高中物理竞赛辅导 原子物理

《高中物理竞赛辅导 原子物理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理竞赛辅导 原子物理（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、岁月无痕官方网站 岁月无痕丰胸精油 丰胸产品排名 丰胸产品排行榜 成都岁月无痕 成都岁月无痕有限公司 更多资料 威海律师事务所 http:/ 原 子 物 理自 1897 年 发 现 电 子 并 确 认 电 子 是 原 子 的 组 成 粒 子 以 后 ， 物 理 学 的 中 心 问 题 就 是 探 索原 子 内 部 的 奥 秘 ， 经 过 众 多 科 学 家 的 努 力 ， 逐 步 弄 清 了 原 子 结 构 及 其 运 动 变 化 的 规 律 并 建立 了 描 述 分 子 、 原 子 等 微 观 系 统 运 动 规 律 的 理 论 体 系 量 子 力 学 。 本 章 简 单 介 绍 一

2、些关 于 原 子 和 原 子 核 的 基 本 知 识 。1.1 原 子1 1 1、 原 子 的 核 式 结 构1897 年 ， 汤 姆 生 通 过 对 阴 极 射 线 的 分 析 研 究 发 现 了 电 子 ， 由 此 认 识 到 原 子 也 应 该 具有 内 部 结 构 ， 而 不 是 不 可 分 的 。 1909 年 ， 卢 瑟 福 和 他 的 同 事 以 粒 子 轰 击 重 金 属 箔 ，即 粒 子 的 散 射 实 验 ， 发 现 绝 大 多 数 粒 子 穿 过 金 箔 后 仍 沿 原 来 的 方 向 前 进 ， 但 有 少数 发 生 偏 转 ， 并 且 有 极 少 数 偏 转 角 超

3、过 了 90， 有 的 甚 至 被 弹 回 ， 偏 转 几 乎 达 到180。1911 年 ， 卢 瑟 福 为 解 释 上 述 实 验 结 果 而 提 出 了 原 子 的 核 式 结 构 学 说 ， 这 个 学 说 的 内容 是 ： 在 原 子 的 中 心 有 一 个 很 小 的 核 ， 叫 原 子 核 ， 原 子 的 全 部 正 电 荷 和 几 乎 全 部 质 量 都 集中 在 原 子 核 里 ， 带 负 电 的 电 子 在 核 外 的 空 间 里 软 核 旋 转 ， 根 据 粒 子 散 射 的 实 验 数 据可 估 计 出 原 子 核 的 大 小 应 在 10-14nm 以 下 。1、 1

4、 2、 氢 原 子 的 玻 尔 理 论1、 核 式 结 论 模 型 的 局 限 性通 过 实 验 建 立 起 来 的 卢 瑟 福 原 子 模 型 无 疑 是 正 确 的 ， 但 它 与 经 典 论 发 生 了 严 重 的 分 歧 。电 子 与 核 运 动 会 产 生 与 轨 道 旋 转 频 率 相 同 的 电 磁 辐 射 ， 运 动 不 停 ， 辐 射 不 止 ， 原 子 能 量 单调 减 少 ， 轨 道 半 径 缩 短 ， 旋 转 频 率 加 快 。 由 此 可 得 两 点 结 论 ： 电 子 最 终 将 落 入 核 内 ， 这 表 明 原 子 是 一 个 不 稳 定 的 系 统 ； 电 子

5、 落 入 核 内 辐 射 频 率 连 续 变 化 的 电 磁 波 。 原 子 是 一 个 不 稳 定 的 系 统 显 然 与 事 实 不符 ， 实 验 所 得 原 子 光 谱 又 为 波 长 不 连 续 分 布 的 离 散 光 谱 。 如 此 尖 锐 的 矛 盾 ， 揭 示 着 原 子 的运 动 不 服 从 经 典 理 论 所 表 述 的 规 律 。为 解 释 原 子 的 稳 定 性 和 原 子 光 谱 的 离 经 叛 道 的 离 散 性 ， 玻 尔 于 1913 年 以 氢 原 子 为研 究 对 象 提 出 了 他 的 原 子 理 论 ， 虽 然 这 是 一 个 过 渡 性 的 理 论 ，

