利用高能粒子轰击原子

第16章量子物理基础十九世纪末,经典物理学达到了相当完善的程度,正当人们欢呼:“物理学的大厦已经建成,以后人们的工作只是为其添砖加瓦而已”之时,一些新的实验事实却使物理学大厦的根基发生了动摇。1、迈—莫实验否定了绝对参照系(以太系)的存在；2、热辐射现象中的“紫外光灾难”；3、放射性现象发现原子是可分的。这些实验事实迫使科学家们抛弃以往惯用的思维方法,重新思考物理学的基本概念,在曲折艰苦的阵痛中终于诞生了相对论和量子论。16.1普朗克量子假设一、热辐射现象2、平衡热辐射:辐射与吸收平衡,温度恒定.1、热辐射:决定于物体温度的电磁辐射.3、描述热辐射的物理量单色辐射强度：在单位时间内从物体表面单位面积上、单位波长间隔内所辐射出的能量。IT(,)总辐射能：在单位时间内从物体表面单位面积上辐射的各种波长的能量dTITE00),()(1、黑体:辐射(吸收)能力最强的物体,能全部吸收一切外来辐射。二、黑体辐射人造黑体模型:不透明材料制成的带小孔空腔。2、黑体的单色辐射强度(单色辐出度)IT(,)1)意义:温度为T的黑体,在单位时间,单位面积上,单位波长间隔所辐射出的能量.定量说明了辐射强度的大小。d2)测定黑体实验原理IT(,)三、黑体辐射定律由黑体实验曲线可以看出:IT(,)1、斯特藩—玻尔兹曼定律：1)黑体的分布规律是温度T的函数,与材料无关。IT(,)2)温度T时,在单位时间、单位面积上的总辐射能：ET0()ETITd00()(,)曲线下面积1879年,斯特藩从实验中发现此规律,五年后玻尔兹曼从理论上得到：40400)(),()(TTETdTITE)/(/10670.542428kmsJkmw2、维恩位移定律曲线峰值对应的mmT,,mTbbmk2898103.),(),()2TITI1893年,维恩得到他们之间关系：mTIT曲线—),(,)1表明:向短波方向移动;cTITI2),(),(mTIT曲线),(,向高频方向移动四、瑞利—金斯公式经典物理的困难瑞利—金斯从经典理论得到：kTdcdTI42),(或kTdcdTI22),(作出理论曲线与实验曲线比较：1)在低频(长波)部分符合很好；2)在高频(紫外)部分出现巨大分歧.0)(,I实验指出:,()(I紫外光灾难）理论得到:五、普朗克假设、黑体辐射公式1、假设:金属空腔壁上带电谐振子(电子)只吸收或发射的整数倍的能量,即能量的变化不连续.h——普朗克常数hJs66301034.nh频率为的谐振子,其能量只能取等一系列不连续的值。——能量量子化假设2、普朗克辐射公式ITdhcdehkT(,)2321与实验曲线符合的很好“新概念”:能量量子化.开始人们不相信,后来1905年爱因斯坦利用其发展了光量子概念,成功解释了光电效应,才被人们普遍接受,1918年获Nobel奖。六、黑体辐射定律的应用光测高温、光测高温计（实验）16.2光电效应一、实验装置1、K—阴极,A—阳极,电子从KA在电路中形成光电流。2、光电效应:在入射光照射下,电子获得能量从金属表面逸出。4、饱和光电流:加正向电压,使逸出金属表面的电子全部到达阳极A,此时光电流为最大值。Is3、遏止电压:电子能从KA,说明电子具有动能;加反向电压,当0maxeUEk此时,0,0光时IUU二、实验规律：3、对给定金属，存在一截止频率。1、饱和电流强度与入射光强度成正比。2、光电子的初动能随入射光频率线性增加,与光的强度无关。4、光电子是即时发射的。三、经典理论的困难1、认为不存在,只要光强足够大,即能发生光电效应.但实验证明:只要不管光强多大,都不会有光电子逸出。002、认为电子吸收能量需要一定的时间积累,但实验发现具有瞬时性。