波粒二象性和原子結(jié)構(gòu)

會(huì)計(jì)學(xué)1波粒二象性和原子結(jié)構(gòu)1、熱輻射現(xiàn)象一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫做熱輻射。2、黑體在任何溫度下都能全部吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射。第1頁/共58頁說明：①黑體是個(gè)理想化的模型。例：空腔上的小孔，遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。②實(shí)驗(yàn)表明：對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)而黑體輻射電磁波的規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)第2頁/共58頁0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K3、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律隨著溫度的升高：1，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；2，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)。第3頁/共58頁

瑞利公式只在長波與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。瑞利理論值維恩理論值實(shí)驗(yàn)T=1646k維恩公式只在短波與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。第4頁/共58頁4、普朗克能量子理論微觀粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，E=nε（n=1,2,…），這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫能量子。n稱為量子數(shù)。帶電微粒吸收和輻射能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射和吸收的。

h=6.62610-34

J*S----普朗克常數(shù)

能量子的能量：ε=h（是電磁波的頻率）第5頁/共58頁λ(μm)123568947普朗克理論實(shí)驗(yàn)值1800K借助能量量子化假說，普朗克得出了與實(shí)驗(yàn)符合的很好的黑體輻射公式第6頁/共58頁5、能量量子化宏觀：能量可以是任意值，可以連續(xù)變化。微觀世界中：微觀粒子的能量只能是一個(gè)一個(gè)的特定值，不能連續(xù)變化。（能量量子化）量子化：只能取一系列分立值，不能連續(xù)變化第7頁/共58頁2023/1/18光的波動(dòng)性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：干涉、衍射、偏振麥克斯韋和赫茲確認(rèn)光的電磁波本質(zhì)光的粒子性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)第8頁/共58頁2023/1/181、光電效應(yīng)：

現(xiàn)象：紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器內(nèi)的金屬箔帶正電，說明有電子從鋅板上飛出來。

定義：當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流。第9頁/共58頁2023/1/182、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）存在飽和電流在電流較小時(shí)電流隨著電壓的增大而增大，但當(dāng)電流增大到一定值后，即使電壓再增大，電流也不會(huì)增大。這個(gè)最大電流就叫做飽和電流。第10頁/共58頁2023/1/18（2）存在遏止電壓Uc

（反向截止電壓）

當(dāng)所加電壓U為0時(shí)，電流I并不為0.只有施加反向電壓，使電子減速，電流才有可能為0.

電流剛減小到0時(shí)對應(yīng)的電壓叫做遏止電壓Uc。

第11頁/共58頁2023/1/18

IUc2OU黃光（強(qiáng)）黃光（弱）實(shí)驗(yàn)測得的光電效應(yīng)曲線藍(lán)光Uc1遏止電壓飽和電流Is1、對于一定（顏色）頻率的光，無論光強(qiáng)如何，遏止電壓都是一樣。2、對于一定（顏色）頻率的光，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。3、相同強(qiáng)度（單位時(shí)間內(nèi)的能量）的單色光射到同種金屬上，增加入射光的頻率時(shí)，飽和電流減小，遏止電壓增大。第12頁/共58頁2023/1/18（3）存在截止頻率νc

當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值νc時(shí)，無論光的強(qiáng)度多大，加上怎樣的電壓，都不會(huì)有光電流。

這個(gè)臨界頻率叫做截止頻率νc（極限頻率）。

入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。第13頁/共58頁2023/1/18（4）光電效應(yīng)的瞬時(shí)性

當(dāng)入射光的頻率超過截止頻率時(shí)，無論光如何微弱，幾乎在瞬間就會(huì)產(chǎn)生光電流。時(shí)間間隔不超過10-9s。

第14頁/共58頁2023/1/183、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程（1）光子：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。（2）電子從金屬中逃逸，需要克服阻力做功。使電子脫離金屬所要做的最小的功，叫做金屬的逸出功。不同金屬的截止頻率不同，所以逸出功不同。（3）一個(gè)電子一瞬間吸收一個(gè)光子的能量，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動(dòng)能Ek，即：上式即為愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。

第15頁/共58頁2023/1/18光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。若入射光的頻率恰好等于極限頻率，即剛好能有光電子逸出，可理解為逸出的光電子的最大初動(dòng)能為0.因此有如果電子克服阻力做功大于逸出功，則逸出后電子的初動(dòng)能小于最大初動(dòng)能。只有從金屬表面直接飛出的光電子，才有可能具有最大初動(dòng)能。第16頁/共58頁2023/1/18影響飽和電流、遏制電壓、截止頻率的因素1、只要入射光頻率超過截止頻率，飽和電流的大小只與單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)有關(guān)，即光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。2、截止頻率只與金屬的逸出功有關(guān)，即只與金屬的種類有關(guān)。3、遏制電壓與入射光頻率和逸出功有關(guān)。第17頁/共58頁2023/1/184、光電效應(yīng)方程的圖像：（1）外加電壓和光電流的關(guān)系（同種金屬）光的強(qiáng)弱影響飽和電流光強(qiáng)光子數(shù)目多發(fā)射光電子多光電流大光的頻率影響遏制電壓