6、但 为 建 立 近 代 量 子 理 论 迈 出了 意 义 重 大 的 一 步 。2、 玻 尔 理 论 的 内 容 ：一 、 原 子 只 能 处 于 一 条 列 不 连 续 的 能 量 状 态 中 ， 在 这 些 状 态 中 原 子 是 稳 定 的 ， 电 子 虽做 加 速 运 动 ， 但 并 不 向 外 辐 射 能 量 ， 这 些 状 态 叫 定 态 。二 、 原 子 从 一 种 定 态 （ 设 能 量 为 E2） 跃 迁 到 另 一 种 定 态 （ 设 能 量 为 E1） 时 ， 它 辐射 或 吸 收 一 定 频 率 的 光 子 ， 光 子 的 能 量 由 这 种 定 态 的 能 量 差 决

7、 定 ， 即h=E2-E1三 、 氢 原 子 中 电 子 轨 道 量 子 优 化 条 件 ： 氢 原 子 中 ， 电 子 运 动 轨 道 的 圆 半 径 r 和 运 动初 速 率 v 需 满 足 下 述 关 系 ： nrmv， n=1、 2更多资料 威海律师事务所 http:/ 其 中 m 为 电 子 质 量 ， h 为 普 朗 克 常 量 ， 这 一 条 件 表 明 ， 电 子 绕 核 的 轨 道 半 径 是 不 连续 的 ， 或 者 说 轨 道 是 量 子 化 的 ， 每 一 可 取 的 轨 道 对 应 一 个 能 级 。定 态 假 设 意 味 着 原 子 是 稳 定 的 系 统 ， 跃

8、 迁 假 设 解 释 了 原 子 光 谱 的 离 散 性 ， 最 后 由 氢 原子 中 电 子 轨 道 量 子 化 条 件 ， 可 导 出 氢 原 子 能 级 和 氢 原 子 的 光 谱 结 构 。氢 原 子 的 轨 道 能 量 即 原 子 能 量 ， 为 rekmvE21因 圆 运 动 而 有 2rekv由 此 可 得 根 据 轨 道 量 子 化 条 件 可 得 ：mrhnv2， n=1， 2因 2mvekr， 便 有 4ke得 量 子 化 轨 道 半 径 为 ： 24kehnr， n=1， 2式 中 已 将 r 改 记 为 rn 对 应 的 量 子 化 能 量 可 表 述 为 ：24hmE

9、n， n=1， 2n=1 对 应 基 态 ， 基 态 轨 道 半 径 为 1ker计 算 可 得 ： r109.5=0.529oAr1 也 称 为 氢 原 子 的 玻 尔 半 径基 态 能 量 为 241hmE计 算 可 得 ： E1= 6.3eV。对 激 发 态 ， 有 ： 2112,nErn， n=1， 2n 越 大 ， rn 越 大 ， En 也 越 大 ， 电 子 离 核 无 穷 远 时 ， 对 应 0， 因 此 氢 原 子 的 电 离能 为 ： eV6.31电 离电 子 从 高 能 态 En 跃 迁 到 低 能 态 Em 辐 射 光 子 的 能 量 为 ：更多资料 威海律师事务所

10、http:/ mnEhv光 子 频 率 为 )1(21n， n因 此 氢 原 子 光 谱 中 离 散 的 谱 线 波 长 可 表 述 为 ： 11)(2mnEhcr，试 求 氢 原 子 中 的 电 子 从 第 n 轨 道 迁 跃 到 n-1 第 轨 道 时 辐 射 的 光 波 频 率 ， 进 而 证 明 当n 很 大 时 这 一 频 率 近 似 等 于 电 子 在 第 n 轨 道 上 的 转 动 频 率 。辐 射 的 光 波 频 率 即 为 辐 射 的 光 子 频 率 ， 应 有)(1nEh将 24nekEn代 入 可 得 23422342 )1(1)( nhmhmek当 n 很 大 时 ，

