早期量子论康普顿效应玻尔量子论概述实用教案

1、会计学1早期量子论康普顿效应早期量子论康普顿效应(xioyng)玻尔量子玻尔量子论概述论概述第一页，共33页。2晶体晶体(jngt) 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j一、实验一、实验(shyn)规律规律1922-231922-23年年 康普顿研究康普顿研究(ynji)(ynji)了了X X射线在石墨上射线在石墨上的散射的散射 0散射波长散射波长 第1页/共33页第二页，共33页。3 散射中出现散射中出现 0 的的现象现象(xinxing) 称为康普顿散射称为康普顿散射=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . .

2、. . .o（A）0.7000.750波长波长.00第2页/共33页第三页，共33页。4=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长.散射散射(snsh)曲线的三曲线的三个特点：个特点： 1.除原波长除原波长0外出现了外出现了移向长波移向长波(chngb)方面的方面的新的散射波长新的散射波长 2.新波长新波长(bchng) 随散射角的增大而增大随散射角的增大而增大 3.当当散射角增大散射角增大时时 原波长原波长的谱线强度的谱线强度降低降低 而而新波长新波长的的谱线强度谱线强度升高升高第3页/共33页第四页，共33页。5称为电

3、子称为电子(dinz)的的Compton波长波长)cos1 (jc只有当入射波长只有当入射波长0与与c可比拟时可比拟时 康普顿效康普顿效应才显著应才显著(xinzh) 因此要用因此要用X射线才能观察到射线才能观察到波长波长(bchng)(bchng)的偏移只与散射的偏移只与散射角角 有关有关0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值实验值）第4页/共33页第五页，共33页。6经典理论又一次遇到困难经典理论又一次遇到困难 经典散射理论：经典散射理论： 当波长当波长 0 0的射线入射后的射线入射后 使电偶极子受迫振使电偶极子受迫振动动 发出散射波的波长在各方均是发出散射波的波长在各方

4、均是 0 0 康普顿采用了爱因斯坦的光量子假说康普顿采用了爱因斯坦的光量子假说 成功成功(chnggng)(chnggng)地解释了实验现象地解释了实验现象 进一步证明了光量子假说的正确性进一步证明了光量子假说的正确性 第5页/共33页第六页，共33页。7 二、二、 Compton 的解释的解释 1.物理图像物理图像 单个光子与单个电子发生弹性碰撞单个光子与单个电子发生弹性碰撞 设入射光子能量设入射光子能量(nngling)为为 h0 散射光子能量散射光子能量(nngling)为为h 被碰电子可以看作是自由电子被碰电子可以看作是自由电子 碰前静止碰前静止 电子功函数量级几个电子功函数量级几个

5、eV 电子热运动平均能量电子热运动平均能量(nngling)量级量级10-2 eV 与光子能量与光子能量(nngling)10 KeV 相比相比 都很小都很小自由自由(zy(zyu)u)静止静止第6页/共33页第七页，共33页。8yex电子静止电子静止0h0myx散射光子散射光子反冲电子反冲电子hm第7页/共33页第八页，共33页。92 . C o m p t o n 散 射散 射(snsh)公式公式 0P0hPhjePeeEhcmhPPP2000chPcmcPEee420222康普顿假设康普顿假设: : 碰撞过程碰撞过程 遵守能量遵守能量(nngling)(nngling)守恒定律和动守恒定

6、律和动量守恒定律量守恒定律利用相对论能量利用相对论能量(nngling)与动量关系与动量关系得出结果得出结果反冲电子反冲电子散射光子散射光子第8页/共33页第九页，共33页。10)cos1(00jcmh电子电子(dinz)(dinz)的的ComptonCompton波长波长oA0486. 02cj0P0hPhjeP反冲电子反冲电子散射光子散射光子o0A024263. 0cmhc波长波长(bchng)改变最大改变最大实验实验(shyn)值值 c = 0.0241 =2.4110-3nm第9页/共33页第十页，共33页。11解释在散射线解释在散射线(shxin)中还有原波长的成分中还有原波长的成分

7、如果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发如果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞（内层电子）生碰撞（内层电子）这样这样 散射光的能量散射光的能量( (波长波长) )几乎不改变几乎不改变从而从而(cng r)(cng r)散射线中还有与原波长相散射线中还有与原波长相同的射线同的射线原子序数愈大的散射体原波长的成分愈多原子序数愈大的散射体原波长的成分愈多)cos1(0jcmh相当于光子相当于光子(gungz)和整个原子碰撞（和整个原子碰撞（m0是原是原子质量）子质量）第10页/共33页第十一页，共33页。123.康普顿散射实验康普顿散射实验(shyn)的意的意义义l支持了支持了“光量子光

