大學(xué)物理學(xué)電子教案

高校物理學(xué)電子教案海大理學(xué)院教學(xué)課件量子物理（2）19-3康普頓效應(yīng)19-4氫原子的玻爾理論19-5弗蘭克-赫茲試驗(yàn)復(fù)習(xí)黑體輻射普朗克能量子假說(shuō)黑體黑體輻射斯忒藩玻耳茲曼定律維恩位移定律黑體輻射的瑞利—金斯公式經(jīng)典物理的困難普朗克假說(shuō)普朗克黑體輻射公式黑體輻射的應(yīng)用光電效應(yīng)光的波粒二象性光電效應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)律·光子愛因斯坦方程光電效應(yīng)的應(yīng)用·光的波粒二象性19-3康普頓效應(yīng)一、康普頓效應(yīng)1、康普頓散射康單色X射線被物質(zhì)散射時(shí)，散射線中除了有波長(zhǎng)與入射線相同的成特殊，還有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的成分，這種波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射稱為康普頓散射或康普頓效應(yīng)。2、試驗(yàn)裝置X光管發(fā)出確定波長(zhǎng)的X射線，通過(guò)光闌后成為一束狹窄的X射線，投射到散射物質(zhì)上，用攝譜儀可以測(cè)不同方向上散射光波長(zhǎng)及相對(duì)強(qiáng)度。AB1B2CDGR3、試驗(yàn)現(xiàn)象I=0oI=45oI=90oI=135o0正常散射波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射稱為康普頓散射對(duì)確定的散射角，既有與入射線相同的波長(zhǎng)l，又有比入射光線更長(zhǎng)的波長(zhǎng)l’，而且Dl=l’-l隨角的增加而增大，但與X射線的波長(zhǎng)l和散射物質(zhì)無(wú)關(guān)。4、經(jīng)典物理學(xué)的困難：經(jīng)典電磁理論只能說(shuō)明有正常散射存在，即散射光的頻率與入射光頻率相等；而無(wú)法說(shuō)明Dl的存在及其所存在的康普頓效應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)律。1、定性說(shuō)明二、康普頓效應(yīng)的說(shuō)明康普頓效應(yīng)是X射線單光子與物質(zhì)中受原子核束縛較弱的電子相互作用的結(jié)果。假設(shè)在碰撞過(guò)程中，動(dòng)量與能量都是守恒的，電子帶走一部分能量與動(dòng)量，因而散射出去的光量子的能量與動(dòng)量都相應(yīng)地減小，即X射線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。2、定量計(jì)算入射光子散射的光子外層電子光子0電子碰撞前光子））電子碰撞后光子：電子：碰撞前光子：電子：碰撞后系統(tǒng)能量守恒：系統(tǒng)動(dòng)量守恒（1)

2–(2)c2

得出將（4）帶入（3）式：（5）稱為康普頓波長(zhǎng)康普頓散射進(jìn)一步證明白光子論證明白光子能量、動(dòng)量表示式的正確性，光的確具有波粒兩象性證明在光電相互作用的過(guò)程中嚴(yán)格遵守能量、動(dòng)量守恒定律。波長(zhǎng)的變更與散射物質(zhì)無(wú)關(guān)，僅取決于散射角，而且關(guān)系式中包含了普朗克常量，因此它是經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法說(shuō)明的。對(duì)于可見光，微波等，散射現(xiàn)象不明顯X光散射現(xiàn)象明顯=0時(shí)，波長(zhǎng)不變；增加時(shí)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)；=p時(shí)，Dl最大。三、康普頓效應(yīng)的物理意義引言：1、量子論1900年，普朗克引入能量子的概念，說(shuō)明白黑體輻射的規(guī)律，為量子理論奠定了基礎(chǔ)；1905年，愛因斯坦提出光量子學(xué)說(shuō)，說(shuō)明白光電效應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)律，為量子理論的發(fā)綻開創(chuàng)了新的局面；1920~1926年，康普頓效應(yīng)的發(fā)覺、以及理論分析和試驗(yàn)結(jié)果的一樣，有力地證明白光子學(xué)說(shuō)的正確性。