北京大学物理学院-第2章-量子物理.3

1、121.1.光的散射光的散射光束通过光学性质不均匀的介质时，从侧面可以看到光的现象光束通过光学性质不均匀的介质时，从侧面可以看到光的现象称为称为光的散射光的散射。光在各个方向上散射光强的分布与光的波长有。光在各个方向上散射光强的分布与光的波长有关，光的偏振状态也不同。关，光的偏振状态也不同。2.2.康普顿效应康普顿效应引言：爱因斯坦断言，光是由光子组成，但真正证明光是由光引言：爱因斯坦断言，光是由光子组成，但真正证明光是由光子组成的还是康普顿实验。子组成的还是康普顿实验。 19181922年康普顿研究年康普顿研究X射线经带电粒子散射后，发现射线经带电粒子散射后，发现X射线射线的波长变大，频率变

2、小的波长变大，频率变小康普顿效应。康普顿效应。 A. H. Compton, Phys. Rev. 21, 483; 22, 409 (1923)康普顿效应进一步充实了爱因斯坦的光子概念：一定频率的光康普顿效应进一步充实了爱因斯坦的光子概念：一定频率的光子不仅有确定的能量，还有确定的动量，即子不仅有确定的能量，还有确定的动量，即hE hchmcp3X 射线管射线管RGX射线谱仪射线谱仪光阑光阑1B2B 石墨体（散射物）石墨体（散射物）A晶体晶体C调节调节A A对对R R的方位，可使不同方向的方位，可使不同方向的散射线进入光谱仪。的散射线进入光谱仪。4康普顿正在测晶体对康普顿正在测晶体对X 射线

3、的散射射线的散射5 康普顿效应实验规律实验装置及实验结果(1)散射X射线中，除了原有波长0的射线外，还出现了波长大于0 的新的散射波长 。(2)波长差 = - 0随散射角增大而增大，实验测得的规律为202 0.0241sin(A)2(3)新波长的谱线强度随散射角 的增加而增加，但原波长的谱线强度降低。6(4)在相同散射角下，不同金属散射物质引起的波长差 = - 0相同，与入射X射线的波长以及散射物质无关。1925-1926年年吴有训吴有训在该方面在该方面也做出了贡献。也做出了贡献。Q：可见光很难观察到康普顿效应现象？：可见光很难观察到康普顿效应现象？7 * 实验还发现，实验还发现， 原子量小的

4、散射物质，康普顿散射较强；原子量小的散射物质，康普顿散射较强； 原子量大的散射物质，康普顿效应较弱。原子量大的散射物质，康普顿效应较弱。波长的改变量满足如下关系：波长的改变量满足如下关系：202sin2 这种改变波长的散射称为这种改变波长的散射称为康普顿效应。康普顿效应。式中：式中： =2.4=2.410101212mm称为康普顿波长，它表示散射角为称为康普顿波长，它表示散射角为9090o o时，散射波长改变的值。时，散射波长改变的值。康普顿效应也是经典理论无法解释的。康普顿效应也是经典理论无法解释的。如果入射如果入射X光是某种波光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的。长的电磁波，散射

5、光的波长是不会改变的。它它只能说明有正常只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等不能解释散不能解释散射中的新波长射中的新波长 和散射角的关系及其所存在的康普顿效应的实和散射角的关系及其所存在的康普顿效应的实验规律。验规律。8康普顿效应的定性解释康普顿效应的定性解释康普顿用光子的概念简单而成功地解释了这个现象。康普顿用光子的概念简单而成功地解释了这个现象。康普顿认为：康普顿认为：X光的散射应是光子与原子内电子的碰撞。光的散射应是光子与原子内电子的碰撞。 X 射线光子与原子射线光子与原子“内层电子内层电子”的弹性碰撞的弹性碰撞内层电子与核结合较