8、量子”概念概念(ginin) 进一进一步证实了步证实了l首次首次(shu c)在实验上证实了爱因斯坦提在实验上证实了爱因斯坦提出的出的“光量子具有动量光量子具有动量”的假设的假设l证实了证实了在微观的单个碰撞事件中在微观的单个碰撞事件中 动量和能量守恒定律仍然成立动量和能量守恒定律仍然成立康普顿获得康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖P = E/c = h /c = h/ = h 第11页/共33页第十二页，共33页。13 康普顿康普顿（A. H.Compton)美国美国(mi u)人人(1892-1962）康普顿在做康普顿散射康普顿在做康普顿散射(snsh)实验实验第12页/共

9、33页第十三页，共33页。14 19251926年年 吴有训用银的吴有训用银的X射线射线(0 =5.62nm) 为为入射线入射线 以以15种轻重种轻重(qngzhng)不同的元素为散射物不同的元素为散射物质质三、吴有训对研究康普顿效应三、吴有训对研究康普顿效应(xioyng)(xioyng)的贡献的贡献1923年年 参加了发现康普顿效应的研究参加了发现康普顿效应的研究(ynji)工作工作对证实康普顿效应作出了重要贡献对证实康普顿效应作出了重要贡献在同一散射角在同一散射角( )测量各种波长的散射测量各种波长的散射光光强度强度 做了大量做了大量 X 射线散射实验射线散射实验0120 j j第13页

10、/共33页第十四页，共33页。151. 与散射物质与散射物质(wzh)无关无关 仅与散射仅与散射角有关角有关曲线曲线(qxin)表明表明0 II 轻元素轻元素0 II 重元素重元素2.吴有训吴有训的康普的康普顿效应顿效应散射实散射实验验(shyn)曲线曲线0120 j j第14页/共33页第十五页，共33页。16 证实了康普顿效应的普遍性证实了康普顿效应的普遍性 证实了两种散射线的产生证实了两种散射线的产生(chnshng)(chnshng)机制机制 外层电子外层电子( (自由电子自由电子) )散射散射 0 0内层电子内层电子( (整个原子整个原子) )散射散射在康普顿的一本著作在康普顿的一本

11、著作“X-Rays in theory and “X-Rays in theory and experiment”(1935)experiment”(1935)中中1919处引用了吴的工作处引用了吴的工作两图并列两图并列(bngli)(bngli)作为康普顿效应的证据作为康普顿效应的证据 吴有训吴有训 (18971977)意义意义(yy):(yy):0第15页/共33页第十六页，共33页。174 玻尔的量子论玻尔的量子论 一、实验事实一、实验事实 二、经典物理二、经典物理(wl)的困难的困难 三、玻尔的量子论三、玻尔的量子论第16页/共33页第十七页，共33页。18 量子理论发展进程中必须提及

12、量子理论发展进程中必须提及(t j)(t j)的的贡献贡献 首次把量子思想用到原子结构和原子光谱首次把量子思想用到原子结构和原子光谱 1.原子的核式原子的核式(行星行星(xngxng)结构结构人们人们(rn men)通过大量实验确通过大量实验确认了认了卢瑟福的原子核式模型卢瑟福的原子核式模型一、实验事实一、实验事实2. .原子光谱原子光谱 离散的离散的线状谱线状谱第17页/共33页第十八页，共33页。19A即由此得来即由此得来。红红蓝蓝紫紫6562.84340.54861.31) )氢原子的可见光光谱：氢原子的可见光光谱：。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom

13、）测得氢可见光光谱测得氢可见光光谱(gungp)的红线的红线第18页/共33页第十九页，共33页。202) 氢原子光谱氢原子光谱(gungp)的规律的规律422nnB)6 , 5 , 4 , 3( n巴耳末公式巴耳末公式(gngsh)为波数为波数令令1)121(22nR), 6 , 5 , 4 , 3( nR称为称为(chn wi)里德伯常量里德伯常量1710096776. 14mBR则巴耳末公式写成则巴耳末公式写成第19页/共33页第二十页，共33页。21Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBrackett seriesLyman series紫外区

