康普頓效應(yīng)氫原子玻爾理論P(yáng)PT課件

1、Light-matter interactionLow energy phenomena Photoelectric effectMid-energy phenomena Compton scatteringHigh energy phenomena Pair productionPhotoelectric effectCompton scatteringPair production第1頁/共30頁實(shí)驗(yàn)演示及實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)演示及實(shí)驗(yàn)結(jié)論：004590135三、康普頓散射實(shí)驗(yàn) 在散射線中除有在散射線中除有 ，還，還 ， （ ）；）；00 與與 無關(guān)，但隨散射角無關(guān)，但隨散射角00增大而增大。（

2、相對(duì)強(qiáng)度）（相對(duì)強(qiáng)度）I（散射波長）第2頁/共30頁1.1.定性解釋定性解釋 入射光子與介質(zhì)表面（入射光子與介質(zhì)表面（受原子束縛較弱的受原子束縛較弱的）電子）電子碰撞為碰撞為彈性碰撞彈性碰撞，且，且電子在碰撞前可認(rèn)為靜止電子在碰撞前可認(rèn)為靜止； 電子從入射光子處獲得動(dòng)能，形成電子從入射光子處獲得動(dòng)能，形成反沖電子反沖電子，同時(shí)產(chǎn)生同時(shí)產(chǎn)生散射光子散射光子； 全過程滿足全過程滿足能量守恒和動(dòng)量守恒能量守恒和動(dòng)量守恒，散射光子的散射光子的頻率小于入射光子的頻率頻率小于入射光子的頻率，波長變長波長變長； 頻率為頻率為 的的X射線看成由一些能量為射線看成由一些能量為 的的光子光子組成；組成；000h

3、四、光子說的解釋 若入射光子與介質(zhì)中（若入射光子與介質(zhì)中（受原子束縛較強(qiáng)的受原子束縛較強(qiáng)的）電子）電子碰撞，電子動(dòng)能不變，碰撞，電子動(dòng)能不變，散射光子波長亦不變散射光子波長亦不變。第3頁/共30頁00vxy靜止電子靜止電子2.2.定量解釋定量解釋0入射光子入射光子xy反沖電子反沖電子散射光子散射光子vmechech00動(dòng)量守恒2200mchcmhv能量守恒能量守恒四、光子說的解釋20)(1cvmmkg 1011. 9310m00echechvmxye0e第4頁/共30頁2.2.定量解釋定量解釋 康普頓波長康普頓波長 m 1043. 2120Ccmh 康普頓公式康普頓公式)cos1 (0cmh)

4、cos1 (C3.3.物理意義物理意義 證明了光子假設(shè)、狹義相對(duì)論力學(xué)的正確性. 微觀粒子的相互作用也遵守能量守恒和動(dòng)量守恒定律.四、光子說的解釋 對(duì)于波長較短的電磁波，康普頓效應(yīng)顯著.(1920年發(fā)現(xiàn)，1927年Nobel Prize)第5頁/共30頁例：例：波長波長 的的X射線與靜止的自由射線與靜止的自由電子作彈性碰撞電子作彈性碰撞, , 在與入射角成在與入射角成 角的方向上觀察角的方向上觀察, , m101.00-10090（2）反沖電子得到多少動(dòng)能？（1 1）散射波長的改變量）散射波長的改變量 為多少？為多少？（3）反沖電子的動(dòng)量為多少？問：m 1043. 2120(1) (1cos

5、)hm c220(2) kEmcm c 24-122011(3) 9.27 10 kg m sph 0hchc1700114.72 10 J =295 eV hc 第6頁/共30頁 154 氫原子的玻爾理論一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.1.測(cè)量原子光譜的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量原子光譜的實(shí)驗(yàn)裝置放電管攝譜儀第7頁/共30頁2.2.氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 氫原子光譜是彼此氫原子光譜是彼此分立分立的的線狀線狀光譜，每一條譜線光譜，每一條譜線具有確定的波長（或頻率）；具有確定的波長（或頻率）；一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1885 年 巴耳末117m10097. 1R56.3642222nn,nm ,