6、为紧密内层电子与核结合较为紧密(keV)，他认为碰撞实际上可以看，他认为碰撞实际上可以看作是发生在光子与质量很大的整个原子间的碰撞作是发生在光子与质量很大的整个原子间的碰撞光子基本光子基本上不失去能量上不失去能量保持原性质不变。保持原性质不变。 X 射线光子与原子射线光子与原子“外层电子外层电子”的弹性碰撞的弹性碰撞外层电子与核结合较弱外层电子与核结合较弱(几个几个eV)与与 X 光子相比，这些电子光子相比，这些电子近似看成为近似看成为 “静止静止” 的的 “自由自由”电子。电子。光子与电子的弹性碰撞光子与电子的弹性碰撞 光子失去部分能量，光子失去部分能量，频率频率 ，波长，波长 康普顿效应。

7、康普顿效应。9X X 射线是由一些能量为射线是由一些能量为 =h =h 的光的光子组成，并且这些光子与自由电子子组成，并且这些光子与自由电子发生弹性碰撞，发生弹性碰撞，碰撞过程中能量和碰撞过程中能量和动量守恒动量守恒完全完全弹性碰撞弹性碰撞X-ray03.3.康普顿效应的光量子理论解释康普顿效应的光量子理论解释在轻原子中在轻原子中，原子核对电子的束缚较弱，可以把电子看作是静原子核对电子的束缚较弱，可以把电子看作是静止的自由电子。止的自由电子。碰撞前：碰撞前：光子能量为光子能量为h h 0 0，动量为，动量为h h 0 0/ /c c；电子的能量为电子的能量为mm0 0c c2 2，动量为零。动

8、量为零。碰撞后：碰撞后：光子散射角为光子散射角为 ，光子能量为光子能量为h h ，动量为，动量为h h / /c c；电子电子飞出的方向与入射光子的夹角为飞出的方向与入射光子的夹角为 ，它，它的能量为的能量为 ，动量为动量为 。0221mc20221m cc10chP/00mvPchP/碰撞过程能量守恒碰撞过程能量守恒22000221mhm chccP P0P PeP P动量守恒动量守恒0022coscos1hmhccc0220sinsin1mhcc11联立以上三式，可以解得：联立以上三式，可以解得：02sin220cmh1202.43 10mhm c康普顿波长康普顿波长散射波长改变量：散射波

9、长改变量：2sin220cmh康普顿效应中发生波长改变的原因是：当一个光子与散射物质中康普顿效应中发生波长改变的原因是：当一个光子与散射物质中的一个自由电子碰撞后，光子将沿某一方向散射，同时电子获得的一个自由电子碰撞后，光子将沿某一方向散射，同时电子获得一部分能量，使一部分能量，使散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。2sin22cmh0相应光子的能量等于电子的静止能量相应光子的能量等于电子的静止能量511keV12注意几点注意几点: :2sin220cmh. .散射波长改变量散射波长改变量的数量级为的数量级为1012m，对于可见光波长，对于可见光波长

10、 107m，所以观察不到康普顿效应。，所以观察不到康普顿效应。. .散射光中有与入射光相同的波长的射线，是由于光子与原子散射光中有与入射光相同的波长的射线，是由于光子与原子碰撞，原子质量很大，光子碰撞后能量不变，散射光频率不变。碰撞，原子质量很大，光子碰撞后能量不变，散射光频率不变。. .在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。. .当当 = =0时，光子频率保持不变；时，光子频率保持不变； = = 时，光子频率减小最多。时，光子频率减小最

11、多。康普顿散射进一步证实了光子理论的正确性，还证明了在微观康普顿散射进一步证实了光子理论的正确性，还证明了在微观领域中也是严格遵守能量、动量守恒定律。领域中也是严格遵守能量、动量守恒定律。 - 0小，则需要小，则需要( - 0)/(h/m0c)=( - 0)/ e可比拟，可比拟，故康普顿效应只能用故康普顿效应只能用X射线或射线或 射线观察。射线观察。1314光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。 光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。 光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普光

