第六章 物质观的革命--量子论

1、著名英国物理学家开尔文勋爵在1900年元旦献词中说： 在物理学的太空，一切在物理学的太空，一切都已明朗洁净了，在远处只剩下都已明朗洁净了，在远处只剩下两朵小小的两朵小小的，令人不安的，令人不安的 迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验在寻找莫雷实验在寻找机械机械“以太以太”时得出了零的结果；时得出了零的结果； 运用经典物理学理论无法运用经典物理学理论无法解释黑体辐射的实验曲线。解释黑体辐射的实验曲线。第六章第六章 物质观的革命物质观的革命量子论量子论6-1 开创物理学新时代的开创物理学新时代的“量子量子”概念的提出概念的提出普朗克量子假设普朗克量子假设1. 原子的原子的“葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型”- 1

2、903年，汤姆孙提出年，汤姆孙提出原子结构模型：原子里面原子结构模型：原子里面带正电的部分均匀地分布带正电的部分均匀地分布在整个原子球体中，而带在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在带正电负电的电子镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球的球体之中。带正电的球体与带负电的电子二者电体与带负电的电子二者电量相等，故原子不显电性。量相等，故原子不显电性。 6-2 6-2 第一个钻到原子中心的人第一个钻到原子中心的人-卢瑟福卢瑟福一、汤姆孙的原子模型一、汤姆孙的原子模型 原子由原子核和原子由原子核和核外电子构成，原子核外电子构成，原子核带正电荷，占据整核带正电荷，占据整个原子的极小一部分个原子的极小一部分

3、空间，而电子带负电，空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一同行星绕太阳转动一样。样。 1911年卢瑟福提出原年卢瑟福提出原子的子的“有核结构模型有核结构模型”。二、二、 原子的有核模型原子的有核模型实验来验证！实验来验证！用用高速粒子轰击原子高速粒子轰击原子,观察入射粒子的散射情况观察入射粒子的散射情况 粒子的铂箔散射实验粒子的铂箔散射实验(1909、卢瑟福、盖革、马斯顿、卢瑟福、盖革、马斯顿)1896、贝克勒发现放射现象、贝克勒发现放射现象 射线是射线是: 高速运动的带两个正电荷的氦离子高速运动的带两个正电荷的氦离子实验发现实验发现:( a ) 绝大多数绝

4、大多数 粒子经铂箔散射后，只有很小角度的偏粒子经铂箔散射后，只有很小角度的偏 转，转，偏转角小于偏转角小于 2 度度。( b ) 有约有约 1/8000 的的 粒子，它的散射角粒子，它的散射角大于大于 90 度度。在这基础上卢瑟福提出了在这基础上卢瑟福提出了核式结构核式结构原子模型原子模型两个两个模型哪个正确呢？模型哪个正确呢？即即“原子行星模型原子行星模型” 粒子散射粒子散射1 / 8000被反射，大部分透过被反射，大部分透过原子内大部分是空的原子内大部分是空的 粒子散射实验，验证了原子的核式模型粒子散射实验，验证了原子的核式模型三、三、 粒子探针的奇迹粒子探针的奇迹原子的大小和重量原子的大

5、小和重量原子的直径原子的直径10-10m。把把1000万个碳原子一个接一个万个碳原子一个接一个排成行，其长度只有排成行，其长度只有1厘米。厘米。 50万个原子只能排满头发丝的万个原子只能排满头发丝的距离。距离。全世界全世界50亿人一起来数一滴水亿人一起来数一滴水中包含原子的数目，假定每人中包含原子的数目，假定每人数一个原子的时间一秒钟，数一个原子的时间一秒钟，50亿人一起数完一滴水中全部原亿人一起数完一滴水中全部原子所需的时间为子所需的时间为30000年年。 原子的质量只有原子的质量只有10-23克。克。一杯水的重量一杯水的重量与其中的一个原子的重量相比，约等于地球与其中的一个原子的重量相比，

6、约等于地球的重量与其上的一小块砖头的重量之比。的重量与其上的一小块砖头的重量之比。1920年，卢瑟福提出中子假说。年，卢瑟福提出中子假说。 他认为原子核中，质子可能与电子紧密地结他认为原子核中，质子可能与电子紧密地结合，形成一种不带电的粒子，即中子。他推测，合，形成一种不带电的粒子，即中子。他推测，因为中子周围不形成电场，所以当它通过气体时，因为中子周围不形成电场，所以当它通过气体时，应不产生离子。它不受电场作用力的影响，所以，应不产生离子。它不受电场作用力的影响，所以，穿透力会很强，只有当它与原子核发生正面碰撞穿透力会很强，只有当它与原子核发生正面碰撞时，才会转折。而被碰撞的核，因为得到一定

7、的时，才会转折。而被碰撞的核，因为得到一定的动能，可能以一定的速度射出。动能，可能以一定的速度射出。四、四、卢瑟福卢瑟福的预言和的预言和“中子中子”的发现的发现讨论：讨论：原子核的组成原子核的组成原子量始终是氢原子量的整数倍。原子量始终是氢原子量的整数倍。 1919年，卢瑟福用年，卢瑟福用 粒子作为高速粒子作为高速“炮弹炮弹”来轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。来轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。HONHe1117814742 用用 粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核

