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1、原子的量子态第1页，共80页，编辑于2022年，星期五.1.1背景知识背景知识 经典力学经典力学经典力学经典力学、经典经典经典经典电磁电磁场理论、电磁电磁场理论、电磁电磁场理论、电磁电磁场理论、经典统计力学经典统计力学经典统计力学经典统计力学（1 1）“紫外灾难紫外灾难”，经典理论得出的瑞利金斯公式，在高频部分趋无穷。（，经典理论得出的瑞利金斯公式，在高频部分趋无穷。（2 2）“以以太漂移太漂移”，迈克尔逊莫雷实验表明，不存在以太。，迈克尔逊莫雷实验表明，不存在以太。在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云 两大困惑：两大困惑：“
2、夸克禁闭夸克禁闭”和和“对称性破缺对称性破缺 十九世纪中期，物理学理论在当时看来已经发展到了相当完善的阶十九世纪中期，物理学理论在当时看来已经发展到了相当完善的阶段，那时，一般的物理现象都可以用相应的理论加以解释。物体的段，那时，一般的物理现象都可以用相应的理论加以解释。物体的宏观机械运动，准确地遵从牛顿力学规律；电磁现象被总结为麦克宏观机械运动，准确地遵从牛顿力学规律；电磁现象被总结为麦克斯韦方程；热现象有完整的热力学及统计物理学；斯韦方程；热现象有完整的热力学及统计物理学；物理学的；物理学的上空可谓晴空万里，在这种情况下，有许多人认为物理学的基本上空可谓晴空万里，在这种情况下，有许多人认为
3、物理学的基本规律已完全被揭示，剩下的工作只是把已有的规律应用到各种具规律已完全被揭示，剩下的工作只是把已有的规律应用到各种具体的问题上，进行一些计算而已。体的问题上，进行一些计算而已。第2页，共80页，编辑于2022年，星期五一、黑体一、黑体 黑体辐射黑体辐射1、热辐射、热辐射热辐射现象：热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为热辐射热辐射。热平衡现象：热平衡现象：辐射和吸收的能量辐射和吸收的能量恰相等时称为恰相等时称为热平
4、衡热平衡。此时温度。此时温度恒定不变。恒定不变。2、黑体黑体定义：定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体绝对黑体，简称简称黑体黑体。说明：说明：(1)黑体是个理想化的模型。黑体是个理想化的模型。(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。一、量子假说根据之一：黑体辐射一、量子假说根据之一：黑体辐射第3页，共80页，编辑于2022年，星期五3、与热辐射有关的物理量、与热辐射有关的物理量单色辐出度单色辐出度
5、从热力学温度为从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、在的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，简称简称单色辐出度，单色辐出度，用用M(T T)表示表示。辐射出射度辐射出射度在单位时间内，从热力学温度为在单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面积上、所的黑体的单位面积上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称为辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称为辐射出射辐射出射度度，简称，简称辐出度辐出度。第4页，共80页，编辑于2022年，星期五黑体黑体 能能完全完全吸收吸收各种波长电
6、磁波各种波长电磁波而无反射的物体。且而无反射的物体。且只与只与温度有关，而和材料及表面状态无关温度有关，而和材料及表面状态无关 。1 1、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律任何物体的辐射在同一任何物体的辐射在同一温度下的辐射本领和吸收本领成正比，温度下的辐射本领和吸收本领成正比，问题：在实验中如何测能量谱密度问题：在实验中如何测能量谱密度（，T T）2 2、斯特藩定律黑体辐射的总本领与它的绝对温、斯特藩定律黑体辐射的总本领与它的绝对温度的四次方成正比度的四次方成正比第5页，共80页，编辑于2022年，星期五维恩定律辐射能量分布定律维恩定律辐射能量分布定律维恩位移律维恩位移律 4 4、瑞利金斯定律和紫外