光的頻率高光子能量大產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能大光的頻率低于截止頻率，不發(fā)生光電效應(yīng)。IUc2OU黃光（強(qiáng)）黃光（弱）藍(lán)光Uc1第18頁/共58頁2023/1/18Uc-W0/eνc（2）遏止電壓-入射光頻率：Uc-ν圖像第19頁/共58頁2023/1/185、光電效應(yīng)方程的驗(yàn)證美國學(xué)者密立根設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性。光子具有能量，光電效應(yīng)顯示了光的粒子性。第20頁/共58頁2023/1/186、康普頓效應(yīng)康普頓在做X射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射波長相同的射線外，還有比入射波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射波長和散射物質(zhì)都無關(guān)。第21頁/共58頁2023/1/18康普頓效應(yīng)的解釋

光子的動(dòng)量與波長存在一定的關(guān)系：

發(fā)生碰撞后，光子的動(dòng)量減小，即光的波長增大。

光子具有動(dòng)量，康普頓效應(yīng)顯示了光具有粒子性第22頁/共58頁2023/1/18對光研究的發(fā)展史牛頓微粒說，光是一群彈性粒子惠更斯波動(dòng)說，光是一種機(jī)械波麥克斯韋電磁說，光是一種電磁波愛因斯坦光子說，光是一份一份光子組成公認(rèn)波粒二象性，光是具有電磁本性的物質(zhì)，既具有波動(dòng)性，又具有粒子性。光具有波粒二象性，是愛因斯坦的光子說和麥克斯韋的電磁說的統(tǒng)一。第23頁/共58頁2023/1/18光的波粒二象性1、光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，為說明光的一切行為，只能說光具有波粒二象性。2、理解：①既不可以把光當(dāng)成宏觀概念的波，也不可以把光當(dāng)成宏觀或微觀概念中的粒子。②大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動(dòng)性，個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性；頻率越低的光波動(dòng)性越明顯，頻率越高的光粒子性越明顯。③光的波動(dòng)性不是光子之間的相互作用引起的。④光在傳播過程中往往顯示波動(dòng)性，在與物質(zhì)作用時(shí)往往顯示粒子性⑤光波是一種概率波概率就是大概的幾率，是一種可能性，而不是確定性。光是不連續(xù)的，一分一分的，它可能到達(dá)某個(gè)地方，若大量光子能到達(dá)某地方就表現(xiàn)出波動(dòng)性。光子落在明紋處的概率大，落在暗紋處的概率小。第24頁/共58頁2023/1/18經(jīng)典粒子任意時(shí)刻有確定的位置和速度以及時(shí)空中間確定的軌道，是經(jīng)典物理學(xué)中粒子運(yùn)動(dòng)的基本特征。經(jīng)典波具有波長和頻率，即在空間和時(shí)間上具有周期性。物質(zhì)波德布羅意認(rèn)為，實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，都有一種波與之伴隨，遵從這種關(guān)系的波稱為德布羅意波。物質(zhì)波是一種概率波。第25頁/共58頁2023/1/18戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，從而證實(shí)了電子（微觀粒子或宏觀物體）的波動(dòng)性，為此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。德布羅意提出的物質(zhì)波假設(shè)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)也具有波動(dòng)性，但觀察不到其波動(dòng)性，是因?yàn)槠洳ㄩL太短，波動(dòng)性太弱，所以干涉衍射現(xiàn)象不明顯?？偨Y(jié)：波粒二象性一切運(yùn)動(dòng)物體的共同特性。第26頁/共58頁2023/1/1818.原子結(jié)構(gòu)第27頁/共58頁2023/1/181、陰極射線是高速電子流①在陰極射線管中，陰極射線是由陰極處于熾熱狀態(tài)而發(fā)射的電子流，通過高壓電對電子加速獲得能量，使之與玻璃上的熒光物質(zhì)發(fā)生撞擊而發(fā)光②陰極射線的比荷比氫離子的大2、湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子湯姆孫測出了陰極射線粒子的比荷，斷定它是帶負(fù)電的粒子，后來被稱為電子湯姆孫模型“西瓜模型”或“棗糕模型”第28頁/共58頁2023/1/183、α粒子散射實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果：1、絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進(jìn)。2、少數(shù)α粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)。3、極個(gè)別α粒子被彈回。第29頁/共58頁2023/1/184、盧瑟福對散射結(jié)果的解釋（1）絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進(jìn)。（2）少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)。（3）極個(gè)別α粒子被彈回。原子內(nèi)是十分空的，絕大多數(shù)α粒子沒有碰上帶正電的質(zhì)量大的物質(zhì)。只有少數(shù)α粒子離帶正電物質(zhì)較近。命中率很小，原子內(nèi)正電荷和原子的質(zhì)量集中在很小的體積內(nèi)。只有極個(gè)別的α粒子正對著帶正電的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。第30頁/共58頁2023/1/185、盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型