12、在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。顿效应。光子能量和动量为光子能量和动量为hE 上两式左边是描写粒子性的上两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写波动性的；右边是描写波动性的、。 h 将光的粒子性与波动性联系起来。将光的粒子性与波动性联系起来。hchP 关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。波粒二象性是客观物质的共同属性。波粒二象性是客观物质的共同属性。15例例1：波长为波长为 0=0.02nm的的

13、X射线与静止的自由电子碰撞射线与静止的自由电子碰撞,现在从和现在从和入射方向成入射方向成90角的方向去观察散射辐射。求角的方向去观察散射辐射。求: (1) 散射散射X射线的波射线的波长；长；(2)反冲电子的能量；反冲电子的能量；(3)反冲电子的动量。反冲电子的动量。xyxyPe h/ 0h/ 34318102222 6.63 10249.11 103 1010sinsin0.024 10m0.0024nmhJ sm ckgm s 解：解： (1)散射后散射后X射线波长的改变为射线波长的改变为所以散射所以散射X的波长为的波长为00.00240.020.0224nm 160034811211112

14、206.63 103 102.4 102 102.24 1016310.7 10J6.66 10 eVhchchcJ sm smmmmcm c (2) 根据能量守恒根据能量守恒2200mchcmh反冲电子获得的能量就是入射光子与散射光子能量的差值反冲电子获得的能量就是入射光子与散射光子能量的差值1734112306.63 10J s2 10m 4.4 10kg m scos0.753ehp2202202222222224441 2341 22.24102104.481023()6.63 10J s ()4.44 10kg m semmmph 419所以所以(3) 根据动量守恒，有根据动量守恒，

15、有 cos0ehp sinehp 018例例2 在康普顿效应中，入射光子的波长为在康普顿效应中，入射光子的波长为310-3 nm，反冲电子，反冲电子的速度为光速的的速度为光速的60%，求散射光子的波长和散射角。，求散射光子的波长和散射角。解：解：220mchcmh2220201ccvmhccmhc)111 (11220cvhcmcv 6 . 025. 11122cv2sin220cmh0sin0.54322m ch7 .65m1034. 41219第四节第四节原子模型原子模型 氢原子光谱氢原子光谱201897年年 J.J. Thomson(英英)直接测量出直接测量出e的数值；的数值；1874年

16、年 G.J. Stoney(爱尔兰爱尔兰)用用NA计算出计算出e的数值大约为的数值大约为10-20C；电子电量的量子化电子电量的量子化450BC Leucippus和德谟克利特和德谟克利特(Democritus 古希腊古希腊)提出物质提出物质由原子构成；由原子构成；1800年年 Faraday(英英)电解定律电解定律 F=NAe;1850年年 Pierre Gassendi和和Robert Hooke用各向运动的微粒模用各向运动的微粒模型来解释物质相变和转换；型来解释物质相变和转换；1900年年 Avogadro假设假设(1811年提出年提出) 单位体积内给定温度的所单位体积内给定温度的所有气

17、体物质的量是一定的；成功解释了化学反应并发展出了分有气体物质的量是一定的；成功解释了化学反应并发展出了分子运动论。子运动论。在微观状态下物质不是连续的，而是量子化的。在微观状态下物质不是连续的，而是量子化的。塞曼效应塞曼效应1896年年 Pieter Zeeman(荷兰荷兰)原子的分立光谱在磁场中的分裂原子的分立光谱在磁场中的分裂现象获得原子存在的第一例实验证据；现象获得原子存在的第一例实验证据；211926年年 薛定谔薛定谔(Schrodinger 奥地利奥地利)建立波动方程；建立波动方程；1913年年 玻尔玻尔(Bhor 丹麦丹麦)提出氢原子的量子理论；提出氢原子的量子理论；原子理论的发展

18、原子理论的发展1911年年 卢瑟福卢瑟福(Rutherford 新西兰新西兰-英英)提出核式原子提出核式原子模型；模型；海森堡海森堡(Heisenberg)创立矩阵力学。创立矩阵力学。后来两者合在一起，统称后来两者合在一起，统称量子力学量子力学(描述微观粒子力学描述微观粒子力学运动规律的理论运动规律的理论)。221903年经典模型年经典模型1911年卢瑟福行星模型年卢瑟福行星模型20世纪世纪20年代原子的量子模型年代原子的量子模型 十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现，十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现，如电子、如电子、X 射线和放射性元素的发现表明原子是可以射线和放射性元素的发