7、灾难、瑞利金斯定律和紫外灾难 从经典能量按自由度均分定律第6页，共80页，编辑于2022年，星期五 二、黑体辐射的瑞利二、黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难1、目的：、目的：探求单色辐出度的数学表达式探求单色辐出度的数学表达式2、瑞利、瑞利金斯公式金斯公式利用能量均分利用能量均分定理和电磁理论得出：定理和电磁理论得出：3.Wien公式公式:辐射能量分布与麦克斯韦分子速率分布相辐射能量分布与麦克斯韦分子速率分布相似似,1893年得到的公式年得到的公式:实验实验瑞利-金斯T=1646k第7页，共80页，编辑于2022年，星期五4、经典物理的困难、经典物理的困难瑞利瑞利金斯
8、公式金斯公式在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完全不能适用。在高频（短波）则完全不能适用。在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于着频率的增高而趋于“无限大无限大”“紫紫外灾难外灾难”。Wien公式公式在短波范围与实验符合较好在短波范围与实验符合较好,在长在长波处与实验相差很大波处与实验相差很大。第8页，共80页，编辑于2022年，星期五 三、普朗克假说三、普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947
9、)德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，1900年年12月月14日他在德国物理学会上，宣读了以日他在德国物理学会上，宣读了以关于关于正常光谱中能量分布定律的理论正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天
10、为天为“量子论的诞生日量子论的诞生日”。1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。尔奖金。第9页，共80页，编辑于2022年，星期五1899年年Planck得知得知Wien公式仅在短波范围与实验相符公式仅在短波范围与实验相符,在在长波范围与实验有较大偏离长波范围与实验有较大偏离,因此需要进一步修正因此需要进一步修正.1900年十年十月月,德国实验物理学家德国实验物理学家Rubens拜访拜访Planck,告诉他实验结果告诉他实验结果在长波段接近在长波段接近瑞利瑞利金斯公式金斯公式,Planck受到启发受到启发,用内插法用内插法将将Wien公式和公
11、式和瑞利瑞利金斯公式结合起来得到了要求的辐金斯公式结合起来得到了要求的辐射公式并寄给了射公式并寄给了Rubens.Rubens接到公式后与实验进行了接到公式后与实验进行了认真比较认真比较,发现令人满意的一致发现令人满意的一致,两天后两天后Rubens将结果告诉将结果告诉了了Planck.1900年年10月月19日日,在德国物理学会议上在德国物理学会议上,发表论发表论文文第10页，共80页，编辑于2022年，星期五但但Planck认识到该公式是一个侥幸猜中的内推公式认识到该公式是一个侥幸猜中的内推公式,不具备不具备明确的理论基础明确的理论基础,他开始致力于找出这个公式的真正物理他开始致力于找出这
12、个公式的真正物理意义意义,提出了能量子假设提出了能量子假设,1900年年12月月14日他在德国物理日他在德国物理学会上，宣读了以学会上，宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文为题的论文.Planck对量子论态度对量子论态度(1)能量子纯粹是一种形式上的假设能量子纯粹是一种形式上的假设,对它对它没有想得太多没有想得太多.(2)无论怎样要在经典物理学体系中建立作用无论怎样要在经典物理学体系中建立作用量子量子.(3)将量子引入理论要尽可能谨慎将量子引入理论要尽可能谨慎,非绝对必要非绝对必要,不要不要改变现有理论改变现有理论.第11页，共80页，编辑于202
13、2年，星期五1、普朗克假说普朗克假说谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元 的整数倍，即：的整数倍，即：E=n,n=1,2,3,.叫能量子，简称量子，叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数为量子数，它只取正整数能能量量子化。量量子化。对于频率为对于频率为 的谐振子，最小能量为：的谐振子，最小能量为：=hn n 其中其中h=6.626 10-34 Js为普郎克常数为普郎克常数结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是=hn n的整数倍。的整数倍。2、普朗克公式普朗克公式第12页，共80页，编辑于2022年，星期五实验实验瑞