11、这 一 频 率 近 似 为 34nek电 子 在 第 n 轨 道 上 的 转 动 频 率 为 ： 22nnrmvrUf将 hvn代 入 得 342ekf因 此 ， n 很 大 时 电 子 从 n 第 轨 道 跃 迁 到 第 n-1 轨 道 所 辐 射 的 光 波 频 率 ， 近 似 等 于 电子 在 第 n 轨 道 上 的 转 动 频 率 ， 这 与 经 典 理 论 所 得 结 要 一 致 ， 据 此 ， 玻 尔 认 为 ， 经 典 辐 射是 量 子 辐 射 在 时 的 极 限 情 形 。1、 1 3、 氢 原 子 光 谱 规 律1、 巴 耳 末 公 式研 究 原 子 的 结 构 及 其 规

12、律 的 一 条 重 要 途 径 就 是 对 光 谱 的 研 究 。 19 世 纪 末 ， 许 多 科学 家 对 原 子 光 谱 已 经 做 了 大 量 的 实 验 工 作 。 第 一 个 发 现 氢 原 子 线 光 谱 可 组 成 线 系 的 是 瑞 士的 中 学 教 师 巴 耳 末 ， 他 于 1885 年 发 现 氢 原 子 的 线 光 谱 在 可 见 光 部 分 的 谱 线 ， 可 归 纳 为 如下 的 经 验 公 式 21nR， n=3， 4， 5， 式 中 的 为 波 长 ， R 是 一 个 常 数 ， 叫 做 里 德 伯 恒 量 ， 实 验 测 得 R 的 值 为 1.096776

13、更多资料 威海律师事务所 http:/ 107 m。 上 面 的 公 式 叫 做 巴 耳 末 公 式 。 当 n=3， 4， 5， 6 时 ， 用 该 式 计 算 出 来 的 四 条光 谱 线 的 波 长 跟 从 实 验 测 得 的 H、 、 、 四 条 谱 线 的 波 长 符 合 得 很 好 。 氢 光谱 的 这 一 系 列 谱 线 叫 做 巴 耳 末 系 。2、 里 德 伯 公 式1896 年 ， 瑞 典 的 里 德 伯 把 氢 原 子 光 谱 的 所 有 谱 线 的 波 长 用 一 个 普 遍 的 经 验 公 式 表 示出 来 ， 即 21nRn=1， 2， 3 12n， 2， 31n

14、上 式 称 为 里 德 伯 公 式 。 对 每 一 个 ， 上 是 可 构 成 一 个 谱 线 系 ：1n， 2， 3， 4 莱 曼 系 （ 紫 外 区 ）， ， 4， 5 巴 耳 末 系 （ 可 见 光 区 ）1， 2， 5， 6 帕 邢 系 （ 红 外 区 ）， ， 6， 7 布 拉 开 系 （ 远 红 外 区 ）1n， 2， 7， 8 普 丰 德 系 （ 远 红 外 区 ）以 上 是 氢 原 子 光 谱 的 规 律 ， 通 过 进 一 步 的 研 究 ， 里 德 伯 等 人 又 证 明 在 其 他 元 素 的 原 子光 谱 中 ， 光 谱 线 也 具 有 如 氢 原 子 光 谱 相 类

15、似 的 规 律 性 。 这 种 规 律 性 为 原 子 结 构 理 论 的 建 立提 供 了 条 件 。1、 1 4、 玻 尔 理 论 的 局 限 性 ：玻 尔 原 子 理 论 满 意 地 解 释 了 氢 原 子 和 类 氢 原 子 的 光 谱 ； 从 理 论 上 算 出 了 里 德 伯 恒 量 ；但 是 也 有 一 些 缺 陷 。 对 于 解 释 具 有 两 个 以 上 电 子 的 比 较 复 杂 的 原 子 光 谱 时 却 遇 到 了 困 难 ，理 论 推 导 出 来 的 结 论 与 实 验 事 实 出 入 很 大 。 此 外 ， 对 谱 线 的 强 度 、 宽 度 也 无 能 为 力 ； 也 不能 说 明 原 子 是