19、现表明原子是可以分割的，它具有比较复杂的结构，原子是怎样组成的？分割的，它具有比较复杂的结构，原子是怎样组成的？原子的运动规律如何？对这些问题的研究形成了原子原子的运动规律如何？对这些问题的研究形成了原子的量子理论。的量子理论。1.1.原子模型三步曲：原子模型三步曲：问题一：肯定有带正电的问题一：肯定有带正电的物质物质，原子的质量是如何分布的？原子的质量是如何分布的？问题二：肯定有带正电的问题二：肯定有带正电的物质物质，原子的电荷是如何分布的？原子的电荷是如何分布的？电子带负电，质量大约为最轻的氢电子带负电，质量大约为最轻的氢原子的二千分之一！原子的二千分之一！23(1) 汤姆孙汤姆孙“葡萄干

20、面包葡萄干面包”模模型型- 1903年，年，J.J.汤姆孙提出原子结构模型：汤姆孙提出原子结构模型：原子里面带正电的部分均匀地分布在半径为原子里面带正电的部分均匀地分布在半径为1010 1010mm的的整个原子球体中，而带负电的电子整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球体与镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球体与带负电的电子二者电量相等，故原子不显电带负电的电子二者电量相等，故原子不显电性。性。电子能在它们的平衡位置上作简谐振动，电子能在它们的平衡位置上作简谐振动，观察到的原子所发光谱的各种频率就相当于观察到的原子所发光谱的各种频率就相当于这些振动的频率。这些振动的频率

21、。(2) 长冈长冈“太阳系太阳系”模型模型 长冈半太郎提出正电荷均集中于原子的中心，电子像行星绕长冈半太郎提出正电荷均集中于原子的中心，电子像行星绕太阳运行那样绕着中心运动。太阳运行那样绕着中心运动。 经典原子模型经典原子模型1897年，汤姆孙发年，汤姆孙发现了电子，指出现了电子，指出“阴极射线阴极射线”就是就是高速电子流。高速电子流。1906年年Nobel奖奖这种模型的特点：特别稳定。这种模型的特点：特别稳定。 缺点：缺点：不能解释正负电荷不中和；不能解释正负电荷不中和；不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释不解释 粒子大角度散射。粒子大角度散射。24卢瑟福的核式

22、模型卢瑟福的核式模型 卢瑟福不仅是一位伟大的科学家，而且是一位受学者尊敬的卢瑟福不仅是一位伟大的科学家，而且是一位受学者尊敬的导师，在他的学生中有十几位获得了现代科学界最高荣誉导师，在他的学生中有十几位获得了现代科学界最高荣誉诺诺贝尔奖，其中包括玻尔、查德威克、哈恩等。贝尔奖，其中包括玻尔、查德威克、哈恩等。 卢瑟福卢瑟福(E. Rutherford，1871-1937) 英国物理学家，英国物理学家，1871年年8月月13日出生在新西兰，日出生在新西兰， 1894年大学毕业，年大学毕业，1895年年到到英国剑桥大学学习，成英国剑桥大学学习，成为卡文迪许实验室主任为卡文迪许实验室主任J. J.