8、。氢核定义为氢核定义为“质子质子”。每个原子核都由氢核构成。每个原子核都由氢核构成。卢瑟福得出结论：卢瑟福得出结论： 1930年，德国物理学家玻特和贝克发现利年，德国物理学家玻特和贝克发现利用用 粒子轰击铍元素时，产生了一种穿透力极粒子轰击铍元素时，产生了一种穿透力极强而且不受电场或磁场影响的射线。强而且不受电场或磁场影响的射线。 1932年，年，查德威克查德威克从实验上发现了质量与从实验上发现了质量与质子相近的中性粒子，并命名为质子相近的中性粒子，并命名为“中子中子”。CnBe12694 粒子轰击铍核粒子轰击铍核反应产物反应产物一个中子（一个中子（n) 和一个碳核（和一个碳核（ ）C126

9、核力是把质子和中子纠合在一起，构成一核力是把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳定的原子核个个稳定的原子核(也包括不稳定的原子核也包括不稳定的原子核)的强的强大的束缚力。大的束缚力。 核力出现于质子质子、中子中子、质核力出现于质子质子、中子中子、质子中子之间，强度相等。子中子之间，强度相等。(3)核力是与粒子的带电状态完全无关的强大的核力是与粒子的带电状态完全无关的强大的吸引力。吸引力。核力的特点：核力的特点：(2)核力是短程力，作用半径为核力是短程力，作用半径为310-15m。(1) 核力是核力是强相互作用强相互作用，主要是吸引力。，主要是吸引力。2、一种新的相互作用力、一种新的相互作用力核力

10、核力电磁力、万有引力、强相互作用力（核力）电磁力、万有引力、强相互作用力（核力）6-3 6-3 和谐的乐章和谐的乐章-玻尔模型玻尔模型（一）（一） 卢瑟福模型的困难卢瑟福模型的困难连续光谱连续光谱电子落到核上电子落到核上电子电子 绕核旋转绕核旋转辐射辐射 S辐射电磁波辐射电磁波 旋转频率旋转频率E 能量减小能量减小R 轨道减小轨道减小T 周期减小周期减小 旋转频率増加旋转频率増加（不稳定系统）（不稳定系统）1. 无法解释原子的稳定性无法解释原子的稳定性宇宙的变化是浩瀚莫测的宇宙的变化是浩瀚莫测的，但无可想象还存在着完全一样，但无可想象还存在着完全一样的太阳系，的太阳系，物质的结构千变万花物质的

11、结构千变万花，但原子是一样的。原子，但原子是一样的。原子的同一性按经典行星模型是无法理解的。的同一性按经典行星模型是无法理解的。3. 无法解释原子的再生性无法解释原子的再生性原子与外来粒子原子与外来粒子相互作用相互作用后，当外来粒子离去时，原子又后，当外来粒子离去时，原子又恢复到原来状态恢复到原来状态。但行星受慧星。但行星受慧星撞击撞击后却后却不能恢复到原来不能恢复到原来状态状态,这又是卢瑟福行星模型是无法说明的。这又是卢瑟福行星模型是无法说明的。2. 无法解释原子的同一性无法解释原子的同一性（二）（二） 玻尔模型提出的背景玻尔模型提出的背景（1）爱因斯坦光量子假设：）爱因斯坦光量子假设：光电

12、效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应（2）氢气放电管氢原子谱线：）氢气放电管氢原子谱线：7000A4100A5000A6000A6563A4861A 4340AHHHH在可见光內在可见光內巴尔末公式：巴尔末公式：)11(122nmR经验公式经验公式R = 1.096776107 /米米 里德伯常数里德伯常数通过氢气放电管通过氢气放电管获得氢原子光谱获得氢原子光谱其中其中m = 1,2,3而而 n = m +1, m + 2, m +3 3 3、轨道角动量量子化假设轨道角动量量子化假设：), 3 , 2 , 1(2nhnhnmvrL（3 3）玻尔假设与氢原子理论）玻尔假设与氢原子理论1 1、稳定

13、态假设：稳定态假设：原子中的电子只能在一些分裂的稳定的原子中的电子只能在一些分裂的稳定的 轨道上运行，不辐射电磁波轨道上运行，不辐射电磁波2 2、跃迁假设：跃迁假设： 高能态电子跃迁到低能态时发射单色光高能态电子跃迁到低能态时发射单色光mnEEh电子角动量电子角动量2224rervmo222menhron根据牛顿力学根据牛顿力学原子系统原子系统 总能量总能量nonpknremvEEE4212222248nhmeEonn 称量子数称量子数当当 n = 1 时时eVhmeEo6 .1382241基态能量基态能量ooammehr1022110529. 0玻尔半径玻尔半径显然显然)(6 .132eVn

