原子物理(上課講義1)

1、電子的發(fā)現(xiàn) 電子的發(fā)現(xiàn)者：湯姆生（電子的發(fā)現(xiàn)者：湯姆生（1897年）年） 電子電量的精確測(cè)定：密立根電子電量的精確測(cè)定：密立根 湯姆生的原子模型：原子是一個(gè)球體，湯姆生的原子模型：原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，電子象正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，電子象棗糕里的棗子那樣鑲嵌在球內(nèi)。棗糕里的棗子那樣鑲嵌在球內(nèi)。 為研究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和電荷分布，人們很自然的想利用為研究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和電荷分布，人們很自然的想利用高速粒子去轟擊原子，根據(jù)入射粒子的散射情況來了解原子高速粒子去轟擊原子，根據(jù)入射粒子的散射情況來了解原子內(nèi)部的情形。內(nèi)部的情形。 粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn)18961896年，貝克勒爾

2、發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象，一種帶正電的射線年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象，一種帶正電的射線叫叫 射線。射線。盧瑟福盧瑟福對(duì)對(duì) 射線作了系統(tǒng)的研究，確認(rèn)射線作了系統(tǒng)的研究，確認(rèn) 射射線實(shí)際上是高速運(yùn)動(dòng)的線實(shí)際上是高速運(yùn)動(dòng)的HeHe+離子離子（19081908，他還發(fā)現(xiàn)了用粒，他還發(fā)現(xiàn)了用粒子打在熒光屏上，通過對(duì)發(fā)光次數(shù)的計(jì)數(shù)來確定粒子的數(shù)子打在熒光屏上，通過對(duì)發(fā)光次數(shù)的計(jì)數(shù)來確定粒子的數(shù)目。目。) ) 散射：散射：粒子流射入物體，與物體中粒子流射入物體，與物體中的粒子相互作用，沿各個(gè)方向射出的粒子相互作用，沿各個(gè)方向射出的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 ( a) 側(cè)視圖側(cè)視圖 (b) 俯視圖俯視圖 R:R:放射源放射源

3、F: F:散射箔散射箔 S:S:閃爍屏閃爍屏 B: B:圓形金屬匣圓形金屬匣 A:A:帶刻度圓盤帶刻度圓盤 C: C:光滑套軸光滑套軸 T:T:抽空抽空B B的管的管 M: M:顯微鏡顯微鏡 實(shí)驗(yàn)裝置和模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置和模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果 結(jié)果：結(jié)果：。絕大多數(shù)散射角小于。絕大多數(shù)散射角小于2度；約度；約1/8000 散射角大于散射角大于90度，有的幾乎達(dá)度，有的幾乎達(dá)180度。度。 大角散射是值得注意的現(xiàn)象。大角散射是值得注意的現(xiàn)象?！叭缓?，我記得是在兩三天以后，蓋革然后，我記得是在兩三天以后，蓋革( (助手）十助手）十分興奮地跑來告訴我，分興奮地跑來告訴我，我們已經(jīng)能夠看

4、到某些散射粒我們已經(jīng)能夠看到某些散射粒子向后方跑出來了子向后方跑出來了那直是我一生中從未有過的最那直是我一生中從未有過的最難以置信的事件，它幾乎就象你用難以置信的事件，它幾乎就象你用1515吋的炮彈射擊一張吋的炮彈射擊一張薄紙，結(jié)果炮彈返回來擊中了你那樣也令人難以置信！薄紙，結(jié)果炮彈返回來擊中了你那樣也令人難以置信！” 盧瑟福盧瑟福 “而當(dāng)我做出計(jì)算時(shí)看到，除非采取一個(gè)原子的大部分質(zhì)量集而當(dāng)我做出計(jì)算時(shí)看到，除非采取一個(gè)原子的大部分質(zhì)量集中在一個(gè)微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，否則是無法得到這種數(shù)量級(jí)的任中在一個(gè)微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，否則是無法得到這種數(shù)量級(jí)的任何結(jié)果的，這就是我后來提出的何結(jié)果的，這就是我后來