23、Thomson的研究生。的研究生。1899年年1月发现铀盐放射出月发现铀盐放射出 射线和射线和 射线，并提出射线，并提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。天然放射性的衰变理论和衰变定律。1908年卢瑟福年卢瑟福荣获诺贝尔化学奖，同年在曼切斯特大学任教，继荣获诺贝尔化学奖，同年在曼切斯特大学任教，继续指导他的学生盖革等进行续指导他的学生盖革等进行 粒子散射的实验研究。粒子散射的实验研究。天然放射性的发现与电子和天然放射性的发现与电子和X射线的发现，是射线的发现，是20世世纪三项最伟大的发现。纪三项最伟大的发现。卢瑟福还判定卢瑟福还判定 粒子是带正电的氦原子核，他根据粒子是带正电的氦原子核，他根据

24、粒子散射实验提出原子的有核模型。卢瑟福被誉粒子散射实验提出原子的有核模型。卢瑟福被誉为为原子物理之父原子物理之父，又是开创原子核物理学的奠基人。，又是开创原子核物理学的奠基人。25 原子由原子核和核原子由原子核和核外电子构成，原子核带外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太核转动，如同行星绕太阳转动一样。阳转动一样。原子的核式模型：原子的核式模型： 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”。26原子的量子模型原子的量子模型原子有结构：由原子核和

25、电子组成。原子有结构：由原子核和电子组成。27科学家首次捕获原子内部图像新浪科技讯 北京时间2009年9月17日消息 据英国新科学家杂志网站报道，乌克兰科学家近日成功捕捉到碳原子内部的图像，显示了碳原子电子云(蓝色部分)的几种组合方式。电子是一种微观粒子，在原子如此小的空间内围绕原子核作高速运动，并且其运动与宏观物体运动不同，没有确定的方向和轨迹，只能用电子云描述它在原子核外空间某处出现机会的大小。电子云是电子在原子核外空间概率密度分布的形象描述，电子在原子核外空间的某区域内出现，好像带负电荷的云笼罩在原子核的周围，人们形象地称它为“电子云”。近日乌克兰哈尔科夫大学物理技术学院的伊格尔带领科研

26、团队，成功“制造”并捕捉到电子云的影像照片，这也是科学家首次获得电子云的照片。科研团队把石墨的单原子层薄膜拆解成碳原子链，并把碳原子链置于4.2开的真空环境中。 开(kelvin)是开尔文温标的计量单位，其零度为绝对零度，等于-273.15。然后他们给碳原子链通425伏特的电流，使边缘的原子释放电子到一个由磷制成的屏上，获得了这一电子云照片。据悉科学家将会把他们的研究成果发表在物理学研究B上。28 卢瑟福和他的学生所作卢瑟福和他的学生所作的的 粒子散射实验否定了汤粒子散射实验否定了汤姆逊的姆逊的“葡萄干面包葡萄干面包”模型。模型。2. 2. 粒子散射实验粒子散射实验 粒子为氦核粒子为氦核He2

27、4以以c/15轰击金箔。轰击金箔。 在原子中带电物质的电场力作用下，使它偏离原在原子中带电物质的电场力作用下，使它偏离原来的入射方向，从而发生散射现象。来的入射方向，从而发生散射现象。 氦核质量是电子质量的氦核质量是电子质量的 7500倍，倍， 粒子运动不受电子影响。粒子运动不受电子影响。实验结果表明：实验结果表明：绝大部分粒子经金箔绝大部分粒子经金箔散射后，散射角很小散射后，散射角很小( (23) )，但有但有1/8000的粒子偏转角大于的粒子偏转角大于90 29 汤姆逊的原子结构模型无法解释这种现象。汤姆逊的原子结构模型无法解释这种现象。 这种大角度散射不可能解释为都是偶然的小角度这种大角

28、度散射不可能解释为都是偶然的小角度的累积的累积这种可能性要比这种可能性要比1/80001/8000小得多，绝大多数小得多，绝大多数是一次碰撞的结果。但这不可能在汤姆逊模型那样的是一次碰撞的结果。但这不可能在汤姆逊模型那样的原子中发生。原子中发生。 Rutherfords remark It was quite the most incredible event that ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you had fired a 15-inch shell at a piece of tis