14、Enonanr2当电子从当电子从 n m 发生跃迁时发生跃迁时)11(822324nmhmehEEomn)11(22nmRc与与比较比较得得米/10097. 187324chmeRo（4）玻尔理论对氢原子谱线的解释）玻尔理论对氢原子谱线的解释（2）电子接收外界能量跑到高能级称）电子接收外界能量跑到高能级称受激状态受激状态（1）原子位于基态（）原子位于基态（n = 1）时，能量最小，最稳定时，能量最小，最稳定 称称稳定态稳定态（3）受激状态电子会自发迁到低能级，发射光子）受激状态电子会自发迁到低能级，发射光子 h = En-Em（4）氢原子谱线是大量原子发生跃迁的结果）氢原子谱线是大量原子发生跃

15、迁的结果赖曼系巴尔末系帕邢系布喇开系普芳德系-13.58-3.39-1.51-0.85-0.540E En n(eV(eV) )1 1n2 23 35 54 4氢原子能级图氢原子能级图解：解：n = 2 ,m )(4 . 346 .1326 .136 .132evE例题例题1：当用波长为：当用波长为的光束照射的光束照射氢原子，使氢原子，使 n = 2 状态状态 下的电子刚好移离原子下的电子刚好移离原子(电离电离)。求入。求入射光波长。射光波长。mnEEh71983410656.3106 .14 .31031063.6EhcEEEhnmoA3656例题例题2 2：如用能量为如用能量为12.812

16、.8eVeV的电子轰击氢原子。问的电子轰击氢原子。问: : 将将 产生几条谱线？产生几条谱线？ 其中波长最长与最短为多少？其中波长最长与最短为多少？ 可见光范围内谱线为多少？可见光范围内谱线为多少？解解 1 1：)(8 .08 .126 .131eVEEEn氢原子获得最高能量氢原子获得最高能量能量量子化能量量子化21nEEn1 . 48 . 06 .131nEEn取取n =4=4则有：则有：4 41 1，4 42 2，4 43 3，3 31 1，3 32 2，2 21 1 共共6 6条谱线条谱线2 2：波长最长：波长最长 为为4 43 334EEh2121343434EEEEhc得得)(188

17、0034oA3 3：可见光为：可见光为巴尔末系，为巴尔末系，为 4 42 2，3 32 221212424EEhc)(656023oA21212323EEhc)(486024oA波长最短波长最短 为为4 41 121211414EEhc)(97214oA6-4 6-4 德布罗意与物质波德布罗意与物质波1. 玻尔模型的困难玻尔模型的困难经典粒子、电磁波的辐射、跃迁概率经典粒子、电磁波的辐射、跃迁概率2. 电子的波粒二重性电子的波粒二重性光具有波光具有波粒二象性粒二象性波动性：波动性：衍射衍射，偏振，偏振 粒子性：粒子性：光电，康普顿效应光电，康普顿效应 h能量与频率能量与频率动量与波长动量与波长

18、hp1924 年年 德布罗意提出了德布罗意提出了实物粒子也具有波粒二象性实物粒子也具有波粒二象性（一）德布罗意推论的思想体系（一）德布罗意推论的思想体系（1）自然界在许多方面存在着显著的对称性（如动物，）自然界在许多方面存在着显著的对称性（如动物， 植物）植物）对称是平衡的基础对称是平衡的基础（2）我们可以观察到的宇宙是由）我们可以观察到的宇宙是由光和实物组成光和实物组成（3）光具有）光具有 波粒二象性，波粒二象性，物质也具有物质也具有 波粒二象性波粒二象性得实物粒子的波长得实物粒子的波长221cvvmhmvhpho当当 v c 时时vmho称物质波或德布罗意波称物质波或德布罗意波例如：对宏观

19、低速物体例如：对宏观低速物体当当 m = 0.05千克，千克，v = 300 米米/秒秒)(104 . 4)(104 . 430005. 01063. 6253534ooAmvmh无法观测到无法观测到微观粒子？微观粒子？计算电子在室温下计算电子在室温下 =？ 室温室温 T = 300 KemkTv8)/(1008.11011.914.33001038.1853123smv)(1075.61008.11011.91063.6953134mmvh接近接近 x 射线波长射线波长x 射线也是电磁波，射线也是电磁波，它的波长它的波长约为：约为： 0.0010.01(nm)c铅屏劳厄斑波长太短，波长太短，

20、衍射角很小，观察衍射角很小，观察不到衍射条纹，除非不到衍射条纹，除非(a+b)很小很小 天然晶体的晶格天然晶体的晶格点阵组成点阵组成立体光栅立体光栅kbasin)( x 射线衍射射线衍射布拉格方程布拉格方程d：格点距离格点距离 ：掠射角：掠射角 sin2kd电子枪电子枪探测器探测器 1927年戴维孙和革末以电子射线代替年戴维孙和革末以电子射线代替 x射线进行了晶体的衍射实验。射线进行了晶体的衍射实验。d 二、物质波的实验验证二、物质波的实验验证 电子衍射实验电子衍射实验 d = 0.091 nm = 65o, u= 54 V实验值实验值取取 k = 1物质波：物质波：euvme221emeuv2uuemhvm