5、提出的原子具有體積很小而質(zhì)量很大原子具有體積很小而質(zhì)量很大的核心的核心的想法。的想法。” 盧瑟福盧瑟福湯姆遜提出原子的布丁湯姆遜提出原子的布丁(pudding)(pudding)模型模型, ,認(rèn)為正電荷均勻分布認(rèn)為正電荷均勻分布 在半徑為在半徑為R R 的原子球體內(nèi)的原子球體內(nèi), ,電子像布丁鑲嵌在其中電子像布丁鑲嵌在其中, ,如下左圖如下左圖3 3、湯姆遜原子模型解釋大角散射的困難、湯姆遜原子模型解釋大角散射的困難布丁模型布丁模型核心模型核心模型定性解釋定性解釋：由于原子核很小由于原子核很小，絕大部分絕大部分 粒子并不能瞄準(zhǔn)原子核入射粒子并不能瞄準(zhǔn)原子核入射，而只是從而只是從原子核周圍穿過原

6、子核周圍穿過，所以原子核的作用力所以原子核的作用力仍然不大仍然不大，因此偏轉(zhuǎn)也很小因此偏轉(zhuǎn)也很小，也有少數(shù)也有少數(shù) 粒子有可能從原子核附近通過粒子有可能從原子核附近通過，這時(shí)這時(shí)，r r較小較小，受的作用力較大受的作用力較大，就會(huì)有較大的就會(huì)有較大的偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)，而極少數(shù)正對(duì)原子核入射的而極少數(shù)正對(duì)原子核入射的 粒子粒子，由于由于r r很小很小，受的作用力很大受的作用力很大，就有可能就有可能反彈回來。所以盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型反彈回來。所以盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型能定性地解釋能定性地解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)。粒子散射實(shí)驗(yàn)。核式結(jié)構(gòu)學(xué)說 從從粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出各粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出各種元素原子核

7、的電荷，并估計(jì)出原子種元素原子核的電荷，并估計(jì)出原子核的大小約為核的大小約為10-1510-14m。 意義：意義： 粒子散射實(shí)驗(yàn)為人類開辟了一條研究微觀粒子結(jié)構(gòu)的粒子散射實(shí)驗(yàn)為人類開辟了一條研究微觀粒子結(jié)構(gòu)的新途徑，以散射為手段來探測(cè)，獲得微觀粒子內(nèi)部信息新途徑，以散射為手段來探測(cè)，獲得微觀粒子內(nèi)部信息的方法，為近代物理實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)近代物理有著的方法，為近代物理實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)近代物理有著巨大的影響巨大的影響; ; 粒子散射實(shí)驗(yàn)還為材料分析提供了一種手段粒子散射實(shí)驗(yàn)還為材料分析提供了一種手段。建立了一個(gè)與建立了一個(gè)與 實(shí)驗(yàn)相符的原子結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)相符的原子結(jié)構(gòu)模型; ;困難:2 2、原子

8、線狀光譜問題、原子線狀光譜問題1 1、原子穩(wěn)定性問題、原子穩(wěn)定性問題H6562.8H4861.3H4340.5H4101.7H3970.1()223, 4,5,4nBnn3645.6B 22221411113, 4,5,22HvRnBnn711.0967758 10HRm22112,3, 41HvRnn22114,5,63HvRnn22115,6,74HvRnn22116,7,85HvRnn玻爾的基本假設(shè)玻爾的基本假設(shè)氫原子光譜的經(jīng)驗(yàn)公式：22HHRRvmn兩邊同乘 ：hc22HHhcRhcRhcvmn為每次發(fā)射光子的能量；也必為能量，應(yīng)該是原子在輻射前后的能量之差21hEE 原子的能量仍采用

9、負(fù)值，則原子能量的一般表示：2HmR hcEm 2011, 2,3,2 4nnZeEnr nmhvEEhhnmEEh一個(gè)硬性的規(guī)定常常是在建立一個(gè)新理一個(gè)硬性的規(guī)定常常是在建立一個(gè)新理論開始時(shí)所必須的。論開始時(shí)所必須的。 為保證定態(tài)假設(shè)中能量取不連續(xù)值，必須 取不連續(xù)值，如何做到？nr 1, 2,3.2hLnnn三、關(guān)于氫原子的主要結(jié)果三、關(guān)于氫原子的主要結(jié)果圓周運(yùn)動(dòng)：e nnm r vn 電子定態(tài)軌道角動(dòng)量滿足量子化條件：22e204nnnvZemrr22200241, 2,.nennranm eZZ2002e40.529am e20422e2222014213.592(4)nnZeErm