14、利-琼斯T=1646k瑞利-金斯普朗克理论值3、说明说明普朗克假说不仅圆满地解释了普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等。它成为了固体的比热问题等。它成为现代理论的重要组成部分。现代理论的重要组成部分。从普朗克公式可导出从普朗克公式可导出斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律，维恩公式，维恩公式，瑞利瑞利金斯公式金斯公式维恩位移定律维恩位移定律斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律维恩公式维恩公式瑞利瑞利金斯公式金斯公式第13页，共80页，编辑于2022年，星期五4、普朗克假说普朗克假说意义意义普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧
15、观点，普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出了能量子、提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点观点。这不仅。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础域，为量子力学的诞生奠定了基础。四、黑体辐射的应用四、黑体辐射的应用测量温度：测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度通过测量星体的谱
16、线分布来确定其热力学温度热象图：热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确定物通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确定物体表面的温度分布；体表面的温度分布；3K背景辐射：背景辐射：对来自外界空间的辐射，可用对来自外界空间的辐射，可用wein位移公式来估算位移公式来估算消失线高温计：消失线高温计：测量炉温测量炉温第14页，共80页，编辑于2022年，星期五 而这一公式是普朗克根据实验数据猜出来的。由此公式当而这一公式是普朗克根据实验数据猜出来的。由此公式当v-0v-0和和v-v-时分别都可得到与瑞利时分别都可得到与瑞利-金斯和维恩公式相同的形式。此公式金斯和维恩公式相同的形式。此公式
17、虽然符合实验事实但其在公布时仍没有理论根据虽然符合实验事实但其在公布时仍没有理论根据,就在普朗克公式公布就在普朗克公式公布当天，另一位物理学家鲁本斯将普朗克的结果与他的最新测量数据进行核当天，另一位物理学家鲁本斯将普朗克的结果与他的最新测量数据进行核对，发现两者以惊人的精确性相符合。第二天鲁本斯就把这一喜讯告诉了对，发现两者以惊人的精确性相符合。第二天鲁本斯就把这一喜讯告诉了普朗克普朗克,从而使普朗克决心：从而使普朗克决心：“不惜一切代价，找到一个理论解释。不惜一切代价，找到一个理论解释。”经过近二个月的努力，普朗克在同年经过近二个月的努力，普朗克在同年1212月月1414日的一次德国物理学会
18、议日的一次德国物理学会议上提出：电子辐射能量的假设上提出：电子辐射能量的假设E=nhvE=nhv（n=1,2,3,n=1,2,3,）?这一概念严重偏这一概念严重偏离了经典物理；因此，这一假设提出后的离了经典物理；因此，这一假设提出后的5 5年时间内，没有引起人的注年时间内，没有引起人的注意，并且在这以后的十多年时间里，普朗克很后悔当时的提法，在很多场意，并且在这以后的十多年时间里，普朗克很后悔当时的提法，在很多场合他还极力的掩饰这种不连续性是合他还极力的掩饰这种不连续性是“假设量子论假设量子论”。Planck对量子论态度对量子论态度(1)能量子纯粹是一种形式上的假设能量子纯粹是一种形式上的假设
19、,对它没有想得对它没有想得太多太多.(2)无论怎样要在经典物理学体系中建立作用量子无论怎样要在经典物理学体系中建立作用量子.(3)将量子引入理将量子引入理论要尽可能谨慎论要尽可能谨慎,非绝对必要非绝对必要,不要改变现有理论不要改变现有理论.(4)我所说的作用量我所说的作用量子不是在真空中子不是在真空中,它仅仅是一个假设而已它仅仅是一个假设而已.第15页，共80页，编辑于2022年，星期五一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律1、光电效应的基本概念光电效应的基本概念当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电效应光电效应，所逸，所逸出的电
