大学物理学电子教案

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1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案武警学院教学课件武警学院教学课件量子物理（量子物理（2）19-3 康普顿效应康普顿效应19-4 氢原子的玻尔理氢原子的玻尔理论论19-5 弗兰克弗兰克-赫兹实验赫兹实验复复 习习黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说黑体黑体 黑体辐射黑体辐射斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律黑体辐射的瑞利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普朗克假说普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式黑体辐射的应用黑体辐射的应用光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性光电效应的实验规律光电效应的实验规律 光子

2、光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程光电效应的应用光电效应的应用 光的波粒二象性光的波粒二象性19-3 康普顿效应康普顿效应一、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，通过光阑后成射线，通过光阑后成为一束狭窄的为一束狭窄的X射线，射线，投射到散射物质上，投射到散射物质

3、上，用摄谱仪可以测不同用摄谱仪可以测不同方向上散射光波长及方向上散射光波长及相对强度。相对强度。AB1B2CDGR3、实验现象、实验现象I =0o I =45oI =90oI =135o 0正常散射正常散射波长变长的散射波长变长的散射称为康普顿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，既有与入射线相同的波长同的波长 ，又有比入射光线更长的，又有比入射光线更长的波长波长 ，而且，而且DD= - 随角随角 的增加而的增加而增大，但与增大，但与X射线的波长射线的波长 和散射物质和散射物质无关。无关。4、经典物理学的困难：、经典物理学的困难：经典电磁理论只能说明有正常散射经典电

4、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存在，即散射光的频率与入射光频率相等；而无法解释率相等；而无法解释D D 的存在及其的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。所存在的康普顿效应的实验规律。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。的电子相互作用的结果。假设在碰撞过程中，动量与能假设在碰撞过程中，动量与能量都是守恒的，电子带走一部分能量与动量，因而散射量都是守恒的，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，即出去

5、的光量子的能量与动量都相应地减小，即X射线的射线的波长变长。波长变长。2、定量计算、定量计算入射光子入射光子散射的光子散射的光子外层电子外层电子光子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 得出得出将将（4）带入带入（3）式：）式：（5）称为康普顿波长称为康普顿波长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两象性证明在光电相互作用的过

6、程中严格遵守能量、动量守恒定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。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。中包含了普朗克常量，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，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引言：引言：1 1、量子论、量子论1900年，普朗克

7、引入能量子的概念，解释了黑体辐射的年，普朗克引入能量子的概念，解释了黑体辐射的规律，为量子理论奠定了基础；规律，为量子理论奠定了基础；1905年，爱因斯坦提出光量子学说，说明了光电效应的年，爱因斯坦提出光量子学说，说明了光电效应的实验规律，为量子理论的发展开创了新的局面；实验规律，为量子理论的发展开创了新的局面；19201926年，康普顿效应的发现、以及理论分析和实年，康普顿效应的发现、以及理论分析和实验结果的一致，有力地证明了光子学说的正确性。验结果的一致，有力地证明了光子学说的正确性。19-4 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论2 2、光谱学、光谱学19世纪世纪80年代，光谱学的发展，使人们

8、意识到光谱规年代，光谱学的发展，使人们意识到光谱规律实质是显示了原子内在的机理。律实质是显示了原子内在的机理。3 3、电子的发现、电子的发现1897年，年，J.J.汤姆孙发现了电子，促使人们探索原子的结汤姆孙发现了电子，促使人们探索原子的结构。构。为运用量子理论研究原子结构提供的坚实的理论和实验基础。为运用量子理论研究原子结构提供的坚实的理论和实验基础。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H ：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

9、410.120nm瑞典的埃格斯特朗在瑞典的埃格斯特朗在1853年年首先观测到的，波长的单位首先观测到的，波长的单位就是以他的名字命名的。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氢原子的前四条谱线归纳把氢原子的前四条谱线归纳巴耳末巴耳末公式公式巴耳末巴耳末系系波长极限值波长极限值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2 2、氢原子光谱规律、氢原子光谱规律赖曼系赖曼系(1916)紫外部分紫外部分帕邢系帕邢系(1908)可见光可见光布喇开系布喇开系(1922)近红外部分近红外部分普丰德系普丰