3、光电子初动能应该与入射光强度成正比.四、爱因斯坦的光量子理论1、光量子:光可以看成是微粒—光量子组成的粒子流,每个光子具有能量.h2、爱因斯坦光电效应方程：2021mvWhhW00截止频率2)光电流I正比于光电子数目n和速度v,但n是主要因素。至此,爱因斯坦不仅完美解释了光电效应,还使人们对光的本性的认识有了质的飞跃——波动性兼具粒子性。1)瞬时性解释:单个电子完全吸收光子能量,只要,就立即有光电子逸出.016.2康普顿效应一、实验装置二、实验结果表明:x射线通过物质散射时,波长发生变化,散射后的波长有两个峰值,一个与原来波长相同,另一个与散射角有关。三、对康普顿效应的解释1、经典解释:单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时,引起受迫振动,向各方向辐射同频率的电磁波。经典理论不能作出合理解释!2、光子理论解释:光子与电子的弹性碰撞vvh,2sin2:20cmh定性计算max,,)(,,,0时mcmh1201043.2康普顿波长1)光子传递一部分能量给电子2)为什么还有原波长的峰值？光子与束缚电子碰撞,是与整个原子碰撞,失去能量较少,散射后频率几乎不变。(3)原子量小的物质康普顿效应较显著;原子量大的物质效应不显著。康普顿效应的发现,以及理论分析和实验结果的一致,不仅有力地证实了光子假设的正确性,并且证实了微观粒子的相互作用过程中,也严格遵守能量守恒定律和动量守恒定律。2、光子理论解释16.3氢原子光谱的规律性研究原子结构规律有两条途径：1、利用高能粒子轰击原子—轰出未知粒子来研究(高能物理)；2、通过在外界激发下，原子的发射光谱来研究光谱分析。一、光谱1、发射光谱：1)连续光谱:炽热固体、液体、黑体;2)线状光谱(原子):彼此分立亮线,气体放电、火花电弧等。两者都能反映物质特性及其内部组成结构——特征谱线最简单的原子发射光谱是氢原子光谱。二、氢原子的光谱系十九世纪后半叶,很多科学家都在寻找谱线的规律,1885年巴尔末(1825—1898瑞士一中学教师)发现了氢原子光谱在可见光部分的规律,即2、吸收光谱:连续谱通过物质时,有些谱线被吸收形成的暗线。1、巴尔末系(可见光部分)().,,,1364562345222nnn经验公式21里德伯常量用表示RH112134522vRnnH,,,,波数RAmH236456109710271..2、莱曼系（紫外光部分）111123422RnnH,,,,3、红外光部分：，，，，帕邢系：654nn131R122H,7,6,5n,n141R122H布拉开系：,8,7,6n,n151R122H普丰德系：三、氢原子光谱规律：怎么解释？必须弄清原子内部结构！11122RnnHfi对应莱曼系,1fn,,,21ffifnnnn取取定值对应巴尔末系2fn16.3氢原子的玻尔理论一、原子的核型结构1、汤姆逊模型1893年,J.J.汤姆逊发现电子,原子内有带负电的电子,也有带正电部分,两者电荷量相等.但如何分布,怎么有机结合？1903年提出,球体范围内,电子嵌入沉浸于——“豆糕模型”,问题:电荷融合？谱线系解释不了？且与粒子散射实验结果相违背！：m10101)装置2)实验结果：汤姆逊原子模型不能解释！emmcvHe7400,151,24粒子散射实验、2方向；或oo320a)绝大多数沿原方向oo18090b)在8000多个粒子中,只有1个3、卢瑟福核式模型(行星模型)1911年,“思考”的重要性——典故原子中心——原子核(+)集中全部质量外围——电子(-)绕核旋转核的大小与原子相比较很小。电子绕核作半径为r的圆轨道运行。