6、 5 , 4 , 3n, )121(22nR 4 , 3n4,Rn為巴耳末系的系限波長！第8頁/共30頁萊曼系（萊曼系（19161916）巴爾末系巴爾末系(1885)(1885)帕邢系帕邢系(1908)(1908)布拉開布拉開系系(1922)(1922)普豐德系普豐德系(1924)(1924)漢弗萊系漢弗萊系(1953)(1953)一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1, )111(22nR , 3 , 2n12211(),2Rn 3,4,n 12211(),3Rn 4,5,n 1, )141(22nR , 6 , 5n1, )151(22nR , 7 , 6n1, )161(22nR , 8 , 7n第

7、9頁/共30頁2.2.氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 每一條光譜線的波數(shù)每一條光譜線的波數(shù) 可以表示為兩項(xiàng)之差；可以表示為兩項(xiàng)之差；1)11(122ifnnR波數(shù)波數(shù) fnin里德伯常量 R里得伯里得伯里茲里茲合并原則合并原則一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律, 1fn, 2fn, 3fn, 4 , 3 , 2 , 10973731534. 17101m第10頁/共30頁一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律656.3 nm3in486.1 nm4in434.1 nm5in410.2 nm6in364.6 nmin, 4 , 3, )121(122nnR第11頁/共30頁原子光譜的譜線規(guī)律啟示人們：第12頁

8、/共30頁二、原子結(jié)構(gòu)模型1.1.1903年，湯姆孫（）提出原子的年，湯姆孫（）提出原子的“葡萄干蛋糕模葡萄干蛋糕模型型” 英國科學(xué)家英國科學(xué)家J.J J.J 湯姆孫于湯姆孫于18971897年年發(fā)現(xiàn)了電子發(fā)現(xiàn)了電子，被譽(yù)，被譽(yù)為為“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”，開辟了原子物理學(xué)的嶄新研究領(lǐng)域。開辟了原子物理學(xué)的嶄新研究領(lǐng)域。徑為徑為 的球體范圍內(nèi)的球體范圍內(nèi)，電子浸于其中。電子浸于其中。m10101906年因發(fā)現(xiàn)電子win Nobel prize in Physics. 能使原子處于穩(wěn)定狀態(tài)； 對(duì)電子數(shù)和原子量的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符！ 原子

9、中的正電荷和原子的質(zhì)量均勻地分布在半第13頁/共30頁二、原子結(jié)構(gòu)模型2.19112.1911年，年，盧瑟福（盧瑟福（E.Rufherford）的原子有核）的原子有核模型（行星模型）模型（行星模型）1908年因發(fā)現(xiàn)天然放射性獲Nobel prize in Chemistry.1909年， 粒子散射實(shí)驗(yàn) 大多數(shù)粒子沿原方向或小角度散射方向運(yùn)動(dòng)； 每8000個(gè)粒子中有一個(gè)散射角大于90 度甚至接近于180度。 第14頁/共30頁二、原子結(jié)構(gòu)模型 原子的中心有一原子的中心有一帶正電的原子核帶正電的原子核，它幾乎集中了，它幾乎集中了原子的原子的全部質(zhì)量全部質(zhì)量，電子圍繞這個(gè)核旋轉(zhuǎn)，電子圍繞這個(gè)核旋轉(zhuǎn)，

10、核的尺寸核的尺寸與整個(gè)原子相比是與整個(gè)原子相比是很小很小的的 . .m 1010atomdm 1014nucleusd2.19112.1911年，年，盧瑟福（盧瑟福（E.Rufherford）的原子有核）的原子有核模型（行星模型）模型（行星模型）nucleusm 1837electron m第15頁/共30頁ee3.3.經(jīng)典理論的困難經(jīng)典理論的困難 原子不斷地向外輻射能量，能量逐漸減小，電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也逐漸改變，發(fā)射光譜應(yīng)是連續(xù)譜； 隨著原子總能量減小，電子軌道半徑不斷減少，最后落到原子核上，原子不穩(wěn)定。vFree二、原子結(jié)構(gòu)模型第16頁/共30頁三、玻爾的氫原子理論玻爾理論的三個(gè)假設(shè)玻爾

11、理論的三個(gè)假設(shè)（19131913）假設(shè)一假設(shè)一 電子在原子中，只能在一些電子在原子中，只能在一些特定特定的軌道上的軌道上運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)而不不輻射電磁波，這時(shí)原子處于輻射電磁波，這時(shí)原子處于穩(wěn)定穩(wěn)定狀態(tài)（狀態(tài)（定定態(tài)態(tài)），并具有一定的能量），并具有一定的能量. .L等于等于 的的整數(shù)倍整數(shù)倍. .2h主主量子數(shù)量子數(shù), 3 , 2, 1nh假設(shè)三假設(shè)三 當(dāng)原子從高能量當(dāng)原子從高能量 的定態(tài)的定態(tài)躍遷躍遷到低能量到低能量iE的定態(tài)時(shí)，要發(fā)射頻率為 的光子.fEL假設(shè)二 電子在穩(wěn)定圓軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其角動(dòng)量rmv2hniEfE第17頁/共30頁1.1.電子軌道半徑電子軌道半徑nr), 3 , 2 , 1(

