第5章 微觀世界及其探索1：波爾理論

第五章微觀世界及其探索§5－1揭開研究微觀世界序幕的三大發(fā)現(xiàn)

一、電子的發(fā)現(xiàn)

德國物理學(xué)家普魯克（J.Plueker，1801-1868）于1858年利用蓋斯勒放電管研究氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)了對著陰極的管壁上出現(xiàn)了美麗的綠色光輝。1876年德國物理學(xué)家哥爾德斯坦證實(shí)這種綠色光輝是由陰極上所產(chǎn)生的某種射線射到玻璃上產(chǎn)生的，他把這種射線命名為

“陰極射線”。J.J.湯姆遜，1856年12月18日生于英國。1884年任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授。1886年，J.J.湯姆遜開始研究氣體放電和陰極射線。陰極射線粒子的“荷質(zhì)比”為：該荷質(zhì)比為氫離子荷質(zhì)比的2000倍。J.J.湯姆遜由此斷定：這種粒子應(yīng)是電極材料原子的基本組成部分。美國科學(xué)家密立根（R.A.Millikan，1868-1953）在1909-1917年間利用有名的油滴實(shí)驗(yàn)測得了

e的值，他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和追求精確的測量而受到人們的贊譽(yù)。

1909年密立根油滴實(shí)驗(yàn)證明一切荷電物質(zhì)都只能帶有e的整數(shù)倍的電量。

陰極射線粒子所帶的電量

e是電荷的最小單位。1917年，密立根公布的結(jié)果是：靜電單位電子的質(zhì)量為：靜電單位近代精確的電子電荷量是：庫侖電子的發(fā)現(xiàn)再一次否定了原子不可分的觀念。J.J.湯姆遜由于發(fā)現(xiàn)電子而于1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。J.J.湯姆遜被譽(yù)為“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”人類進(jìn)入微電子科技時(shí)代。德國維爾茨堡大學(xué)校長、物理學(xué)家倫琴（W.K.Rontgen，1845-1923）倫琴在給孔特（A.Kundt，1839-1894）的信中說：我終于發(fā)現(xiàn)了一種光，我不知道是什么光，無以名之，就把它叫做X光吧。2、X射線的發(fā)現(xiàn)倫琴的實(shí)驗(yàn)室第一張X光片1895年12月28日倫琴寫出了一篇論文《論一種新的射線》，文章詳細(xì)總結(jié)了新射線的性質(zhì)：

新射線來自于被陰極射線擊中的固體，（后來知道，是高速電子流轟擊金屬靶得到，由原子中的內(nèi)層電子發(fā)射出來）

新射線是直線傳播的，不被棱鏡反射和折射，也不被磁場偏轉(zhuǎn)；

新射線對所有物體幾乎都是透明的；

新射線可使熒光物質(zhì)發(fā)光，使照相底片感光。從1914到1924年中，就有五位物理學(xué)家（勞厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究X射線及其應(yīng)用方面獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。X射線是由高速電子撞擊物體時(shí)產(chǎn)生，從本質(zhì)上它和可見光一樣，是一種電磁波，它的波長約為：

0.001~0.01(nm)倫琴榮獲1901年諾貝爾物理獎(jiǎng)，成為諾貝爾物理獎(jiǎng)的第一個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)??？梢哉f，現(xiàn)代物理學(xué)是從1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線開始的。K+-A1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾（Becquerel,1852-1908）在對一種熒光物質(zhì)（硫酸鉀鈾）進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了天然放射線。貝克勒爾射線3、放射性的發(fā)現(xiàn)

瑪麗·居里（M.S.Curie，1867-1934）居里夫人從1897年開始直至1934年逝世的38年科學(xué)生涯中，她以驚人的毅力、頑強(qiáng)的意志、高度的智慧全心投入放射性研究，發(fā)現(xiàn)了放射性元素“鐳”和“釙”。1910年完成了她的名著《論放射性》，由于她的杰出貢獻(xiàn)：

1903年，居里夫婦和貝克勒爾共享了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

1911年又榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)天然放射性核素能夠自發(fā)地放出各種射線,從而衰變?yōu)榱硪环N核素。α射線：帶兩個(gè)正電荷的氦核