10、德系(1924)红外部分红外部分汉弗莱系汉弗莱系(1953)远红外部分远红外部分当当nf一定时，由不同的一定时，由不同的ni构成一个谱系；构成一个谱系；不同的不同的nf构成不同的谱系。构成不同的谱系。实验表明：实验表明：原子具有线光谱；原子具有线光谱；各谱线间具有一定的关系各谱线间具有一定的关系;每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。统一公式统一公式里兹组合原理：里兹组合原理：任一条谱线的波数都等于该元素所固有的许多任一条谱线的波数都等于该元素所固有的许多光谱项中的两项之差，光谱项中的两项之差， 这是里兹在这是里兹在1908年发现的。年发现的。表面上如

11、此繁杂的光谱线可以用如此简单表面上如此繁杂的光谱线可以用如此简单的公式表示，这是一项出色的成果。但是的公式表示，这是一项出色的成果。但是它是凭经验凑出来的，它为什么与实验符它是凭经验凑出来的，它为什么与实验符合得如此之好，在公式问世将近三十年内，合得如此之好，在公式问世将近三十年内，一直是个谜。一直是个谜。二、二、卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型1903年年J.J.汤姆孙提出：原子中的正汤姆孙提出：原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径电荷和原子的质量均匀地分布在半径为为10-10m的球体范围内，而原子中的的球体范围内，而原子中的电子浸于此球中。电子浸于此球中。1 1、原子的葡萄干

12、蛋糕模型、原子的葡萄干蛋糕模型缺点：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。2 2、粒子散射实验粒子散射实验RSOFPT大部分大部分粒子穿过金箔后只偏转很粒子穿过金箔后只偏转很小的角度；但是在实验中竟然发小的角度；但是在实验中竟然发现有少量现有少量粒子的偏转角度大于粒子的偏转角度大于900，甚至约有几万分之一的粒子被，甚至约有几万分之一的粒子被向后散射了。向后散射了。粒子大角度散粒子大角度散射否定了汤姆射否定了汤姆孙的原子模型。孙的原子模型。 3 3、卢瑟福的原子有核模型或行星

13、模型卢瑟福的原子有核模型或行星模型1911年，年，卢瑟福卢瑟福提出原子提出原子有核模型有核模型或称或称行星模行星模型型：原子的中心有一个带正电的原子核，它几：原子的中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的大小与整个原子相比是很小的。转，核的大小与整个原子相比是很小的。原子的有核模型可以原子的有核模型可以解释粒子的大角度散射解释粒子的大角度散射问题。问题。4 4、卢瑟福的原子有核模型的困难、卢瑟福的原子有核模型的困难经典电磁理论：经典电磁理论：作加速运动的电子会不断地向外辐射电磁波，作加速运动的电子会不断地向外辐射电磁

14、波，其频率等于电子绕核旋转的频率。由于原子不断地向外辐射其频率等于电子绕核旋转的频率。由于原子不断地向外辐射电磁波，其能量会逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐电磁波，其能量会逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐地改变，因而原子发射的光谱应该是地改变，因而原子发射的光谱应该是连续光谱连续光谱。由于原子总能量的减少，电子将逐渐接近原子核而导致电子由于原子总能量的减少，电子将逐渐接近原子核而导致电子会会落到原子核落到原子核上。上。实验事实：实验事实：原子是稳定的；原子所发射的线光谱具有一定的原子是稳定的；原子所发射的线光谱具有一定的规律。规律。卢瑟福（卢瑟福（E. Rutherford，1871-

15、1937） 英国物理学家，出生于新西兰。英国物理学家，出生于新西兰。1859年成为卡文迪许实验室主任年成为卡文迪许实验室主任J. J. 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，并射线，并提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。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世纪三项最伟大的发现。世纪三项最伟大的发现。他于他于1908年获得诺贝尔化学奖金。年获得诺贝尔化学奖金。卢瑟福还判定卢瑟福还判定粒子是带正电的氦原子核，他粒子是带正电的氦原子核，他根据根据粒子散射实验提

16、出原子的有核模型。卢粒子散射实验提出原子的有核模型。卢瑟福被誉为瑟福被誉为原子物理之父原子物理之父，又是开创原子核，又是开创原子核物理学的奠基人。物理学的奠基人。玻尔（玻尔（Niels henrik David Bohr，1885-1962） 在在1913年发表了论原子结构与分子结构等三年发表了论原子结构与分子结构等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的篇论文，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。满地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，推动了玻尔的成功，使