29、sue paper and it came back and hit you. - 1 的状态称为激发态。的状态称为激发态。)3 , 2 , 1(n结果表明：氢原子能量也只能取一些分立值，这种现象结果表明：氢原子能量也只能取一些分立值，这种现象称为称为能量量子化能量量子化。这种与轨道对应的能量称为。这种与轨道对应的能量称为能级能级。n=1，称为基态，其能量为：称为基态，其能量为：一般情形，有：一般情形，有：)3 , 2 , 1(n|21|pnknnEEEeV6 .131kEeV2 .271PEnnenrevmE022421542122EEeV4 .32133EEeV51.12144EEeV85

30、.0赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系eV6 .131neV40.32neV51.13neV85.04n0En. .氢原子的电离能氢原子的电离能当当 时，时，n原子被电离原子被电离自由态，电子不受原子核束缚。自由态，电子不受原子核束缚。电离能：电离能：把电子从氢原子第一玻尔轨道移到无穷远所把电子从氢原子第一玻尔轨道移到无穷远所需能量。需能量。1EEEeV6 .13551222EnZEZEnn类氢离子：类氢离子：(如一次电离的如一次电离的He原子原子、二次电离的二次电离的Li原子原子)32(LiHeZZ、一次电离的一次电离的He原子中电子从原子中电子从n到到k能级跃迁时能级

31、跃迁时)11(2222nkR二次电离的二次电离的Li原子的电离能：原子的电离能： 就是使二次电离的就是使二次电离的Li原子原子中的中的n=1的轨道电子的轨道电子电离所需要的能量。电离所需要的能量。 eV4 .1226 .13322121nEZEEE电离56)(1fiEEh原子辐射单色光波数原子辐射单色光波数c)(1fiEEch由由2204281hmenEn223204118ifcheme与与2211nmR比较比较3. 3. 氢原子光谱公式氢原子光谱公式由玻尔第二假设电子从高能态跳到低能态时，有：由玻尔第二假设电子从高能态跳到低能态时，有：chemRe3204817m10097.1这一数值与实验

32、结果这一数值与实验结果R RHH=1.0967758=1.0967758 1010-7-7/m/m符合很好符合很好。57玻尔的氢原子模型玻尔的氢原子模型584 4、玻尔氢原子理论的成绩玻尔氢原子理论的成绩成功地解释了成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。从理论上计算了里德伯常量；解决了近从理论上计算了里德伯常量；解决了近30年之久的年之久的巴耳末巴耳末公式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出公式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今的一些概念，如能量量子化、量子跃迁及频

33、率条件等，至今仍然是正确的。仍然是正确的。能对类氢原子的光谱给予说明。能对类氢原子的光谱给予说明。5 5、玻尔氢原子理论的困难、玻尔氢原子理论的困难理论本身就是一个大杂烩，人为引入轨道及其满足条件；理论本身就是一个大杂烩，人为引入轨道及其满足条件；不能解释多电子原子的光谱；不能解释多电子原子的光谱；不能解释谱线的强度、宽度和偏振；不能解释谱线的强度、宽度和偏振；不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的；不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的；在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力学规在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。律的质点，

34、又赋予它们量子化的特征。596 6、玻尔原子理论的意义、玻尔原子理论的意义1)揭示了微观体系具有量子化特征揭示了微观体系具有量子化特征(规律规律)，是原子，是原子物理发展史上一个重要的里程碑，对量子力学的物理发展史上一个重要的里程碑，对量子力学的建立起了巨大推进作用。建立起了巨大推进作用。2)提出提出“定态定态”,“能级能级”,“量子跃迁量子跃迁”等概念，在量等概念，在量子力学中仍很重要，具有极其深远的影响。子力学中仍很重要，具有极其深远的影响。60 里德伯原子里德伯原子 (Rydberg atoms) 一个价电子被激发到高量子态一个价电子被激发到高量子态(主量子数主量子数n很大很大)的高激发

