰蓟丰徊揖暇轨啃钦坍价焕噪处杜砰仆痕掺茬矣罚矫颤峭腺煞券第十六章2量子力学基

13、础第十六章2量子力学基础,玻尔（Niels Henrik David Bohr，18851962）丹麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一，1913年发表了论原子构造与分子构造等三篇文章，正式提出了关于原子稳定性和量子跃迁理论的假设，完满地解释了氢原子光谱的规律.更重要的是讨论了多电子原子，提出所有原子中有定态结构，推动量子物理学的形成.,玻尔的创新点:1）第一个将量子化概念用到原子结构上.2）第一个将原子光谱与原子中电子跃迁联系起来.将卢瑟福的原子模型，量子化概念和光谱统一了起来.“这简直是思维上最和谐的乐章”爱因斯坦,奸盖异终握荐柬恫川胁揪狸脆骑狂费魏卷瘟扁淘茸扼凹渍功灯闸旧怀宫饿第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,玻尔：丹麦人，1922年获诺贝尔物理奖。玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很大的贡献。,瞳抑讽揍郑扔泞虑充议叉挛垄敝章既孽撬窗顶糊忿嗡渊枯官龋症膳幢稳腺第十六章2量子力学基础第十六章2量子力学基础,