原子物理與量子力學(xué)課件第1章緒論

1、原子物理與量子力學(xué)唐敬友 主編 Tel: (O) (MP)教學(xué)提示1.緒論(2學(xué)時(shí))2.以復(fù)習(xí)、回憶大學(xué)物理知識為主，并閱讀有關(guān)文獻(xiàn)。本講主要參考書：禇圣麟，原子物理學(xué)，北京：高等教育出版社，1979.曾謹(jǐn)言，量子力學(xué)教程，北京：科學(xué)出版社，2003.各種物理學(xué)史的專著。經(jīng)典物理學(xué)的回顧19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)大廈1、宏觀力學(xué)(1)理論基礎(chǔ) 牛頓三大定律、三大守恒定律、萬有引力定律。(2)學(xué)科分類 見下圖。2、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理（1）熱力學(xué)熱力學(xué)四大定律、麥?zhǔn)详P(guān)系（2）分子運(yùn)動動理學(xué)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)（隨溫度分布律）（3）熱的傳導(dǎo)、對流與輻射傳熱傳質(zhì)學(xué)（4）相變熱力學(xué)氣體、液體和固體的三態(tài)相變（第四態(tài)：

2、等離子體態(tài)？）3、電磁學(xué)與光學(xué)的統(tǒng)一(1)靜電場與靜磁場電荷與磁極的靜態(tài)性質(zhì)(2)Maxwell 方程組及其邊界條件電磁場理論(3)光的波動理論與電磁場理論的統(tǒng)一電介質(zhì)物理4.電子的發(fā)現(xiàn)與原子核式結(jié)構(gòu)模型的提出 此外，還應(yīng)當(dāng)提出適當(dāng)?shù)某跏紬l件，才能形成定解方程組。19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)的整體印象 物理學(xué)的高樓大廈已經(jīng)建成。正如J C Maxwell 于1871年在劍橋大學(xué)就職演說中所講： “在幾年中，所有重要的物理常數(shù)將被近似估計(jì)出來給科學(xué)界人士留下的只是提高這些常數(shù)的觀測精度?！?9世紀(jì)末物理學(xué)大師們的態(tài)度1.興高采烈2.疑慮困惑晴朗的物理學(xué)天空中有兩朵小小的、令人不安的烏云以太紫外災(zāi)難W.

3、Thomson（Kelvin勛爵）提出經(jīng)典物理的困難與近代物理的突破1.經(jīng)典物理的困難黑體輻射黑體：在任何溫度下都能全部吸收落在它上面的一切輻射的理想吸收體。黑體輻射的經(jīng)典電磁理論與經(jīng)驗(yàn)規(guī)律斯特藩玻耳茲曼公式（1879）：黑體表面單位面積上單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的總能量與它的熱力學(xué)溫度的四次方成正比，即總輻射本領(lǐng)維恩位移定律（1893）：黑體輻射的能譜峰位的波長與溫度成反比，即維恩分布定律（1895）：能譜密度分布公式瑞利金斯公式（1895）：能譜密度分布公式黑體輻射規(guī)律在短波（或高頻）情況下維恩分布定律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，而在長波（或低頻）下與實(shí)驗(yàn)偏差較大。在長波（或低頻）情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與瑞利金斯公

4、式一致。瑞利金斯公式在長波（或低頻）下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但在極高頻（或極短波）時(shí)，能譜密度為無窮大，與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相悖，史稱“紫外災(zāi)難”。黑體輻射能譜密度與波長的關(guān)系圖普朗克公式（見教材附錄A3） 1900年，普朗克借用數(shù)學(xué)上的內(nèi)插法，經(jīng)過一系列的推導(dǎo)得到了與實(shí)驗(yàn)符合得非常好的黑體輻射能譜分布公式，即著名的普朗克公式： 普朗克在推導(dǎo)公式中首先用到了能量子的概念，這也是他成功導(dǎo)出上式的關(guān)鍵。但他對自己的工作非常不滿意，認(rèn)為是一個(gè)牽強(qiáng)附會的做法。對此規(guī)律的解釋，經(jīng)典理論無能為力！固體比熱 杜隆和伯替按能量均分定理導(dǎo)出的固體比熱容是常數(shù)3R（R是理想氣體常數(shù)）。 在室溫和更高的溫度下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之相符。但