19-4氫原子的玻爾理論2、光譜學(xué)19世紀(jì)80年頭，光譜學(xué)的發(fā)展，使人們意識(shí)到光譜規(guī)律實(shí)質(zhì)是顯示了原子內(nèi)在的機(jī)理。3、電子的發(fā)覺1897年，J.J.湯姆孫發(fā)覺了電子，促使人們探究原子的結(jié)構(gòu)。為運(yùn)用量子理論探討原子結(jié)構(gòu)供應(yīng)的堅(jiān)實(shí)的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。1、巴耳末系氫氣放電管獲得氫光譜在可見光范圍內(nèi)有四條Ha：紅色656.210nmHb：深綠486.074nmHg：青色434.010nmHd：紫色410.120nm瑞典的埃格斯特朗在1853年首先觀測(cè)到的，波長(zhǎng)的單位就是以他的名字命名的。1885年，瑞士數(shù)學(xué)家巴耳末把氫原子的前四條譜線歸納巴耳末公式巴耳末系波長(zhǎng)極限值1890年，里德伯接受波數(shù)里德伯常量一、氫原子光譜的規(guī)律性2、氫原子光譜規(guī)律賴曼系(1916)紫外部分帕邢系(1908)可見光布喇開系(1922)近紅外部分普豐德系(1924)紅外部分漢弗萊系(1953)遠(yuǎn)紅外部分當(dāng)nf確定時(shí)，由不同的ni構(gòu)成一個(gè)譜系；不同的nf構(gòu)成不同的譜系。試驗(yàn)表明：原子具有線光譜；各譜線間具有確定的關(guān)系;每一譜線的波數(shù)都可表達(dá)為兩個(gè)光譜項(xiàng)之差。統(tǒng)一公式里茲組合原理：任一條譜線的波數(shù)都等于該元素所固有的很多光譜項(xiàng)中的兩項(xiàng)之差，這是里茲在1908年發(fā)覺的。表面上如此繁雜的光譜線可以用如此簡(jiǎn)潔的公式表示，這是一項(xiàng)精彩的成果。但是它是憑閱歷湊出來(lái)的，它為什么與試驗(yàn)符合得如此之好，在公式問(wèn)世將近三十年內(nèi)，始終是個(gè)謎。二、盧瑟福的原子有核模型1903年J.J.湯姆孫提出：原子中的正電荷和原子的質(zhì)量勻整地分布在半徑為10-10m的球體范圍內(nèi)，而原子中的電子浸于此球中。1、原子的葡萄干蛋糕模型缺點(diǎn)：不能說(shuō)明正負(fù)電荷不中和；不說(shuō)明氫原子光譜存在的譜線系；不說(shuō)明α粒子大角度散射。2、α粒子散射試驗(yàn)RSOFPTθ大部分α粒子穿過(guò)金箔后只偏轉(zhuǎn)很小的角度；但是在試驗(yàn)中竟然發(fā)覺有少量α粒子的偏轉(zhuǎn)角度大于900，甚至約有幾萬(wàn)分之一的粒子被向后散射了。α粒子大角度散射否定了湯姆孫的原子模型。3、盧瑟福的原子有核模型或行星模型1911年，盧瑟福提出原子有核模型或稱行星模型：原子的中心有一個(gè)帶正電的原子核，它幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，電子圍繞這個(gè)核旋轉(zhuǎn)，核的大小與整個(gè)原子相比是很小的。原子的有核模型可以α說(shuō)明粒子的大角度散射問(wèn)題。4、盧瑟福的原子有核模型的困難經(jīng)典電磁理論：作加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)不斷地向外輻射電磁波，其頻率等于電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率。由于原子不斷地向外輻射電磁波，其能量會(huì)漸漸削減，電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也要漸漸地變更，因而原子放射的光譜應(yīng)當(dāng)是連續(xù)光譜。由于原子總能量的削減，電子將漸漸接近原子核而導(dǎo)致電子會(huì)落到原子核上。試驗(yàn)事實(shí)：原子是穩(wěn)定的；原子所放射的線光譜具有確定的規(guī)律。盧瑟福（E.Rutherford，1871-1937）英國(guó)物理學(xué)家，誕生于新西蘭。1859年成為卡文迪許試驗(yàn)室主任J.J.Thomson的探討生。1899年1月發(fā)覺鈾鹽放射出α射線和β射線，并提出自然放射性的衰變理論和衰變定律。自然放射性的發(fā)覺與電子和X射線的發(fā)覺，是20世紀(jì)三項(xiàng)最宏大的發(fā)覺。他于1908年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)金。盧瑟福還判定α粒子是帶正電的氦原子核，他依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)提出原子的有核模型。盧瑟福被譽(yù)為原子物理之父，又是開創(chuàng)原子核物理學(xué)的奠基人。玻爾（NielshenrikDavidBohr，1885-1962）