在原子的中心，有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間運(yùn)動(dòng)。第31頁/共58頁2023/1/18左手定則1、伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向。2、伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向（負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向），這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。判斷力的方向第32頁/共58頁2023/1/18右手螺旋定則安培定則

判斷磁場和電流方向右手握住導(dǎo)線，讓伸直的拇指所指的方向與電流（磁場）方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線（電流）環(huán)繞的方向。光譜：白光通過三棱鏡后得到的彩色光帶叫做光譜用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長展開，獲得光的波長（頻率）和強(qiáng)度分布的記錄。第33頁/共58頁(1)連續(xù)光譜一、光譜1、發(fā)射光譜:由發(fā)光體直接產(chǎn)生的光譜形式：連續(xù)分布，一切波長的光都有產(chǎn)生：熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)光形成(2)線狀譜(原子光譜)形式：一些不連續(xù)的明線組成，不同元素的明線光譜不同產(chǎn)生：單原子的稀薄氣體或金屬蒸汽發(fā)光形成的光譜第34頁/共58頁每一種原子都有自己特定的原子光譜，不同原子，其原子光譜均不同是原子的特征譜線(2)線狀譜(原子光譜)第35頁/共58頁2、吸收光譜:熾熱的白光通過溫度較低的物質(zhì)氣體時(shí)，某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜一、光譜吸收光譜中每一條暗線都跟該種原子的原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對應(yīng)吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特征譜線。表明某種原子發(fā)出的光和吸收的光的頻率是特定的，通常吸收光譜中的暗線比線狀譜中的亮線要少一些。故明線和暗線是一一對應(yīng)的說法是錯(cuò)誤的。第36頁/共58頁2023/1/18太陽光譜是吸收光譜陽光透過太陽高層大氣射向地球時(shí)，太陽高層大氣中含有的元素會(huì)吸收它自己特征譜線的光，然后再發(fā)射出去，不過這次發(fā)射是向四面八方發(fā)射。所以到達(dá)地球的這些譜線看起來就弱了。這樣就形成了明亮背景下的暗線。與已知元素的譜線相比較，知道太陽高層大氣中含有鈉、鎂、銅、鋅、鎳等金屬元素。太陽的光譜第37頁/共58頁1、光譜分析：