5、在極低溫度下，固體的比熱容隨溫度趨于零而快速趨于零（正比于溫度T3）。 對此解釋，經(jīng)典理論也無能為力！氫原子的線狀光譜氫原子光譜是線狀光譜，不是連續(xù)光譜。氫原子的光譜線系的波數(shù)（或波長）可用簡單的經(jīng)驗(yàn)公式表示上式中，n、m均取正整數(shù)，且mn。此式叫里德伯方程。n取不同的值時(shí)對應(yīng)不同的線系，先后被發(fā)現(xiàn)的氫光譜線系見下表。對此規(guī)律的解釋，經(jīng)典理論也無能為力！譜線系名稱波段范圍nm發(fā)現(xiàn)者發(fā)現(xiàn)年代賴曼系紫外12, 3, 4, Lyman1914巴耳末系可見23, 4, 5, Balmer1853帕邢系紅外34, 5, 6, Paschen1908布喇開系紅外45, 6, 7, Brackett1922

6、普豐特系紅外56, 7, 8, Pfund1924漢福萊系紅外67, 8, 9, Humphreys?原子核式結(jié)構(gòu)模型原子結(jié)構(gòu)電子的發(fā)現(xiàn)：電量、質(zhì)量（荷質(zhì)比）。湯姆孫模型：西瓜模型，即電子均勻鑲嵌在正電荷中。盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型：行星模型，即核外電子繞原子核運(yùn)動。原子核式結(jié)構(gòu)模型的正確性粒子散射實(shí)驗(yàn)物理模型實(shí)驗(yàn)裝置原理理論解釋 利用電子與核電荷之間的庫侖相互作用運(yùn)動，可導(dǎo)出庫侖散射公式式中，Z1、Z2分別是入射粒子和靶核的原子序數(shù)，E是入射粒子的動能，是散射角，b稱為瞄準(zhǔn)距離。問題：由于瞄準(zhǔn)距離在實(shí)驗(yàn)中無法準(zhǔn)確測量，上述公式的正確性不能用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。盧瑟福公式微分截面的定義表示對于單位面積內(nèi)的每

7、個(gè)靶核，單位入射粒子、單位立體角內(nèi)的散射粒子數(shù)。盧瑟福公式物理意義：粒子散射到方向單位立體角內(nèi)每個(gè)靶原子的有效散射截面。它具有面積的量綱，單位：m2/sr（米2/球面度）。盧瑟福公式的實(shí)驗(yàn)證明以上結(jié)果被盧瑟福的學(xué)生蓋革、馬斯頓于1913年一一證明。原子核式結(jié)構(gòu)模型行星模型的困難原子的穩(wěn)定性：無法解釋原子的穩(wěn)定性。按照經(jīng)典電動力學(xué)理論，加速的核外電子在原子核電場中運(yùn)動會不斷產(chǎn)生電磁輻射，其能量會減少，最終很快使電子掉到原子核中。到事實(shí)上，原子十分穩(wěn)定，并沒有坍縮。原子的同一性：任何哪種原子，只要核電荷數(shù)相同，無論它處在哪里或來自何方，它們就完全一樣。但宇宙中未發(fā)現(xiàn)兩顆完全相同的星體。行星模型不能解釋原子的同一性。原子的再生性：原子與外來粒子發(fā)生作用，其作用一旦去除，原子將恢復(fù)其原貌。而行星受到外來星體的撞擊，那將是災(zāi)難性的，不可能恢復(fù)。2.近代物理的突破和三大理