17、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。量子物理的形成，具有划时代的意义。玻尔于玻尔于1922年年12月月10日诺贝尔诞生日诺贝尔诞生100周年之际，周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。1937年，他来中国作学术访问，表达了对中国人年，他来中国作学术访问，表达了对中国人民的友好情谊。民的友好情谊。丹麦理论物丹麦理论物理学家，现理学家，现代物理学的代物理学的创始人之一。创始人之一。三、氢三、氢原子的玻尔理论原子的玻尔理论定态假说：定态假说：电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动，电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上

18、运动，而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态）并具有一定而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态）并具有一定的能量。的能量。其中其中n=1,2,3,.称称为主量子数为主量子数量子化条件：量子化条件：电子以速度电子以速度v在半径为在半径为r的圆周上绕核运动时，的圆周上绕核运动时，只的电子角动量只的电子角动量L等于等于h/(2p p )的整数倍的那些轨道才是稳定的的整数倍的那些轨道才是稳定的1 1、玻尔的基本假设玻尔的基本假设跃迁假设：跃迁假设：当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，即电子从高能量即电子从高能量Ei的轨道跃迁到低能量的轨道跃迁到低能量

19、Ef的轨道上时，要的轨道上时，要发射能量为发射能量为hn n 的光子：的光子：卢瑟福的原子核模型卢瑟福的原子核模型氢原子光谱的巴尔末公式氢原子光谱的巴尔末公式普朗克能量子概念普朗克能量子概念2 2、玻尔的、玻尔的氢原子图象氢原子图象电子轨道半径电子轨道半径电子在半径为电子在半径为rn的轨道上以速率的轨道上以速率vn运动运动波尔半径波尔半径n=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r1原子能级原子能级1234氢原子能级图氢原子能级图65n=1 正常状态正常状态n=2,3, 激发态激发态电子跃迁的辐射规律电子跃迁的辐射规律与里德伯常量非常接近与里德伯常量非常接近赖曼系赖曼

20、系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系En=E1/n265E5=E1/254E4=E1/163E3=E1/9=-1.51eV2E2=E1/4=-3.39eV1E1=-13.6eV氢原子的光谱图氢原子的光谱图3 3、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

21、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。4 4、玻尔氢原子理论的困难、玻尔氢原子理论的困难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和宽度；不能解释谱线的强度和宽度；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。学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。19-5 弗兰克弗兰克-赫兹实

22、验赫兹实验一、实验装置一、实验装置AV+-FP+-+-G管内充满低压汞蒸汽，管内充满低压汞蒸汽，电子从加热的灯丝电子从加热的灯丝F发射，发射，在加速电压在加速电压U0作用下电作用下电子被加速，向栅极子被加速，向栅极G运运动，在动，在GP之间加反向电之间加反向电压压Ur (0.5V左右左右)，电子，电子穿过栅极穿过栅极G到达到达P，在电，在电路中可看出电流路中可看出电流IP。二、实验结果二、实验结果在起始阶段，在起始阶段，IP随随U0而增加，当而增加，当IP达到峰值后，随达到峰值后，随U0增加，增加，IP急急剧下降，然后剧下降，然后IP又随又随U0增加，出增加，出现第一个波，此后，又出现第二现第

23、一个波，此后，又出现第二个峰值与第二个波。个峰值与第二个波。0510151002003004.99.813.7U0VIP三、解释三、解释基态能量基态能量E1，第一激发态，第一激发态E2，第二激发态，第二激发态E3，电子能量电子能量Ek当当EkE2-E1，电子不能使汞原子激发，电子与原子间为弹性，电子不能使汞原子激发，电子与原子间为弹性碰撞，所以随碰撞，所以随U0的增加的增加Ip增加；增加；当当Ek E2-E1汞原子从基态跃迁到激发态，电子与原子为非弹汞原子从基态跃迁到激发态，电子与原子为非弹性碰撞，电子动能损耗，出现第一波谷；性碰撞，电子动能损耗，出现第一波谷；第二波谷：电子两次与汞原子相碰的

24、结果。第二波谷：电子两次与汞原子相碰的结果。当汞原子从第一激发态跃迁到基态当汞原子从第一激发态跃迁到基态实验中观察实验中观察到该谱线到该谱线四、结果四、结果原子中离散能级确实是存在的。原子中离散能级确实是存在的。小小 结结康普顿效应康普顿效应氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型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作业：作业：思考题：思考题： P309 20，21，23，24 习习 题：题： P311 11，12，13，14 预预 习：习： 19-6，19-7