在1913年發(fā)表了《論原子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)》等三篇論文，提出了在盧瑟福原子有核模型基礎(chǔ)上的關(guān)于原子穩(wěn)定性和量子躍遷的三條假設(shè)，從而圓滿地說(shuō)明白氫原子的光譜規(guī)律。玻爾的成功，使量子理論取得重大發(fā)展，推動(dòng)了量子物理的形成，具有劃時(shí)代的意義。玻爾于1922年12月10日諾貝爾誕生100周年之際，在瑞典首都接受了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。1937年，他來(lái)中國(guó)作學(xué)術(shù)訪問(wèn)，表達(dá)了對(duì)中國(guó)人民的友好情意。丹麥理論物理學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的創(chuàng)始人之一。三、氫原子的玻爾理論定態(tài)假說(shuō)：電子在原子中，可以在一些特定的圓軌道上運(yùn)動(dòng)，而不輻射電磁波，這時(shí)原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）并具有確定的能量。其中n=1,2,3,...稱為主量子數(shù)量子化條件：電子以速度v在半徑為r的圓周上繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，只的電子角動(dòng)量L等于h/(2p)的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的1、玻爾的基本假設(shè)躍遷假設(shè)：當(dāng)原子從高能量的定態(tài)躍遷到低能量的定態(tài)，即電子從高能量Ei的軌道躍遷到低能量Ef的軌道上時(shí)，要放射能量為hn的光子：盧瑟福的原子核模型氫原子光譜的巴爾末公式普朗克能量子概念2、玻爾的氫原子圖象電子軌道半徑電子在半徑為rn的軌道上以速率vn運(yùn)動(dòng)波爾半徑n=1r=r1n=2r=4r1n=3r=9r1n=4r=16r1原子能級(jí)1234氫原子能級(jí)圖65n=1正常狀態(tài)n=2,3,…激發(fā)態(tài)電子躍遷的輻射規(guī)律與里德伯常量特殊接近賴曼系巴耳末系帕邢系布喇開系En=E1/n265E5=E1/254E4=E1/163E3=E1/9=-1.51eV2E2=E1/4=-3.39eV1E1=-13.6eV氫原子的光譜圖3、玻爾氫原子理論的成果成功地說(shuō)明白原子的穩(wěn)定性、大小及氫原子光譜的規(guī)律性。從理論上計(jì)算了里德伯常量；解決了近30年之久的巴耳末公式之迷，打開了人們相識(shí)原子結(jié)構(gòu)的大門，而且玻爾提出的一些概念，如能量量子化、量子躍遷及頻率條件等，至今照舊是正確的。能對(duì)類氫原子的光譜賜予說(shuō)明。4、玻爾氫原子理論的困難不能說(shuō)明多電子原子的光譜；不能說(shuō)明譜線的強(qiáng)度和寬度；不能說(shuō)明原子是如何組成分子、構(gòu)成液體和固體的；在邏輯上也存在沖突：把微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律的質(zhì)點(diǎn)，又賜予它們量子化的特征。19-5弗蘭克-赫茲試驗(yàn)一、試驗(yàn)裝置AV+-FP+-+-G管內(nèi)充溢低壓汞蒸汽，電子從加熱的燈絲F放射，在加速電壓U0作用下電子被加速，向柵極G運(yùn)動(dòng)，在GP之間加反向電壓Ur(0.5V左右)，電子穿過(guò)柵極G到達(dá)P，在電路中可看出電流IP。二、試驗(yàn)結(jié)果在起始階段，IP隨U0而增加，當(dāng)IP達(dá)到峰值后，隨U0增加，IP急劇下降，然后IP又隨U0增加，出現(xiàn)第一個(gè)波，此后，又出現(xiàn)其次個(gè)峰值與其次個(gè)波。0510151002003004.99.813.7U0VIP三、說(shuō)明基態(tài)能量E1，第一激發(fā)態(tài)E2，其次激發(fā)態(tài)E3，…電子能量Ek當(dāng)Ek<E2-E1，電子不能使汞原子激發(fā)，電子與原子間為彈性碰撞，所以隨U0的增加Ip增加；當(dāng)Ek≥E2-E1汞原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，電子與原子為非彈性碰撞，電子動(dòng)能損耗，出