原子物理与量子力学课件第1章绪论

1、原子物理与量子力学唐敬友 主编 Tel: (O) (MP)教学提示1.绪论(2学时)2.以复习、回忆大学物理知识为主，并阅读有关文献。本讲主要参考书：禇圣麟，原子物理学，北京：高等教育出版社，1979.曾谨言，量子力学教程，北京：科学出版社，2003.各种物理学史的专著。经典物理学的回顾19世纪末经典物理学大厦1、宏观力学(1)理论基础 牛顿三大定律、三大守恒定律、万有引力定律。(2)学科分类 见下图。2、热力学与统计物理（1）热力学热力学四大定律、麦氏关系（2）分子运动动理学经典统计物理学（随温度分布律）（3）热的传导、对流与辐射传热传质学（4）相变热力学气体、液体和固体的三态相变（第四态：

2、等离子体态？）3、电磁学与光学的统一(1)静电场与静磁场电荷与磁极的静态性质(2)Maxwell 方程组及其边界条件电磁场理论(3)光的波动理论与电磁场理论的统一电介质物理4.电子的发现与原子核式结构模型的提出 此外，还应当提出适当的初始条件，才能形成定解方程组。19世纪末经典物理学的整体印象 物理学的高楼大厦已经建成。正如J C Maxwell 于1871年在剑桥大学就职演说中所讲： “在几年中，所有重要的物理常数将被近似估计出来给科学界人士留下的只是提高这些常数的观测精度。”19世纪末物理学大师们的态度1.兴高采烈2.疑虑困惑晴朗的物理学天空中有两朵小小的、令人不安的乌云以太紫外灾难W.

3、Thomson（Kelvin勋爵）提出经典物理的困难与近代物理的突破1.经典物理的困难黑体辐射黑体：在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射的理想吸收体。黑体辐射的经典电磁理论与经验规律斯特藩玻耳兹曼公式（1879）：黑体表面单位面积上单位时间内发射出的总能量与它的热力学温度的四次方成正比，即总辐射本领维恩位移定律（1893）：黑体辐射的能谱峰位的波长与温度成反比，即维恩分布定律（1895）：能谱密度分布公式瑞利金斯公式（1895）：能谱密度分布公式黑体辐射规律在短波（或高频）情况下维恩分布定律与实验结果一致，而在长波（或低频）下与实验偏差较大。在长波（或低频）情况下的实验结果与瑞利金斯公

4、式一致。瑞利金斯公式在长波（或低频）下与实验结果一致，但在极高频（或极短波）时，能谱密度为无穷大，与实验事实相悖，史称“紫外灾难”。黑体辐射能谱密度与波长的关系图普朗克公式（见教材附录A3） 1900年，普朗克借用数学上的内插法，经过一系列的推导得到了与实验符合得非常好的黑体辐射能谱分布公式，即著名的普朗克公式： 普朗克在推导公式中首先用到了能量子的概念，这也是他成功导出上式的关键。但他对自己的工作非常不满意，认为是一个牵强附会的做法。对此规律的解释，经典理论无能为力！固体比热 杜隆和伯替按能量均分定理导出的固体比热容是常数3R（R是理想气体常数）。 在室温和更高的温度下，实验结果与之相符。但

5、在极低温度下，固体的比热容随温度趋于零而快速趋于零（正比于温度T3）。 对此解释，经典理论也无能为力！氢原子的线状光谱氢原子光谱是线状光谱，不是连续光谱。氢原子的光谱线系的波数（或波长）可用简单的经验公式表示上式中，n、m均取正整数，且mn。此式叫里德伯方程。n取不同的值时对应不同的线系，先后被发现的氢光谱线系见下表。对此规律的解释，经典理论也无能为力！谱线系名称波段范围nm发现者发现年代赖曼系紫外12, 3, 4, Lyman1914巴耳末系可见23, 4, 5, Balmer1853帕邢系红外34, 5, 6, Paschen1908布喇开系红外45, 6, 7, Brackett1922

6、普丰特系红外56, 7, 8, Pfund1924汉福莱系红外67, 8, 9, Humphreys?原子核式结构模型原子结构电子的发现：电量、质量（荷质比）。汤姆孙模型：西瓜模型，即电子均匀镶嵌在正电荷中。卢瑟福的核式结构模型：行星模型，即核外电子绕原子核运动。原子核式结构模型的正确性粒子散射实验物理模型实验装置原理理论解释 利用电子与核电荷之间的库仑相互作用运动，可导出库仑散射公式式中，Z1、Z2分别是入射粒子和靶核的原子序数，E是入射粒子的动能，是散射角，b称为瞄准距离。问题：由于瞄准距离在实验中无法准确测量，上述公式的正确性不能用实验验证。卢瑟福公式微分截面的定义表示对于单位面积内的每

7、个靶核，单位入射粒子、单位立体角内的散射粒子数。卢瑟福公式物理意义：粒子散射到方向单位立体角内每个靶原子的有效散射截面。它具有面积的量纲，单位：m2/sr（米2/球面度）。卢瑟福公式的实验证明以上结果被卢瑟福的学生盖革、马斯顿于1913年一一证明。原子核式结构模型行星模型的困难原子的稳定性：无法解释原子的稳定性。按照经典电动力学理论，加速的核外电子在原子核电场中运动会不断产生电磁辐射，其能量会减少，最终很快使电子掉到原子核中。到事实上，原子十分稳定，并没有坍缩。原子的同一性：任何哪种原子，只要核电荷数相同，无论它处在哪里或来自何方，它们就完全一样。但宇宙中未发现两颗完全相同的星体。行星模型不能解释原子的同一性。原子的再生性：原子与外来粒子发生作用，其作用一旦去除，原子将恢复其原貌。而行星受到外来星体的撞击，那将是灾难性的，不可能恢复。2.近代物理的突破和三大理