35、原子。的高激发原子。其价电子离原子实很远，能级结构类似于氢原子。其价电子离原子实很远，能级结构类似于氢原子。里德伯原子对于原子物理的基础研究和应用开发都具有重要意义，里德伯原子对于原子物理的基础研究和应用开发都具有重要意义，是目前非常活跃的一个研究领域。是目前非常活跃的一个研究领域。里德伯原子具有一些奇特的性质里德伯原子具有一些奇特的性质半径很大，当半径很大，当n=250时，半径达时，半径达3.3微米，接近于细菌的大小；寿微米，接近于细菌的大小；寿命长，比通常低激发态寿命命长，比通常低激发态寿命(10-8秒秒)长得多，可达长得多，可达1秒；结合能小，秒；结合能小，当当n=250时，结合能只有时

36、，结合能只有0.22毫电子伏，比室温下热运动平均动毫电子伏，比室温下热运动平均动能能 (25毫电子伏毫电子伏) 要小得多，因而里德伯原子很容易受到外加电要小得多，因而里德伯原子很容易受到外加电磁场或其它原子分子的碰撞等影响而改变其性能；很弱的电场就磁场或其它原子分子的碰撞等影响而改变其性能；很弱的电场就能强烈极化里德伯原子。能强烈极化里德伯原子。实验室中已制备实验室中已制备n=500的氢原子的氢原子在星际空间中，射电天文观测已探测到在星际空间中，射电天文观测已探测到 n = 350 的氢原子的氢原子61科学家制成世界上第一个里德伯分子新浪科技讯 北京时间2009年4月29日消息，据国外媒体报道

37、，现在科学家终于制出一直存在于理论中的里德伯(Rydberg)分子。这种分子通过两个原子之间令人难以捉摸的极其微弱的化学键形成。这项研究结果发表在自然杂志上。因为分子中的其中一个原子拥有一个距离核子或称中心较远的电子，因此会产生这种新型连接方式。这项发现有力地支持了基础量子论，该理论是由诺贝尔奖得主恩里科费米(Enrico Fermi)提出的，它们阐述了电子是如何运行的，以及它们之间的相互作用。现在正被讨论的里德伯分子，是通过两个铷原子形成的，其中一个是里德伯原子，另一个是“正常”原子。原子里的电子围绕一个中央核运行，在原子外层运行的电子，距离核心更远。里德伯原子非常特殊，因为它的最外层轨道上

38、仅有一个电子，从原子的角度来说，这个电子距离它的核子非常远。1934年费米预言说，如果另一个原子“发现”一个游荡的单一电子，它可能会与它产生相互作用。美国科罗拉多大学的理论物理学家克里斯格伦尼是第一个预言里德伯分子存在的人。他解释说：“费米可能从没想到这种分子能够形成。我们承认，我们在20世纪70年代和80年代进行这方面的研究的时候，发现里德伯原子和基态原子(即正常原子)之间可能存在力场。直到现在我们才有可达到如此低温环境的系统，因此直至今天我们才能制造出这种分子。”621914年夫兰克年夫兰克-赫兹实验证赫兹实验证明了玻尔定态假设明了玻尔定态假设能级能级的正确性。的正确性。充有低压水银蒸汽的

39、玻璃管，充有低压水银蒸汽的玻璃管，电子与汞原子碰撞，使汞原电子与汞原子碰撞，使汞原子吸收电子能量而激发。原子吸收电子能量而激发。原子吸收的能量是不连续的。子吸收的能量是不连续的。KGPVAPI0UE E灯丝灯丝栅极栅极板极板极夫兰克夫兰克- -赫兹实验赫兹实验实验原理实验原理K、G 之间加正向电压，电之间加正向电压，电子在子在 E E 作用下向作用下向 G 运动。运动。G、P 之间加反向电压，电之间加反向电压，电子穿过子穿过 G 达到达到 P 形成电流，形成电流，作作IP U0 图。图。63KGPVAPI0UE EV9.4V9.4PIo)(0VU510151.电子动能电子动能Ek E2 E1