14、紫外区红外区红外区可见光可见光后在实验上又进一步发现后在实验上又进一步发现(fxin)氢光谱的其氢光谱的其他线系他线系需进一步总结需进一步总结(zngji)其光其光谱规律谱规律第20页/共33页第二十一页，共33页。22推广推广(tugung)巴耳末公式巴耳末公式 得到广义巴耳末公式得到广义巴耳末公式 2211nmR ;, 2 , 1( m), 2, 1 mmn2, 1nmLyman series3, 2nmBalmer series4, 3nmPaschen series5, 4nmBrackett series6, 5nmLyman series紫外区紫外区红外区红外区可可见见光光123第

15、21页/共33页第二十二页，共33页。233)光谱项光谱项 里兹组合原理里兹组合原理 将氢原子光谱规律将氢原子光谱规律(gul)推广到一般发推广到一般发光光 得得)()(nTmT22)()(nRnTmRmT称为称为(chn wi)光谱项光谱项二、经典物理的困难二、经典物理的困难 1.怎么怎么(zn me)解释原子是稳定的解释原子是稳定的 按照经典理论按照经典理论 电子绕着原子核在高速旋转电子绕着原子核在高速旋转 将不断辐射电磁波将不断辐射电磁波 能量的不断减少能量的不断减少 最终最终 电子将坍缩到原子核上电子将坍缩到原子核上 2.怎么怎么(zn me)解释原子的线状谱解释原子的线状谱 经典电动

16、力学无能为力经典电动力学无能为力第22页/共33页第二十三页，共33页。24三、玻尔的量子论三、玻尔的量子论1.关于原子的三条假设关于原子的三条假设 以普朗克能量子和爱因斯坦光子以普朗克能量子和爱因斯坦光子(gungz)概概念为基础念为基础 1)定态假设定态假设 原子系统只能处在一系列不连续的能量状态原子系统只能处在一系列不连续的能量状态 这些这些(zhxi)状态称为原子系统的稳定状态状态称为原子系统的稳定状态 简称定简称定态态 相应能量分别记为相应能量分别记为 E1, E2, E3 ,(E1E2E3 )第23页/共33页第二十四页，共33页。25 2) 跃迁假设跃迁假设(频率条件频率条件)

17、当原子从一个能量为当原子从一个能量为En的定态跃迁到另一个的定态跃迁到另一个 能量为能量为Em的定态时发射的定态时发射(或吸收或吸收(xshu) 一个一个 频率为频率为的光子的光子 频率条件是频率条件是mnEEh3)角动量量子化假设角动量量子化假设(jish) 定态时定态时 角动量取值是量子化的角动量取值是量子化的 量子化条件是量子化条件是), 3 , 2 , 1(nnL2h第24页/共33页第二十五页，共33页。26 定态假设定态假设跃迁假设跃迁假设角动量量子化假设角动量量子化假设,21EEmnEEh nL 2.玻尔对氢原子的工作玻尔对氢原子的工作(gngzu) 根据三条假设根据三条假设 1

18、)求出了氢原子的能级公式求出了氢原子的能级公式2220418nhemEen), 2 , 1( n第25页/共33页第二十六页，共33页。272)氢原子光谱线的波数公式氢原子光谱线的波数公式(gngsh)hcEEmnmn)11(22nmRchemRe3204817m100973731534. 1 3. 玻尔的贡献玻尔的贡献 1)成功地揭开了成功地揭开了“巴耳末公式之迷巴耳末公式之迷” 2)首次打开了人们认识原子结构的大门首次打开了人们认识原子结构的大门 3)定态和频率假设在原子结构和分子结构定态和频率假设在原子结构和分子结构 的现代理论中仍是重要概念的现代理论中仍是重要概念 4)为量子力学的建立

19、奠定了基础为量子力学的建立奠定了基础(jch) 但但他的他的 理论是半经典的理论是半经典的 仍保留了仍保留了“轨道轨道”概念概念第26页/共33页第二十七页，共33页。284. 能级分立的实验验证能级分立的实验验证(ynzhng) - 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验 1) 原理原理 利用电子碰撞基态水银原子利用电子碰撞基态水银原子 若原子能量是一份一份的若原子能量是一份一份的(能级能级) 则电子损失能量也是一份一份的则电子损失能量也是一份一份的12EE激发态激发态基态基态(j (j ti)ti)第27页/共33页第二十八页，共33页。292) 物理图像物理图像若电子动能若电子动能 EKE2 - E1 则电子损失一部分能量则电子损失一部分能量 电子将走得慢些电子将走得慢些若电子动能若电子动能 EKE2 - E1 则电子可