20、子叫出的电子叫光电子光电子，由光电子形成的电流叫，由光电子形成的电流叫光电流光电流，使电子逸出某种金，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的属表面所需的功称为该种金属的逸出功逸出功。2.光电效应实验装置光电效应实验装置.单色光通过石英窗照射金属板单色光通过石英窗照射金属板阴极上有光电子产生。阴极上有光电子产生。UGKA如将如将K接正极、接正极、A接负极，则光电子离开接负极，则光电子离开K后，后，将受到电场的阻碍作用。当将受到电场的阻碍作用。当K、A之间的反之间的反向电势差等于向电势差等于U0时，从时，从K逸出的动能最大的电逸出的动能最大的电子刚好不能到达子刚好不能到达A，电路中没有电流，
21、电路中没有电流，U0叫叫遏遏止电压止电压。二、量子假说根据之二：二、量子假说根据之二：光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性第16页，共80页，编辑于2022年，星期五 早在早在18871887年年,德国物理学家赫兹第一个观察到用紫光照射的尖端放电特别容易发生，德国物理学家赫兹第一个观察到用紫光照射的尖端放电特别容易发生，这实际上是光电效应导致的这实际上是光电效应导致的.由于当时还没有电子的概念由于当时还没有电子的概念,所以对其机制不是很清楚所以对其机制不是很清楚.直直到到18971897年汤姆逊发现了电子年汤姆逊发现了电子.人们才注意到一定频率的光照射在金属表面上时人们才注意到一定频
22、率的光照射在金属表面上时,有大量有大量电子从表面逸出，人们称之为光电效应。电子从表面逸出，人们称之为光电效应。第17页，共80页，编辑于2022年，星期五3、实验现象、实验现象(2)存在截止频率：存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率射光的频率大于某一频率 0时，电子才能从金属时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率表面逸出，电路中才有光电流，这个频率 0叫做叫做截止频率截止频率红限红限.(3)线性性：线性性：用不同频率的光照射金属用不同频率的光照射金属K的表面时，的表面时，只要入射光的频率大于截止频率，遏止电势差只要入射光的频率
23、大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。与入射光频率具有线性关系。红限频率(1)饱和光电流：饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。U0312UIIS0NaCaO2.01.06.08.010.00102|US|光电效应光电效应第18页，共80页，编辑于2022年，星期五(1)经典认为经典认为光强越大，饱和电流应该大，光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也光电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。光电子初动能也与频率有关。4、经典理论的困难
24、、经典理论的困难(2)只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为光电效应红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为光电效应不应与频率有关。不应与频率有关。(4)瞬时性。瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。即需能量的积累过程。(4)瞬时性：瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电子溢出率，则当光照射到金属表面时，几乎立即
25、就有光电子溢出（延迟时间约为（延迟时间约为10-9s）(3)即使入射光频率很低即使入射光频率很低,只要照射时间足够长也有光电效应只要照射时间足够长也有光电效应,不应有不应有截止频率截止频率.第19页，共80页，编辑于2022年，星期五二、二、光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程2、光电效应的爱因斯坦方程、光电效应的爱因斯坦方程3、光电效应解释、光电效应解释(1)饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比：对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的数目越多，光电子越多，光电流越大。数目越多，光电子越多，光电流越大。1905年年3月月,