40、E1 E2电子电子EkvIP第一个波峰第一个波峰汞原子基态为汞原子基态为 E1，第一激第一激发态发态 E2 ，第二激发态第二激发态E3 64V9.4V9.4PIo)(0VU510153. . 0UHg 原子第二次从原子第二次从电子电子Ek E1 E2vIP第二个波峰第二个波峰KGPVAPI0UE E 电子第一次使电子第一次使 Hg 激发后，在激发后，在U0 的加速下的加速下又达到又达到Ek E2 E14. .Hg 原子第一激发态与基态原子第一激发态与基态能量之差能量之差E2 E14.9eV5. .实验中实验中UU0 04.9V4.9V，可观察到，可观察到2537光谱，受激光谱，受激 Hg 原子

41、从高能原子从高能态跳回低能态放出光子。态跳回低能态放出光子。 从而验证了原子能级的存在。从而验证了原子能级的存在。83419213 106.62 10253 nm4.9 1.6 10chEE实验中观察实验中观察到该谱线到该谱线65小小 结结 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型 氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性 氢氢原子的玻尔理论原子的玻尔理论 弗兰克弗兰克-赫兹实验赫兹实验 实验装置实验装置 实验结果实验结果 解释解释66成功地解释成功地解释了原子的稳定性原子的稳定性、大小大小及及氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性。做一些小的修正也能解释碱金属原子

42、的光谱。做一些小的修正也能解释碱金属原子的光谱。为人们为人们认识微观世界和建立近代量子理论认识微观世界和建立近代量子理论打下了基础。打下了基础。它的局限性也很快显示出来：一是理论的功能方面，它的局限性也很快显示出来：一是理论的功能方面，二是理论的自洽性方面。二是理论的自洽性方面。在光谱学中，除了谱线的波长之外，还有谱线的强度。在光谱学中，除了谱线的波长之外，还有谱线的强度。玻尔理论的功能方面玻尔理论的功能方面稍微复杂的原子，比如氦原子光谱。稍微复杂的原子，比如氦原子光谱。非束缚态问题，比如散射。非束缚态问题，比如散射。玻尔理论的自洽性方面玻尔理论的自洽性方面既用经典物理的基本定律，又须做出与经

43、典物理格格不入的假设既用经典物理的基本定律，又须做出与经典物理格格不入的假设量子力学正是在克服这些困难和局限性中发展起来的量子力学正是在克服这些困难和局限性中发展起来的 对玻尔理论的评价对玻尔理论的评价：67玻尔理论的缺陷玻尔理论的缺陷 玻尔理论仍然以经典理论为基础，定态假设玻尔理论仍然以经典理论为基础，定态假设 又和经典理论相抵触。又和经典理论相抵触。 量子化条件的引进没有适当的理论解释。量子化条件的引进没有适当的理论解释。 对谱线的强度、宽度、偏振等无法处理。对谱线的强度、宽度、偏振等无法处理。反映了早期量子论的局限性。反映了早期量子论的局限性。68对应原理：对应原理：当量子数当量子数n趋

44、于无限大时，量子理论得出的结果与趋于无限大时，量子理论得出的结果与经典理论的结果相一致，这是玻尔提出的。经典理论的结果相一致，这是玻尔提出的。玻尔理论是经典与量子的混合物，不是一个玻尔理论是经典与量子的混合物，不是一个自洽的理论体系。它保留了经典的确定性轨自洽的理论体系。它保留了经典的确定性轨道，另一方面又假定量子化条件来限制电子道，另一方面又假定量子化条件来限制电子的运动。它不能解释稍微复杂的问题，正是的运动。它不能解释稍微复杂的问题，正是这些困难，迎来了物理学的大革命。这些困难，迎来了物理学的大革命。“ 新出现的障碍只能用十分新颖的思想去克服” 玻尔年轻的法国物理学家路易德布罗意终于迈出了新的一步69例例1：计算氢原子基态电子的轨道角动量、线速度。计算氢原子基态电子的轨道角动量、线速度。解：解： 基态基态 n = = 121hnLsJ10055.1342106 .634111rmLve10313410529.01011.910055.1m/s1019.2670例例2：用用 12.6eV 的电子轰击基态氢原子，这些原子所的电子轰击基态氢原子，这些原子所能达到最高态，将产生那些