10、eZZnn 1,2,.n 能量的數(shù)值是分立的，能量量子化eV/E 氫原子能級(jí)圖氫原子能級(jí)圖2n3n4n激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)4 . 351. 185. 01n基態(tài)基態(tài)6 .13n0自由態(tài)自由態(tài)110113.6eVnEra2n 21nEEn 電離能：將一個(gè)基態(tài)電子電離至少需要的能量。對(duì)氫,13.59eV.hcEEmn/ )(2222042)4(2nZhmeEn)11()4(22232042nmchme242302(4)meRh c)11(222nmRZ)11(22nmR1732042100973731. 1)4(2mchme 1mRHn123n1234原子核外只有一個(gè)原子核外只有

11、一個(gè) 電子的離子，但電子的離子，但原子核帶有原子核帶有Z 1的正電荷，的正電荷，Z不同不同代表不同的類氫體系。代表不同的類氫體系。類氫類氫離子離子HHHHH221125 2, 3, 7 2, 4,Rkk2ee222112HeRmn22112(/ 2)HevRnHeRR 71He1.0972227 10 mRr1r20024ae2220022124nAZ eEnahc R Zn 2423021(4)111eAeee mRmh cMRmM02aZnrn玻爾理論成就玻爾理論成就 提出了微觀體系特有的量子規(guī)律，如能量提出了微觀體系特有的量子規(guī)律，如能量量子化、角動(dòng)量量子化，頻率條件等，啟量子化、角動(dòng)量

12、量子化，頻率條件等，啟發(fā)了原子物理向前發(fā)展的途徑。發(fā)了原子物理向前發(fā)展的途徑。 提出了動(dòng)態(tài)的原子結(jié)構(gòu)輪廓；提出了經(jīng)典理提出了動(dòng)態(tài)的原子結(jié)構(gòu)輪廓；提出了經(jīng)典理論有的不適用于原子內(nèi)部論有的不適用于原子內(nèi)部 第一次把光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)納入一個(gè)理論體系中第一次把光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)納入一個(gè)理論體系中歷史地位：承前啟后歷史地位：承前啟后玻爾理論的困難玻爾理論的困難由于沒有拋棄經(jīng)典理論框架，不可避免地導(dǎo)致了由于沒有拋棄經(jīng)典理論框架，不可避免地導(dǎo)致了理論的先天性缺陷。理論的先天性缺陷。為什么電子與原子核遵守庫侖定律，但加速電子在為什么電子與原子核遵守庫侖定律，但加速電子在定態(tài)上卻不發(fā)射電磁波？定態(tài)上卻不發(fā)射電磁波？為

13、什么不能推廣至僅比氫多一個(gè)電子的氦原子？！為什么不能推廣至僅比氫多一個(gè)電子的氦原子？！原子的受激輻射 激光 原子發(fā)光的兩種情形原子發(fā)光的兩種情形 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激輻射受激輻射 激光：由受激輻射產(chǎn)生。一個(gè)入射光子由于激光：由受激輻射產(chǎn)生。一個(gè)入射光子由于引起受激輻射可以得到兩個(gè)同樣的光子，如引起受激輻射可以得到兩個(gè)同樣的光子，如果這兩個(gè)光子在媒介中傳播時(shí)再引起其他原果這兩個(gè)光子在媒介中傳播時(shí)再引起其他原子發(fā)生受激輻射，就會(huì)產(chǎn)生越來越多的相同子發(fā)生受激輻射，就會(huì)產(chǎn)生越來越多的相同的光子，使光得到加強(qiáng)，這就是激光。的光子，使光得到加強(qiáng)，這就是激光。 激光的特點(diǎn)：具有很好的單色性、方向激光的特點(diǎn)