26、发表论文发表论文.指出光的传播过程指出光的传播过程可用空间连续函数描述可用空间连续函数描述,但但光的产生和转化过程不适光的产生和转化过程不适用波动理论用波动理论1、爱因斯坦光子假说、爱因斯坦光子假说1.一束光是一粒一粒以光速一束光是一粒一粒以光速 C 运动的粒子流。这些粒子称为光量子，运动的粒子流。这些粒子称为光量子，也称光子。也称光子。2.光与物质的作用是光子与微观粒子的作用光与物质的作用是光子与微观粒子的作用,频率为频率为光子的能量光子的能量为为=h，不可分割，不可分割,只能整个被吸收或辐射只能整个被吸收或辐射,频率不同，光子的能量频率不同，光子的能量则不同则不同.3.单色光的能流密度单色
27、光的能流密度(光强光强):单位时间垂直通过单位面积的光能与单位时间垂直通过单位面积的光能与频率频率、光子数、光子数N的关系为的关系为:S=N h.第20页，共80页，编辑于2022年，星期五(2)红限频率的存在红限频率的存在：当入射光频率低于红限频率当入射光频率低于红限频率 0，h A/h），以致每个光子的能量足够大，），以致每个光子的能量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红限频率电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红限频率 =A/h；(3)截止电压与频率成线性关系截止电压与频率成线性关系(4)光电效应的瞬时性光电效应的瞬时性：当电子一次性地吸收了一个光子后，当电子一次性地吸收了
28、一个光子后，便获得了便获得了 h 的能量而立刻从金属表面的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的时间滞后。逸出，没有明显的时间滞后。第21页，共80页，编辑于2022年，星期五四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性密立根密立根1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得年的实验，证实了光子论的正确性，并求得h=6.57 10-34 焦耳焦耳秒。光的波动性（秒。光的波动性（p）和粒子性（）和粒子性（）是通过普朗克常数联系在一起的。是通过普朗克常数联系在一起的。相对论质能关系：相对论质能关系：光子的质量：光子的质量：因为因为：光子的动量：光子的动量：光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性光既
29、具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性第22页，共80页，编辑于2022年，星期五例例1：能使铯产生光电效应的光的最大波长：能使铯产生光电效应的光的最大波长0660nm ，试求当，试求当波长波长=400nm 的光照射在铯上时，铯所放出的光电子的速度（电的光照射在铯上时，铯所放出的光电子的速度（电子质量为子质量为 ，这里忽略了电子质量的改变）。，这里忽略了电子质量的改变）。解：根据爱因斯坦方程解：根据爱因斯坦方程可解出光电子的速度可解出光电子的速度v 为为按题设数据，可算出光电子的速度为按题设数据，可算出光电子的速度为第23页，共80页，编辑于2022年，星期五例例2.2.波长波长300nm
30、300nm的光照射某金属的光照射某金属,光电子的能量光电子的能量:0:04 410-19J,求求:U o,0 0=?=?解解:第24页，共80页，编辑于2022年，星期五一、康普顿效应一、康普顿效应1、康普顿散射康普顿散射康单色康单色X射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射线相同的成射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的散射称为分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的散射称为康普顿散射康普顿散射或或康普顿效应康普顿效应。2、实验装置实验装置X光管发出一定波长的光管发出一定波长的X射线，通过光阑后成为射线，通过光阑后成为一束狭窄的一束狭窄
31、的X射线，投射射线，投射到散射物质上，用摄谱仪到散射物质上，用摄谱仪可以测不同方向上散射光可以测不同方向上散射光波长及相对强度。波长及相对强度。AB1B2CDGR康普顿效应康普顿效应第25页，共80页，编辑于2022年，星期五3、实验现象、实验现象I =0o I=45oI =90oI =135o 0正常散射波长变长的散射称为康普顿散射对一定的散射角对一定的散射角 ，既有与入射线相同的，既有与入射线相同的波长波长 ，又有比入射光线更长的波长，又有比入射光线更长的波长 ，而且，而且DD=-随角随角 的增加而增大，但与的增加而增大，但与X射线的波长射线的波长 和散射物质无关。和散射物质无关。4、经典
