量子物理21公开课获奖课件

Chap.2

原子量子态，玻尔模型

(Thequantumstatesofatoms,theBohrmodel)第1页卢瑟福模型把原子当作由带正电原子核和围绕核运动某些电子构成，这个模型成功地解释了α粒子散射试验中粒子大角度散射现象，可是当我们准备进入原子内部作深入考察时，却发现已经建立物理规律无法解释原子稳定性，同一性和再生性。第2页玻尔（N.Bohr）基于卢瑟福原子模型，原子光谱试验规律以及普朗克量子化概念，于19提出了新原子模型并成功地建立了氢原子理论，解释了氢光谱产生，玻尔理论还可以精确地推出巴尔末公式，并能算出里德伯常数理论值。不过当玻尔理论应用于复杂某些原子时，就与试验事实产生了较大出入。这阐明玻尔理论还很粗略，直到1925年量子力学建立后来，人们才建立了较为完善原子构造理论。第3页§2.1黑体辐射与光电效应

(Blackbodyradiationandphotoelectriceffect)黑体概念(Blackbody)在十九世纪末期，黑体辐射是物理学家们极感爱好一种话题。任何物体在任何温度都会向外发射多种波长电磁波，但电磁波能量按波长分布却随温度而变化，此即“热辐射”。物体在产生热辐射同步，也会吸取和反射外来电磁波。假如一种物体能完全吸取外来电磁辐射而无反射和透射，则被称为绝对黑体，简称黑体。第4页黑体模型见图6.1

第5页量子假说试验根据之一

黑体辐射（Blackbodyradiation）第6页黑体辐射辐射本领单色辐射本领R（λ，T）：即单位时间从黑体单位面积上所辐射出去波长在λ附近单位波长范围内能量。总辐射本领R（T）即单位时间从黑体单位面积上所辐射出去电磁波总能量。R（T）=由于

因而

(6-3)第7页第8页黑体辐射试验规律

(Theexperimentalresultsofblackbodyradiation)Kirchhoff证明，热平衡时，辐射能量密度E（υ，T）随υ变化曲线与空穴形状及构成物质无关。Wien位移定律（图6.2）

(6-1)第9页理论公式这是黑体辐射本领与能量密度关系Wien公式(6-5)在低能部分与试验有明显偏差。Rayleigh-Jeans公式(6-6)在低能段与试验吻合，但随υ增大。而与试验偏差加大，当υ→∞时引起发散（紫外劫难）。上面公式都是从经典物理中得到！第10页oλ(μm)123568947MBλ试验值第11页oλ(μm)123568947MBλ维恩试验值第12页oλ(μm)123568947MBλ瑞利--金斯试验值紫外灾难第13页oλ(μm)123568947MBλ维恩瑞利--金斯试验值紫外灾难第14页Planck公式：（6-7）第15页显然，当hυ>>kT时，Planck公式与Wien公式相一致，而当hυ<<kT时，Planck公式又演变为Rayleigh-Jeans公式。(练习)Planck量子假设为了从理论上导出Planck公式，Planck假设电磁辐射能量只能是量子化，即E=nhυ（n=1，2，3……）h即为Planck常量，h=6.626×10-34J.S（与6-3）式相类似，可得：

由即可导出Wien位移定律。

第16页第17页

光电效应

（photoelectriceffect)量子假说试验根据之二第18页19，Lenard在Hertz和Hallwachs试验基础上，证明了金属在紫外光照射下会发射电子,这就是光电效应。第19页深入研究发现，光电效应具有如下几种特点：(1)光电流产生几乎与光照同步。（图6.5a）图6.5(a)阐明：电子获得能量不需要时间积累第20页图6.5(b)(2)当V（减速电势）和ν（光频率）固定期，光电流i与光强I成正比。（图6.5b）

阐明：单位时间内逸出电子数目正比于光强度。第21页(3)

当υ固定期，i随V增长而减小。当V=V0（遏止电压）时，i=0。且V0与I无关。（图6.5c）

图6.5(c)阐明：光电子最大能量与光强无关。第22页图6.5(d)(4)对某一确定材料，V0仅依赖于υ而与I无关，且υ存在一种阈值υ0（称为红限），仅当υ>υ0时，才有光电流产生。对大多数金属而言，υ0处在紫外线区，而V0量级在n个伏特，这意味着光电子动能在eV量级。第23页光电效应经典解释