14、：具有很好的單色性、方向性和相干性，并且亮度極高。性和相干性，并且亮度極高。原子的核式結(jié)構(gòu) 粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn) 裝置：放射源、金箔、熒光屏和顯微鏡裝置：放射源、金箔、熒光屏和顯微鏡 現(xiàn)象：絕大多數(shù)現(xiàn)象：絕大多數(shù)粒子穿過金箔仍沿原方粒子穿過金箔仍沿原方 向前進(jìn)向前進(jìn) 少數(shù)少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn) 極少數(shù)極少數(shù)粒子甚至沿原方向返回粒子甚至沿原方向返回核式結(jié)構(gòu)學(xué)說 在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。

15、電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。 從從粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出各粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出各種元素原子核的電荷，并估計(jì)出原子種元素原子核的電荷，并估計(jì)出原子核的大小約為核的大小約為10-1510-14m。玻爾的原子理論 定態(tài)假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的定態(tài)假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然做加速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能電子雖然做加速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫做定態(tài)。量，這些狀態(tài)叫做定態(tài)。 躍遷假設(shè)：原子從一種定態(tài)躍遷到另一定躍遷假設(shè)：原子從一種定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，態(tài)

16、時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量是由這兩種定態(tài)的能量差決定，光子的能量是由這兩種定態(tài)的能量差決定，即即 h=E初初-E終終軌道量子化假設(shè) 原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓軌道繞核相對(duì)應(yīng)，原子的定態(tài)是不連續(xù)的，軌道繞核相對(duì)應(yīng)，原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的，只有滿足下列條件的軌道才是可能的：軌道只有滿足下列條件的軌道才是可能的：軌道半徑半徑r跟電子動(dòng)量跟電子動(dòng)量mv的乘積等于的乘積等于h/2的整的整數(shù)倍，即數(shù)倍，即 mvr=nh/2 ，n=1，2，3， 式中的式中的n n是正整數(shù)，

17、叫做量子數(shù)，這種是正整數(shù)，叫做量子數(shù)，這種現(xiàn)象叫做軌道的量子化。現(xiàn)象叫做軌道的量子化。氫原子的大小和能級(jí) 氫原子中的電子的各可能軌道半徑和對(duì)應(yīng)氫原子中的電子的各可能軌道半徑和對(duì)應(yīng)能量為能量為 rn=n2r1，En=E1/n2 式中式中n 為量子數(shù)，為量子數(shù)，r1=0.53埃為電子的第一埃為電子的第一條可能的軌道，條可能的軌道，E1=-13.6eV為電子在第一為電子在第一條可能軌道半徑上時(shí)對(duì)應(yīng)的能量。條可能軌道半徑上時(shí)對(duì)應(yīng)的能量。 氫原子各個(gè)軌道上的能量是不連續(xù)的，這氫原子各個(gè)軌道上的能量是不連續(xù)的，這種現(xiàn)象叫做能量的量子化。種現(xiàn)象叫做能量的量子化。能級(jí) 能級(jí)：氫原子的各定態(tài)的能量值，叫做它能級(jí)

18、：氫原子的各定態(tài)的能量值，叫做它的能級(jí)的能級(jí) 基態(tài)：原子處于最低能級(jí)，也就是電子在基態(tài)：原子處于最低能級(jí)，也就是電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)的這種定態(tài)（處于離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)的這種定態(tài)（處于基態(tài)的原子比較穩(wěn)定）基態(tài)的原子比較穩(wěn)定） 激發(fā)態(tài)：電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)激發(fā)態(tài)：電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的這種定態(tài)（處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定）的這種定態(tài)（處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定）氫光譜及其規(guī)律 巴耳末公式（經(jīng)驗(yàn)公式）：對(duì)氫光譜中可見光區(qū)內(nèi)的譜線巴耳末公式（經(jīng)驗(yàn)公式）：對(duì)氫光譜中可見光區(qū)內(nèi)的譜線543121122，），（nnR 式中式中R是一個(gè)常數(shù)，叫做里德伯恒量，實(shí)驗(yàn)測(cè)得是一個(gè)常數(shù)，叫做里德伯恒量，