32、物理学的困难：、经典物理学的困难：经典电磁理论只能说明有正常散射存在，经典电磁理论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；而无即散射光的频率与入射光频率相等；而无法解释法解释D D 的存在及其所存在的康普顿的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。效应的实验规律。第26页，共80页，编辑于2022年，星期五1、定性解释、定性解释二、康普顿效应的解释二、康普顿效应的解释康普顿康普顿效应是效应是X射线单光子与物质中受原子核束缚较弱的电子射线单光子与物质中受原子核束缚较弱的电子相互作用的结果。相互作用的结果。假设在碰撞过程中，动量与能量都是守恒假设在碰撞过程中，动量与能量都是守恒的，电
33、子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的的，电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的能量与动量都相应地减小，即能量与动量都相应地减小，即X射线的波长变长。射线的波长变长。2、定量计算、定量计算入射光子散射的光子外层电子第27页，共80页，编辑于2022年，星期五光子0电子碰撞前光子）电子碰撞后光子：光子：电子：电子：碰碰 撞撞 前前光子：光子：电子：电子：碰碰 撞撞 后后第28页，共80页，编辑于2022年，星期五系统能量守恒：系统能量守恒：系统动量守恒系统动量守恒（1)2(2)c2 得出得出第29页，共80页，编辑于2022年，星期五将将（4）带入带入（3）式：）式：（5）称为
34、康普顿波长称为康普顿波长第30页，共80页，编辑于2022年，星期五康普顿散射进一步证实了光子论康普顿散射进一步证实了光子论证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性性证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。波长的改变与散射物质无关，仅取决于散射角，而且关系式中包含了普波长的改变与散射物质无关，仅取决于散射角，而且关系式中包含了普朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。对于可见光，微波等，散射现象不明显对于可见光，微波等
35、，散射现象不明显X光光 散射现象明显散射现象明显 =0时，波长不变；时，波长不变；增加时，波长变长；增加时，波长变长；=p p时，时，D D 最大。最大。三、康普顿效应的物理意义三、康普顿效应的物理意义第31页，共80页，编辑于2022年，星期五 粒子的大角度散射，肯定了原子核的存在，但核外电子的分布及运动情况仍然是个粒子的大角度散射，肯定了原子核的存在，但核外电子的分布及运动情况仍然是个迷，而光谱是原子结构的反映，因此研究原子光谱是揭示这个迷的必由之路。迷，而光谱是原子结构的反映，因此研究原子光谱是揭示这个迷的必由之路。光谱是电磁光谱是电磁辐射（不论在可见区或在可见区外）的波长成分和强度分布
36、的记录；有时只是波长成分辐射（不论在可见区或在可见区外）的波长成分和强度分布的记录；有时只是波长成分的记录。的记录。光谱是研究原子结构的重要途径之一。光谱是研究原子结构的重要途径之一。（1 1）电磁波谱）电磁波谱三、光谱的一般知识三、光谱的一般知识（一）光谱（一）光谱第32页，共80页，编辑于2022年，星期五（2 2）光谱的观测）光谱的观测光谱发出的光谱线可通过光谱议进行观测和记录，它既可光谱发出的光谱线可通过光谱议进行观测和记录，它既可把把射线按不同波长分析，又可记录不同光谱线的强度。射线按不同波长分析，又可记录不同光谱线的强度。（3 3）光谱的分类不同的光源有不同的光谱，发出机制也不）光
37、谱的分类不同的光源有不同的光谱，发出机制也不尽相同，根据波长的变化情况，大致可分为三类：尽相同，根据波长的变化情况，大致可分为三类：线光谱：波长不连续变化，此种为原子光谱；线光谱：波长不连续变化，此种为原子光谱；带光谱：波长在各区域内连续变化，此为分子光谱；带光谱：波长在各区域内连续变化，此为分子光谱；连续谱：固体的高温辐射。连续谱：固体的高温辐射。第33页，共80页，编辑于2022年，星期五光谱仪的组成：光谱仪的组成：光谱分析是研究原子内部结构重要手段之一光谱分析是研究原子内部结构重要手段之一,牛顿早在牛顿早在17041704年说年说过，若要了解物质内部情况过，若要了解物质内部情况,只要看其