12、n玻爾半徑玻爾半徑1r1n2.2.氫原子軌道能級(jí)氫原子軌道能級(jí)nE基態(tài)能量基態(tài)能量220418hmeEeV6 .131n), 3 , 2 , 1(n三、玻爾的氫原子理論2220nmeh21nr220mehm1029. 51122048hme21n21nE第18頁/共30頁 氫原子能級(jí)圖氫原子能級(jí)圖說明：說明：（1）氫原子的能量是一系）氫原子的能量是一系列分立的值列分立的值能級(jí)能級(jí)。1n基態(tài)基態(tài)6 .132n3neV/E4n激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)4 . 351. 185. 0n0自由態(tài)自由態(tài)這一理論結(jié)論這一理論結(jié)論1914年由年由 弗蘭克弗蘭克赫茲赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 證實(shí)，證實(shí)，1925年獲年獲Nobel pr

13、ize.三、玻爾的氫原子理論0E1E（2）由于 ，則為把電子從第一玻爾軌道為把電子從第一玻爾軌道移到無窮遠(yuǎn)處所需的能量移到無窮遠(yuǎn)處所需的能量值，稱為值，稱為電離能電離能。第19頁/共30頁3.3.玻爾理論解釋氫原子光譜玻爾理論解釋氫原子光譜h氫原子能級(jí)躍遷氫原子能級(jí)躍遷與光譜系與光譜系1n2n3n4nn0EE萊曼系巴耳末系帕邢系nE布拉開系布拉開系17m10097. 1（里德伯常量） Rchme32048三、玻爾的氫原子理論22048hme21niEfE1cchme32048finn ,)11(22ifnn 第20頁/共30頁四、玻爾理論的成就與不足1.1.成就成就2.2.不足不足 第一次從理

14、論上說明了氫原子和類氫原子的光譜第一次從理論上說明了氫原子和類氫原子的光譜結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)； 第一次指出經(jīng)典理論不能完全適用于原子內(nèi)部運(yùn)第一次指出經(jīng)典理論不能完全適用于原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過程，揭示了微觀體系特有的量子化規(guī)律（能量、動(dòng)過程，揭示了微觀體系特有的量子化規(guī)律（能量、位置，角動(dòng)量），對(duì)量子力學(xué)理論的建立起了巨大的位置，角動(dòng)量），對(duì)量子力學(xué)理論的建立起了巨大的推動(dòng)作用。推動(dòng)作用。 不能解釋多電子原子的光譜結(jié)構(gòu)；不能解釋多電子原子的光譜結(jié)構(gòu)； 對(duì)譜線的強(qiáng)度、寬度無能為力；對(duì)譜線的強(qiáng)度、寬度無能為力； 既把微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)，又賦予既把微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)，又賦予它們量子化特點(diǎn)

15、，顯得不夠協(xié)調(diào)。它們量子化特點(diǎn)，顯得不夠協(xié)調(diào)。1922年獲Nobel prize.第21頁/共30頁四、玻爾理論的成就與不足第22頁/共30頁第23頁/共30頁第24頁/共30頁瑞利散射蔚藍(lán)的天空第25頁/共30頁瑞利散射 夕陽第26頁/共30頁乳膠溶液中散射光在各個(gè)方向的波長與入射光幾乎相同。乳膠溶液中散射光在各個(gè)方向的波長與入射光幾乎相同。可見光的散射廷德爾效應(yīng)第27頁/共30頁拓展：拓展：電子能譜電子能譜能量關(guān)系可表示：能量關(guān)系可表示： rkbEEEhv原子的反沖能量EMmra122*電子結(jié)合能電子動(dòng)能電子能譜是利用高能光子照射被測(cè)樣品，測(cè)量由此引起的光電子能量分布的一種譜學(xué)方法。第28頁/共30頁X X射線光電子能譜射線光電子能譜(XPS)(XPS)(X-Ray Photoelectron