19、實(shí)驗(yàn)測(cè)得R=1.096776107m-1玻爾原子理論對(duì)氫光譜的解釋玻爾原子理論對(duì)氫光譜的解釋）（221212121212nEEnEEEhn由由=c/可得可得）（2211211nhcE與巴耳末公式比較，可得與巴耳末公式比較，可得 R=E/hc=1.097373107m-1 氫光譜的一般規(guī)律氫光譜的一般規(guī)律）（22111nnR式中式中n=n+1，n+2，n+3，。R=R=1.097373107m-1當(dāng)當(dāng)n=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的譜線系為賴曼系時(shí)，對(duì)應(yīng)的譜線系為賴曼系當(dāng)當(dāng)n=2時(shí)，對(duì)應(yīng)的譜線系為巴耳末系時(shí)，對(duì)應(yīng)的譜線系為巴耳末系當(dāng)當(dāng)n=3時(shí)，對(duì)應(yīng)的譜線系為帕邢為系時(shí)，對(duì)應(yīng)的譜線系為帕邢為系當(dāng)當(dāng)n=4時(shí)，對(duì)應(yīng)的

20、譜線系布喇開系時(shí)，對(duì)應(yīng)的譜線系布喇開系玻爾理論的局限性：玻爾理論的局限性： 在解釋兩個(gè)以上電子的比較復(fù)雜的原子光譜時(shí)遇到了困難，在解釋兩個(gè)以上電子的比較復(fù)雜的原子光譜時(shí)遇到了困難， 后來量子力學(xué)解決了這些問題。后來量子力學(xué)解決了這些問題。 按量子力學(xué)理論，電子軌道是電子出現(xiàn)幾率最大的地方。按量子力學(xué)理論，電子軌道是電子出現(xiàn)幾率最大的地方。原子的受激輻射 激光 原子發(fā)光的兩種情形原子發(fā)光的兩種情形 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激輻射受激輻射 激光：由受激輻射產(chǎn)生。一個(gè)入射光子由于激光：由受激輻射產(chǎn)生。一個(gè)入射光子由于引起受激輻射可以得到兩個(gè)同樣的光子，如引起受激輻射可以得到兩個(gè)同樣的光子，如果這兩個(gè)光子

21、在媒介中傳播時(shí)再引起其他原果這兩個(gè)光子在媒介中傳播時(shí)再引起其他原子發(fā)生受激輻射，就會(huì)產(chǎn)生越來越多的相同子發(fā)生受激輻射，就會(huì)產(chǎn)生越來越多的相同的光子，使光得到加強(qiáng)，這就是激光。的光子，使光得到加強(qiáng)，這就是激光。 激光的特點(diǎn)：具有很好的單色性、方向激光的特點(diǎn)：具有很好的單色性、方向性和相干性，并且亮度極高。性和相干性，并且亮度極高。光譜光譜復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，按波長(zhǎng)（或頻復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，按波長(zhǎng)（或頻率）的大小依次排列的圖案。率）的大小依次排列的圖案。 由發(fā)光物體直接產(chǎn)生的光譜叫由發(fā)光物體直接產(chǎn)生的光譜叫發(fā)射光譜發(fā)射光譜。 連續(xù)光譜連續(xù)光譜為包含有從紅光到紫光的一切波為包含有從紅光到紫光的一切波長(zhǎng)組成的光譜，熾熱的固體、液體和高壓氣體長(zhǎng)組成的光譜，熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)光譜。發(fā)出的光形成連續(xù)光譜。 明線光譜明線光譜為由一些不連續(xù)的亮線組成的光為由一些不連續(xù)的亮線組成的光譜（又稱之為原子光譜），稀薄氣體發(fā)光產(chǎn)生譜（又稱之為原子光譜），稀薄氣體發(fā)光產(chǎn)生明線光譜。明線光譜。吸收光譜吸收光譜：在連續(xù)光譜背景上有若干不連續(xù)的：在連續(xù)光譜背景上有若干不連續(xù)的暗線，即連續(xù)光譜中某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收暗線，即連續(xù)光譜中某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜。太陽光譜是吸收光譜。后產(chǎn)生的光譜。太陽光譜是吸收光譜。 各種元素的原子只能發(fā)出