38、光谱就可以了只要看其光谱就可以了.光谱是用光光谱是用光谱仪测量的谱仪测量的,光谱仪的种类繁多光谱仪的种类繁多,基本结构几乎相同基本结构几乎相同,大致由光源、分大致由光源、分光器和记录仪组成光器和记录仪组成.若装有照相设备，则称为摄谱仪。若装有照相设备，则称为摄谱仪。上图是棱上图是棱镜光谱仪的原理图镜光谱仪的原理图.光谱仪：能将混合光按不同波长成分展开成光谱的仪器。光谱仪：能将混合光按不同波长成分展开成光谱的仪器。不同波长的光线会聚在屏上的不同位置，因此谱线的位置不同波长的光线会聚在屏上的不同位置，因此谱线的位置就严格地与波长的长短相对应。就严格地与波长的长短相对应。第34页，共80页，编辑于2
39、022年，星期五不同的光源具有不同的不同的光源具有不同的光谱。氢原子核外只有一光谱。氢原子核外只有一个电子，结构最简单，是个电子，结构最简单，是研究其它复杂元素光谱的研究其它复杂元素光谱的基础。如果用氢灯作为光基础。如果用氢灯作为光源那么在光谱仪中测到的源那么在光谱仪中测到的便是氢的光谱。如右图所便是氢的光谱。如右图所示，氢光谱由许多线系组示，氢光谱由许多线系组成，每一线系内光谱排列成，每一线系内光谱排列成有规则的图样，逐渐向成有规则的图样，逐渐向线系短波一端线系极限靠线系短波一端线系极限靠拢，右图中画了三个线系。拢，右图中画了三个线系。第35页，共80页，编辑于2022年，星期五（三）光谱的
40、类别（三）光谱的类别按波长分：红外光谱、可见光谱、紫外光谱按波长分：红外光谱、可见光谱、紫外光谱 按产生分：原子光谱、分子光谱；】按产生分：原子光谱、分子光谱；】按形状分：线状光谱、带状光谱和连续光谱按形状分：线状光谱、带状光谱和连续光谱 第36页，共80页，编辑于2022年，星期五1 1、巴耳末系、巴耳末系氢气放电管获得氢光谱在氢气放电管获得氢光谱在可见光范围内有四条可见光范围内有四条Ha a ：红色红色 656.210nmHb b ：深绿深绿 486.074nmHg g：青色青色 434.010nmHd d：紫色：紫色 410.120nm瑞典的埃格斯特朗在1853年首先观测到的，波长的单位
41、就是以他的名字命名的。18851885年，瑞士数学家年，瑞士数学家巴耳末巴耳末把把氢原子的前四条谱线归纳氢原子的前四条谱线归纳巴耳巴耳末末公式公式巴耳末系波长极限值1890年，里德伯采用波数年，里德伯采用波数里德伯常量一、氢原子光谱的规律性一、氢原子光谱的规律性第37页，共80页，编辑于2022年，星期五2 2、氢原子光谱规律、氢原子光谱规律赖曼系赖曼系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系普丰德系普丰德系汉弗莱系汉弗莱系第38页，共80页，编辑于2022年，星期五第39页，共80页，编辑于2022年，星期五（四）巴耳末经验公式（四）巴耳末经验公式 巴耳末（巴耳末（Balmer）的经验公式：）的经验公式
42、：第40页，共80页，编辑于2022年，星期五讨论：讨论：波长遵守巴耳末公式的这一系列谱线称为巴耳末线系波长遵守巴耳末公式的这一系列谱线称为巴耳末线系 波长间隔沿短波方向递减波长间隔沿短波方向递减 谱线系的系限，谱线系中最短的波长谱线系的系限，谱线系中最短的波长（五）氢原子光谱的实验规律（五）氢原子光谱的实验规律 1889年，瑞典物理学家里德伯（年，瑞典物理学家里德伯（J.R.Rydberg,1854-1919）提出：）提出：里德伯公式是一个普遍适用的方程，氢原子的所有谱线。里德伯公式是一个普遍适用的方程，氢原子的所有谱线。第41页，共80页，编辑于2022年，星期五结论：结论：（1）氢光谱中
43、任何一条谱线的波数，都可以写成两个整）氢光谱中任何一条谱线的波数，都可以写成两个整数决定的函数之差。数决定的函数之差。（2）取）取m一定的值，一定的值，nm，可得到同一线系中各光谱的波，可得到同一线系中各光谱的波数值。数值。（3）改变公式中的）改变公式中的m值，就可得到不同的线系。值，就可得到不同的线系。第42页，共80页，编辑于2022年，星期五（六）光谱项，并合原则（六）光谱项，并合原则 里德伯公式准确地表述了氢原子光谱线系，而且其规里德伯公式准确地表述了氢原子光谱线系，而且其规律简单而明显，这就说明它深刻地反映了氢原子内在的律简单而明显，这就说明它深刻地反映了氢原子内在的规律性。最明显的
