实物粒子使氢原子跃迁判据

实物粒子使氢原子跃迁判据使氢原子中的电子发生向外跃迁有两种途径：一是用光照射；二是通过具有一定的动能的实物粒子的碰撞。用光照射使氢原子跃迁时，入射光的频率要满足于选择性原则(光子能量超过电离能时除外)，对于用实物粒子通过碰撞实现氢原子的跃迁，许多资料认为：“实物粒子与光子不同，其能量不是一份一份的，只要入射粒子的能量大于或等于氢原子两级的能量差值时，其动能的全部或部分为原子所吸收，可使原子发生能级跃迁”，上述结论是错误的。应当从碰撞的角度，运用碰撞遵循的规律进行深入的分析，才能得到正确的结论。实物粒子与氢原子的碰撞要满足动量守恒定律和能量守恒原理(系统动能不能增加)发生完全非弹性碰撞(即碰后实物粒子与氢原子有相同的速度)时，系统损失的动能最大，这个最大值称为“损失阀限值”，记作△Ek，被氢原子吸收用以电子跃迁的能量只能是这个阀限值的全部或部分，而不是碰前实物粒子动能的全部或部分。当氢原子两能级(其中的低能级为初态)的能量差值(En-E1)等于或小于这个阀限值时，则跃迁发生，且分别对应实物粒子与氢原子发生完全非弹性碰撞和一般弹性碰撞；大于这个阀限值时，则不发生跃迁，实物粒子与氢原子发生的是完全弹性碰撞。下面对判据中的阀限值进行计算，并举例说明其应用。1、系统动能损失阀限值的计算设实物粒子的质量为m动能E0，入射速度为V0，氢原子原来处于静止状态，质量为M，则发生完全非弹性碰撞时，由动量守恒定律得：vMmmv)(0系统损失动能的阀限值：02022021)(2121EMmMvMmmMvMmmvEk可见动能损失阀限值不仅与实物粒子的初动能有关，还与实物粒子质量有关，对于不同的粒子，这个阀限值一般是不同的⑴电子入射如果用电子作实物粒子与氢原子碰撞，则因Mm,故可近似认为系统损失动能的阀限值为0EEk，因此结合前述判据，只要入射电子的初动能大于或等于能级差，跃迁发生。⑵质子、中子或氢原子入射用质子、中子或氢原子作实物粒子碰撞处于静止状态的另一氢原子，则因其质量m=M，故可得损失阀限值021EEk。因此只有在氢原子两能级的能级差值等于或小于入射粒子动能的1/2时，跃迁方可发生。2、判据的应用例1、要使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是：A.用10.2ev的光子照射；B.用11ev的光子照射；C.用11ev动能的电子碰撞；D.用10ev动能的电子碰撞E.用20ev动能的质子碰撞；F.用31ev动能的中子碰撞解析：氢原子基态与第一激发态能级差：10.2ev氢原子基态与第二激发态能级差：12.09ev故可由吸收光子的选择性原则可知A可行而B不可行；由上述电子入射动能损失阀限值公式0EEk及10.2ev＜11ev，运用判据可知C可行而D不可行；由上述质子、中子入射动能的损失阀限值公式021EEk及选项提供的数据[(20/2)ev＜10.2ev＜(31/2)ev]可知E不可行而F可行例2、一个处于基态的氢原子与另一个基态的氢原子碰撞，问可能发生非弹性碰撞的最小速率为多大？氢原子的质量为1.67×10-27kg，电离能E=13.6ev=2.18×10-18J.(第七届国际物奥)解：根据题意两原子发生非弹性碰撞，因此系统有动能损失，而电子发生跃迁时，由上面氢原子作实物粒子时推得的阀限值结论，运用本文指出的判据得E0/2应大于氢原子基态与任意激发态的能级差值。因此(E0/2)≥10.2ev即(mV02/4)≥10.2ev，得Vmin=6.26×104m/s意指系统动能有损失，原子要发生跃迁