粒子流；β射線：帶負(fù)電荷的高速電子流；γ射線：從原子核內(nèi)放出來的電磁波，它實(shí)際上是一束能量極高的光子流，它的波長比X射線還要短，穿透本領(lǐng)比X射線更強(qiáng)。αβγ1895-1897的三大發(fā)現(xiàn)，使物理學(xué)發(fā)生了深刻的變化：電子的發(fā)現(xiàn)否定了原子是最小物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的說法過去以為除可見光外的電磁波只有無線電波、紅外線和紫外線，現(xiàn)在卻有了波長更短的X射線和γ射線。過去以為原子是不可變的，自從發(fā)現(xiàn)放射性后，原子是可變的。三大發(fā)現(xiàn)打開了微觀世界的窗戶，把物理學(xué)從十九世紀(jì)的經(jīng)典物理學(xué)階段推進(jìn)到二十世紀(jì)的現(xiàn)代物理學(xué)階段。三大發(fā)現(xiàn)揭開了現(xiàn)代物理學(xué)的序幕！§5－2玻爾的氫原子模型

一、玻爾理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

1、湯姆遜葡萄干面包模型------

1903年，湯姆孫提出原子結(jié)構(gòu)模型：原子里面帶正電的部分均勻地分布在整個(gè)原子球體中，而帶負(fù)電的電子鑲嵌在帶正電的球體之中。帶正電的球體與帶負(fù)電的電子二者電量相等，故原子不顯電性。

2、盧瑟福的核式模型

盧瑟福1871年8月13日出生在新西蘭，1894年大學(xué)畢業(yè)，1895年到英國劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)，成為J.J.湯姆孫的研究生。1908年盧瑟福榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，同年在曼切斯特大學(xué)任教，繼續(xù)指導(dǎo)他的學(xué)生進(jìn)行

粒子散射的實(shí)驗(yàn)研究。

盧瑟福不僅是一位偉大的科學(xué)家，而且是一位受學(xué)者尊敬的導(dǎo)師，在他的學(xué)生中有十幾位獲得了現(xiàn)代科學(xué)界最高榮譽(yù)――諾貝爾獎(jiǎng)，其中包括玻爾、查德威克等。

+-

粒子散射1/8000被反射，大部分透過

粒子束射向金箔：文科物理

原子由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核帶正電荷，占據(jù)整個(gè)原子的極小一部分空間，而電子帶負(fù)電，繞著原子核轉(zhuǎn)動，如同行星繞太陽轉(zhuǎn)動一樣。原子的核式模型：

1911年盧瑟福提出原子的“有核結(jié)構(gòu)模型”二、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

②綜合經(jīng)驗(yàn)公式：

H

H

H

H

6562.3?4861.3?4340.5?4101.7?①氫原子光譜

2

3

4

5

612345mn光譜系區(qū)域日期賴曼（Lyman）系巴爾末（Balmer）系帕邢（paschen）系布喇開（Brackett）系普芳德（Pfund）系紫外可見可見紅外紅外1906年1880年1908年1922年1924年此后又發(fā)現(xiàn)堿金屬也有類似的規(guī)律。m確定那個(gè)譜線系n確定哪條譜線②里茲并合原理

式中：

稱為光譜項(xiàng)

氫原子光譜：譜線是分裂的，線狀的；原子光譜線的波數(shù)由光譜項(xiàng)之差確定。

二、經(jīng)典電磁理論遇到的困難

盧瑟福原子模型＋經(jīng)典的電磁理論，必將導(dǎo)出：

注意：經(jīng)典理論解釋不了H原子光譜按1911年盧瑟福提出的原子的行星模型--電子繞原子核（10-15m）高速旋轉(zhuǎn)+2、原子是”短命“的+電子繞核運(yùn)動是加速運(yùn)動必向外輻射能量，電子軌道半徑越來越小，直到掉到原子核與正電荷中和，這個(gè)過程時(shí)間<10-12秒，因此不可能有穩(wěn)定的原子存在。然而事實(shí)不是這樣，如果找不到一種理論說明，巴爾末公式只不過是一種有趣的猜測游戲而已1、光譜連續(xù)

因電磁波頻率

r-3/2，半徑的連續(xù)變化，必導(dǎo)致產(chǎn)生連續(xù)光譜。三、玻爾理論

①

承認(rèn)盧瑟福的原子天文模型②

放棄一些經(jīng)典的電磁輻射理論③把量子的概念用于原子系統(tǒng)中

1、基本思想2、玻爾的三條假設(shè)