（Classicalinterpretationofphotoelectriceffect）按照经典物理，光是电磁波，当光照在电子上时，电子便获得能量。当电子能量累积到一定程度，就能脱离原子束缚而逸出。

第24页估算成果表明，以光强为1μW/m2光照射到钠金属表面，要使其中电子获得1eV能量，约需107s，这与光电效应中光电流对光照迅速响应（<10-9s）完全不相符合。第25页

按照经典理论，决定电子能量是光强，而不是光频率。

试验事实却是，光电子能量与光强无关，却取决于光频率。第26页光电效应量子解释

(Quantuminterpretationofphotoelectriceffect)19，Einstein发展了Planck量子假设，提出了光量子概念。第27页

爱因斯坦光子假说ε电子动能，即：=hn他认为金属中自由电子吸收一个光子能量hn以后，一部分用于电子从金属表面逸出所需逸出功A，一部分转化为光

一束光是一粒一粒以光速c运动粒子（称为光子）流，每一光子能量为：——爱因斯坦光电效应方程21hAmvn=+2第28页3.光电子初动能仅与入射光频率和逸出功有关，且与频率成线性关系。4.从光电效应方程中，当时动能为零时，可得到红限频率：爱因斯坦对光电效应解释：1.光强大，光子数多，释放光电子也多，因此光电流也大。2.电子只要吸取一种光子就可以从金属表面逸出，因此不必时间累积。Anh0=第29页Einstein光电子假设，遭到了包括Planck在内不少物理学家反对，直到19Millikan运用V0与ν之间关系，从试验测得Planck常数，其成果与Planck黑体辐射公式中相等（误差不不小于5%），这才使光子假设得到人们普遍接受。第30页Einstein因此而获得了19Nobel物理学奖Millikan则获得了1927年Nobel物理学奖。图6.6第31页oUaννo遏止电压与入射光频率试验曲线由式（1），（2）得：122mvkeU=-nen

(2)UaUok=...12mUa=(1)...ev2结论：0e

k=

h第32页

第33页光谱(Linespectraofatom)光谱是光频率成分和强度分布关系图，它是研究原子构造重要途径之一。

光谱分类：不一样样光源有不一样样光谱，发光机制也不尽相似。根据波长变化状况，大体可分为三类：1.线光谱：波长不持续变化，此种为原子光谱；2.带光谱：波长在各区域内持续变化，此为分子光谱；3.持续谱：固体高温辐射。第34页连续光谱线状光谱太阳光谱钠吸收光谱NaHHgCu第35页光谱是用光谱仪测量，光谱仪大体由三部分构成：光源，分光器（棱镜，或光栅），记录仪。（参看图6.7）

棱镜光谱仪示意图

狭缝棱镜屏红蓝1212第36页测量光谱示意图第37页HHHHβγδa氢原子可见光谱6562.6562.8A4861.3A4340.5A4101.7A第38页1、巴尔末线系（可见光区）（精密测量值）（线系限波数）第39页氢原子光谱特点：1、光谱是线状，对应特定位置。2、谱线间构成一定关系，例如谱线构成一种谱限系，他们波长可以用一种公式表达出来，不一样样系谱线也有关系，例如有共同光谱项。T（n）=RH/n23、每一谱线波数都可以表到达二光谱项之差。第40页图6.8氢原子光谱为图6.8所示第41页2、其他线系19赖曼发现

赖曼系：19帕邢发现

帕邢系：1922年布喇开发现

布喇开系:1924年普芳德发现

普芳德系:紫外区红外区第42页3、里德伯公式m=1，2，3，4，5n=m+1,m+2,m+34、光谱项5、并合原则第43页19，卢瑟福用粒子散射试验证明了核存在，不过电子在核外运动情形怎样，却没有一种合理模型，假如设想电子绕核运动，便无法解释原子线光谱和原子坍缩问题，经典理论在讨论原子构造时碰到了难以逾越障碍。第44页（1）不能解释电子轨道运动稳定性。电子作轨道运动具有加速度，要向外发射电磁波，电子能量逐渐减少，最终电子将落入原子核中。（2）不能解释为何原子光谱是线状。电子作轨道运动，由于发射电磁波，能量逐渐减少，轨道半径逐渐变小，发射电磁波波长应逐渐变化，原子光谱应为持续谱。经典原子模型困难第45页19，年仅28岁玻尔刚从丹麦哥本哈根大学获博士学位，