根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成的方法。線狀譜和吸收光譜(原子特征譜線)非常靈敏、迅速。10-10g檢查物質(zhì)純度、發(fā)現(xiàn)新元素和研究天體的化學(xué)組成。2、可應(yīng)用于光譜分析的光譜：3、優(yōu)點(diǎn)：4、應(yīng)用：二、光譜分析第38頁/共58頁氫原子是最簡單的原子，其光譜也最簡單。三、氫原子光譜特點(diǎn):光譜是分立的亮線（只含幾種特定頻率的光）可見光區(qū)電子的運(yùn)動(dòng)原子結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生光譜研究第39頁/共58頁三、氫原子光譜巴耳末對氫光譜在可見光區(qū)的四條譜線研究得出：其中,R叫里德伯常量,實(shí)驗(yàn)值為：可見光區(qū):巴耳末公式第40頁/共58頁2023/1/18盧瑟福原子的核式結(jié)構(gòu)模型正確提出了原子核的存在，很好的解釋了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，但是.........第41頁/共58頁431、矛盾一：2、矛盾二：四、經(jīng)典理論的困難無法解釋原子的穩(wěn)定性無法解釋原子光譜的分立性核外電子繞核運(yùn)動(dòng)輻射電磁波電子軌道半徑連續(xù)變小原子不穩(wěn)定輻射電磁波頻率連續(xù)變化事實(shí)上：原子是穩(wěn)定的輻射電磁波頻率只是某些確定值第42頁/共58頁2023/1/18丹麥的玻爾在普朗克關(guān)于黑體輻射的量子論和愛因斯坦關(guān)于光子的概念的啟發(fā)下，他在1913年把微觀世界中物理量取分立值的觀點(diǎn)應(yīng)用到原子系統(tǒng)，提出了玻爾原子結(jié)構(gòu)假說，建立了玻爾原子模型。玻爾第43頁/共58頁2023/1/18玻爾原子模型1、原子中的電子在庫侖力的作用下，繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)2、電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道是量子化的3、電子在這些軌道上繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)是穩(wěn)定的，且不產(chǎn)生電磁輻射。第44頁/共58頁2023/1/18軌道半徑只能夠是一些不連續(xù)的、某些分立的數(shù)值。玻爾保留了盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)以及經(jīng)典力學(xué)的電子在庫侖引力的作用下繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，但他認(rèn)為核外電子的軌道是不連續(xù)的，它們只能在某些可能的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，而不是像行星或衛(wèi)星那樣，能量大小可以是任意的量值。例如，氫原子的電子最小軌道半徑為0.053nm，其余的軌道半徑還有0.212nm，0.477nm..........不可能出現(xiàn)介于這些軌道之間的其他值。(一）軌道量子化假說一、玻爾的原子結(jié)構(gòu)假說針對原子核式結(jié)構(gòu)模型提出分立軌道+第45頁/共58頁2023/1/18與軌道量子化對應(yīng)的能量不連續(xù)的現(xiàn)象。電子在可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，盡管是變速運(yùn)動(dòng)，但它并不釋放能量，原子是穩(wěn)定的，這樣的狀態(tài)也稱為定態(tài)。由于原子的可能狀態(tài)（定態(tài)）是不連續(xù)的，具有的能量也是不連續(xù)的，這樣的能量值稱為能級，能量最低的狀態(tài)稱為基態(tài)，其他的狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài)，對氫原子以無窮遠(yuǎn)處的勢能為零點(diǎn)，基態(tài)能量E1=-13.6ev。其他能級公式：氫原子各能級對應(yīng)的能量,n為量子數(shù)，對應(yīng)不同的軌道（基態(tài)取n=1，激發(fā)態(tài)n=2,3,4，……）量子數(shù)n越大，表示能級越高。（二）能量量子化假說針對原子的穩(wěn)定性提出第46頁/共58頁能級：量子化的能量值。定態(tài)：原子中具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)量子數(shù)基態(tài)：能量最低的狀態(tài)（離核最近）——基態(tài)激發(fā)態(tài)：其他的狀態(tài)激發(fā)態(tài)能級圖123軌道與能級相對應(yīng)Ｅ４１２３４５Ｅ１Ｅ３Ｅ２Ｅ５E∞第47頁/共58頁說明：氫原子的能量庫侖力提供向心力a.電子的動(dòng)能：b.原子的電勢能：取電子與核相距無窮遠(yuǎn)時(shí)的電勢能為零所以原子的能量：原子的能量值是核外電子的動(dòng)能與原子所具有的勢能的總和r越大，電勢能越大r越大，動(dòng)能越小r越大，能量越大第48頁/共58頁（1）這里的能量指總能量(即E=Ek+Ep)例如：E1=-13.6eV實(shí)際上，其中Ek1=13.6eV，Ep1=-27.2eV。(2)量子數(shù)n=1，能量值最小，電子動(dòng)能最大，電勢能最??；量子數(shù)越大，能量值越大，電子動(dòng)能越小，電勢能越大.第49頁/共58頁2023/1/18原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定。hν＝Ｅm-Ｅn（Em>En

）

電子如果從一個(gè)軌道到另一個(gè)軌道，不是以螺旋線的形式改變半徑大小的，而是從一個(gè)軌道跳躍到一個(gè)軌道，玻爾將這種現(xiàn)象叫做電子的躍遷。（三）躍遷假說（頻率條件）針對原子光譜是線狀譜提出第50頁/共58頁2023/1/18低能級高能級躍遷（電子克服庫侖引力做功增大電勢能，動(dòng)能減小，原子的能量增加）吸收光子（電子所受庫侖力做正功減小電勢能，動(dòng)能增加，原子的能量減少）發(fā)射光子光子的發(fā)射和吸收第51頁/共58頁2023/1/181、向低軌道躍遷12345∞n量子數(shù)-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540E/eV處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的可自發(fā)地經(jīng)過一次或幾次躍遷達(dá)基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射光子的能量：（發(fā)射光子）光子的能量必須等于能級差能級差越大，放出光子的頻率就越高說明：由于能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。（原子光譜）二、玻爾理論對氫光譜的解釋輻射第52頁/共58頁氫原子核外只有一個(gè)電子，這個(gè)電子在某個(gè)時(shí)刻只能處在某一個(gè)可能的軌道上，在某段時(shí)間內(nèi)，由某一軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，可能的情況只有一種，但是如果容器中盛有大量的氫原子，這些原子的核外電子躍遷時(shí)就會(huì)有各種情況出現(xiàn)．說明：

一群原子和一個(gè)原子的躍遷問題一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時(shí)，可能輻射出的光譜條數(shù)為