44、一点是，氢原子发射的任何一条谱线规律性。最明显的一点是，氢原子发射的任何一条谱线的波数都可以表示成两项之差，即：的波数都可以表示成两项之差，即：其中，每一项都是正整数的函数，并且两项的形式一样。其中，每一项都是正整数的函数，并且两项的形式一样。若我们用若我们用T来表示这些项值，则有来表示这些项值，则有由上式可见，氢原子光谱的任何一条谱线，都可以表由上式可见，氢原子光谱的任何一条谱线，都可以表示成两个光谱项之差。示成两个光谱项之差。第43页，共80页，编辑于2022年，星期五综上所述，氢原子光谱有如下规律：综上所述，氢原子光谱有如下规律：（1）谱线谱线的波数由两个光的波数由两个光谱项谱项之差决定
45、：之差决定：（2）当）当m保持定值，保持定值，n取大于取大于m的正整数时，可给出同一的正整数时，可给出同一光谱系的各条谱线的波数。光谱系的各条谱线的波数。（3）改变）改变m数值，可给出不同的光谱线系。数值，可给出不同的光谱线系。以后将会看到，这三条规律对所有原子光谱都适用，所不以后将会看到，这三条规律对所有原子光谱都适用，所不同的只是各原子的光谱项的具体形式各有不同而已。同的只是各原子的光谱项的具体形式各有不同而已。第44页，共80页，编辑于2022年，星期五 19131913年，卢瑟福用年，卢瑟福用粒子散射实验证实了核的存在，但是电粒子散射实验证实了核的存在，但是电子在核外的运动情形如何，却
46、没有一个合理的模型，如果设想子在核外的运动情形如何，却没有一个合理的模型，如果设想电子绕核运动，便无法解释原子的线光谱和原子坍缩问题，经电子绕核运动，便无法解释原子的线光谱和原子坍缩问题，经典理论在讨论原子结构时遇到了难以逾越的障碍。典理论在讨论原子结构时遇到了难以逾越的障碍。当时，年仅当时，年仅2828岁的玻尔刚从丹麦的哥本哈根大学获博士学位，就来到岁的玻尔刚从丹麦的哥本哈根大学获博士学位，就来到卢瑟福实验室，他认定原子结构不能由经典理论去找答案，正如他卢瑟福实验室，他认定原子结构不能由经典理论去找答案，正如他自己后来说的：自己后来说的：我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就全部清楚我一看到
47、巴尔末公式，整个问题对我来说就全部清楚了。了。玻尔（玻尔（N.BohrN.Bohr）首先提出量子假设，拿出新的模型，并由此建立）首先提出量子假设，拿出新的模型，并由此建立了氢原子理论，从他的理论出发，能准确地导出巴尔末公式，从纯理论了氢原子理论，从他的理论出发，能准确地导出巴尔末公式，从纯理论的角度求出里德伯常数的角度求出里德伯常数 ，并与实验值吻合的很好。此外，玻尔理论对，并与实验值吻合的很好。此外，玻尔理论对类氢离子的光谱也能给出很好的解释。因此，玻尔理论一举成功，很快类氢离子的光谱也能给出很好的解释。因此，玻尔理论一举成功，很快为人们接受。为人们接受。1.氢原子结构氢原子结构第45页，共
48、80页，编辑于2022年，星期五玻尔（玻尔（Niels henrik David Bohr，1885-1962）19131913年在英国年在英国哲学哲学杂志杂志发表了发表了论原子结构与分子结论原子结构与分子结构构等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地解释了氢原子的光谱规律。解释了氢原子的光谱规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子物理的形成，具有划时代的意义。物理的形成，具有划时代的意义。玻尔
49、于玻尔于19221922年年1212月月1010日诺贝尔诞生日诺贝尔诞生100100周年之际，在瑞典周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。19371937年，他来中国作学术访问，表达了对中国人民的年，他来中国作学术访问，表达了对中国人民的友好情谊。友好情谊。丹麦理论物理丹麦理论物理学家，现代物学家，现代物理学的创始人理学的创始人之一。之一。第46页，共80页，编辑于2022年，星期五 为了解释氢原子的线光谱，必须研究氢原子的结构，如果从卢瑟福的原子核式模为了解释氢原子的线光谱，必须研究氢原子的结构，如果从卢瑟福的原子核式模型出发，那么根据经典电动力
50、学，电子的旋转将引起电磁辐射，因此电子的轨道半型出发，那么根据经典电动力学，电子的旋转将引起电磁辐射，因此电子的轨道半径会越来越小，最后掉入核里，正负电荷中和，原子发生坍缩，可以证明在这一过径会越来越小，最后掉入核里，正负电荷中和，原子发生坍缩，可以证明在这一过程中，电子的旋转频率不断增加，辐射的波长也相应地连续改变，那么原子光谱应程中，电子的旋转频率不断增加，辐射的波长也相应地连续改变，那么原子光谱应是连续谱。可是实验现象却不是这样，经典物理在原子光谱面前失效了。为了解释是连续谱。可是实验现象却不是这样，经典物理在原子光谱面前失效了。为了解释氢原子光谱的实验事实，玻尔于氢原子光谱的实验事实，