二、氢原子经典核模型的困难氢原子:一个电子-e,核+e核线度:;原子线度:m1010m14102、原子光谱的规律性由经典物理知道，原子既为一不稳定系统,必然向外发射连续谱,但事实是分立谱无法解释。1、原子的稳定性问题据经典电磁理论:电子加速运动—电磁辐射—能量减少,最终原子核,得出结论：原子为一不稳定系统。二、氢原子经典核模型的困难三、玻尔的氢原子理论1、三条假设：人为加进的,后来知道可由德布罗意假设推出。1)定态假设:原子系统只能具有一系列的不连续能量状态。2)角动量假设——量子化条件Lmvrnhn2123,,,主量子数hEEif3)跃迁假设：2、氢原子能级公式认为:氢核质量无穷大,近似静止(相对电子)(1)半径量子化:库仑力提供向心力nnnrmvre222041由假设22:vnhmrnn,3,2,1,212220nnrnmehrnrmn1100529101.()第一玻尔半径(2)能量量子化电离:基态n=1,激发态n1nnnknpnremvEEE2024121EmehnEnn402221281evhmeE6.13822041说明:不连续,取一系列分立值——能级-nEnn13、原子辐射由玻尔理论得出的谱线系与实验事实吻合)(iffinnEEhvvhEEmehnnifif40232281()1cv181140232222mehcnnRnnifHif()()1、不能解释多电子原子光谱、强度、宽度和偏振性等；2、不能说明原子是如何结合成分子、构成液、固体的。3、逻辑上有错误:以经典理论为基础,又生硬地加上与经典理论不相容的量子化假设,很不协调——半经典半量子理论.四、玻尔氢原子理论的困难满意解释了H、类H原子线谱,得到了且能级概念也被F-H实验证实,但仍存在缺陷:HR玻尔原子理论的意义在于：1)揭示了微观体系具有量子化特征(规律),是原子物理发展史上一个重要的里程碑,对量子力学的建立起了巨大推进作用。2)提出“定态”,“能级”,“量子跃迁”等概念，在量子力学中仍很重要,具有极其深远的影响。16.4实物粒子的波粒二象性一、德布罗意波假设—物质波概念hEhp黑体、光电、康普顿粒子性可以发生干涉、衍射波动性::2、历史的类比手法:(独辟蹊径)1924年,德氏在博士论文中提出:电子亦有波动性,后来推广到所有实物粒子。1、光的波粒二象性:。和看来应具有从波动性的粒子、动量为说明能量为,pEvmhhcmhE020,物质波:与实物粒子相联系的波。德布罗意关系式hmvphmcE23、量子化条件的导出：量子化条件2hnmvrmvnhrmvhnr22(2)角动量L(1)定态:只有当电子在核外绕行的圆轨道周长为电子波长的整数倍,即只有当电子波环绕着原子核形成驻波的情况下,原子才具有稳定状态.二、德布罗意假设的实验证明1、戴维森—革末实验装置:P293灯丝K、加速电压U、狭缝D、晶体M、电子探测器B、电流计G有最大值。时、只有在电子分布不连续的选择性有明显并不单调单调实验发现IVUIU,5450,,,,:kdsin2当U=54V时,A667.1U25.120510衍射极强应在若电子有波动性,应满足布拉格公式:2、汤姆孙电子衍射实验实验得到的衍射图样类似于x射线。证明电子亦有波动性,后来又证明其他实物粒子(原子、中子)亦有波动性。三、德布罗意的统计解释：2AI波动：(2)电子衍射:电子分布稀疏与密集说明电子到达各处P不同。成正比。该处附近出现的概率是与粒子在在某处的统计解释PA2:2)(:APPnhI统计假设大小概率粒子(1)光强解释:16.5不确定关系一、不确定关系1927年,德国物理学家海森伯提出:动量和坐标的不确定量,其乘积约为h的数量级。为不确定量hrp说明:测不准并