1913年英國劍橋大學(xué)的學(xué)生N·Bohr提出了一個(gè)假設(shè)，成功地解釋了H原子光譜。

①原子系統(tǒng)只能存在于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中（E1、E2、E3···），在這些狀態(tài)中，電子繞核作加速運(yùn)動而不輻射能量，這種狀態(tài)稱這為原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）

②頻率條件：當(dāng)原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，發(fā)出或吸收單色輻射的頻率滿足：只有當(dāng)原子從一個(gè)較大的能量En的穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到另一較低能量Ek的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，才發(fā)射單色光，其頻率：反之，當(dāng)原子在較低能量En的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),吸收了一個(gè)頻率為的光子能量就可躍遷到較大能量Em的穩(wěn)定狀態(tài)。③處于穩(wěn)定態(tài)中，電子繞核運(yùn)動的角動量滿足角動量量子化條件

E2E1E2E1假設(shè)1是經(jīng)驗(yàn)性的，它解決了原子的穩(wěn)定性問題；假設(shè)2是從普朗克量子假設(shè)引申來的，因此是合理的，它能解釋線光譜的起源。假設(shè)3表述的角動量量子化原先是人為加進(jìn)去的，后來知道它可以從德布羅意假設(shè)得出；3、討論：

①軌道量子化,穩(wěn)定軌道半徑公式

+rnMmM>>mn=1、2、3、4…...②能量量子化－能級（原子系統(tǒng)的總能量公式）

結(jié)論：電子軌道是量子化的。M>>m+rnMm結(jié)論：能量是量子化的。注意：這種不連續(xù)的能量稱為能級計(jì)算值：根據(jù)波爾理論計(jì)算里德伯常數(shù)實(shí)驗(yàn)值：氫原子的能級和軌道半徑：能態(tài)

n

E/eV

rn(nm)

基態(tài)

1

－13.6

0.053

第一激發(fā)態(tài)

2

－3.4

0.212

第二激發(fā)態(tài)3

－1.51

0.476

電離狀態(tài)

∞

0解釋H原子光譜+n=1n=2n=3n=4n=6n=5賴曼（Lyman）系巴爾末（Balmer）系帕邢（paschen）系布喇開（Brackett）系普芳德（Pfund）系③氫原子光譜

④當(dāng)n很大時(shí)，量子化特征消失，玻爾結(jié)果與經(jīng)典結(jié)果同，即光譜線連續(xù)

注意：原子的電離能就是從基態(tài)躍進(jìn)到n=

大（En=0）狀態(tài)時(shí)所需能量四、

發(fā)射光譜和吸收光譜2、吸收光譜：連續(xù)光譜照射下，原子吸收光子，明亮背景上出現(xiàn)了若干暗線

1、發(fā)射光譜：原子受激后又自動“退激”而自發(fā)發(fā)出的輻射五、玻爾理論的成功及局限

1、成功

①

能較好地解釋氫原子光譜和類氫原子光譜；③能級間躍遷的頻率條件。

2、局限性

①

用經(jīng)典理論推出電子有固定軌道、確定的空間坐標(biāo)和速度

②

人為引進(jìn)量子條件，限制電子運(yùn)動不能自洽。對稍微復(fù)雜些的系統(tǒng)，如氦和堿土金屬的光譜（譜線的強(qiáng)度、寬度、偏振）等均無法解釋

②

定態(tài)能級假設(shè)；1922年獲諾貝爾獎(jiǎng)③只能解釋H及類H原子，也解釋不了原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)。原因：它是半經(jīng)典半量子理論的產(chǎn)物。還應(yīng)用了經(jīng)典物理的軌道和坐標(biāo)的概念玻爾其人：他是盧瑟福的學(xué)生，在其影響下具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，勤奮好學(xué)，平易近人，后來很多的科學(xué)家都有紛紛來到他身邊工作。當(dāng)有人問他，為什么能吸引那么多科學(xué)家來到他身邊工作時(shí)，他回答說：“因?yàn)槲也慌略谇嗄昝媲氨┞蹲砸训挠薮馈?。這種坦率和實(shí)事求是的態(tài)度是使當(dāng)時(shí)他領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根理論研究所永遠(yuǎn)充滿活力，興旺發(fā)達(dá)的原因。愛因斯坦評價(jià)說：“作為一個(gè)科學(xué)的思想家玻爾具有那么驚人的吸