第一節(jié) 背景知識(shí)

第一節(jié)背景知識(shí)第1頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

模型-----是對(duì)實(shí)體的特征及變化規(guī)律的一種表示或抽象。即是把對(duì)象實(shí)體通過(guò)適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾，用適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)規(guī)則描繪出的簡(jiǎn)潔的模仿品。

美籍奧地利物理學(xué)家韋斯科夫說(shuō)：“什么叫模型？模型就是奧地利的火車時(shí)刻表。奧地利的火車經(jīng)常晚點(diǎn)，于是乘客質(zhì)問(wèn)列車員：‘你們干嗎還要列車時(shí)刻表？'列車員回答說(shuō)：“有了時(shí)刻表，你們才知道晚點(diǎn)呀！”顯然，沒(méi)有時(shí)刻表這個(gè)理想化的東西，鐵路員工和乘客將無(wú)所遵循，這是理想模型的作用。第2頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型第一節(jié)背景知識(shí)第二節(jié)玻爾模型AutomicPhysics

原子物理學(xué)結(jié)束第3頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三結(jié)束第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型目錄nextback盧瑟福模型把原子看成由帶正電的原子核和圍繞核運(yùn)動(dòng)的一些電子組成，這個(gè)模型成功地解釋了α粒子散射實(shí)驗(yàn)中粒子的大角度散射現(xiàn)象可是當(dāng)我們準(zhǔn)備進(jìn)入原子內(nèi)部作進(jìn)一步的考察時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)已經(jīng)建立的物理規(guī)律無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性，同一性和再生性。

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玻爾（N.Bohr）基于盧瑟福原子模型，原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律以及普朗克的量子化概念，于1913年提出了新的原子模型并成功地建立了氫原子理論，解釋了氫光譜的產(chǎn)生，玻爾理論還可以準(zhǔn)確地推出巴爾末公式，并能算出里德伯常數(shù)的理論值。第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型不過(guò)當(dāng)玻爾理論應(yīng)用于復(fù)雜一些的原子時(shí)，就與實(shí)驗(yàn)事實(shí)產(chǎn)生了較大的出入。這說(shuō)明玻爾理論還很粗略，直到1925年量子力學(xué)建立以后，人們才建立了較為完善的原子結(jié)構(gòu)理論。

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第5頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型十九世紀(jì)中期，物理學(xué)理論在當(dāng)時(shí)看來(lái)已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)完善的階段，那時(shí)，一般的物理現(xiàn)象都可以用相應(yīng)的理論加以解釋。物體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確地遵從牛頓力學(xué)規(guī)律；電磁現(xiàn)象被總結(jié)為麥克斯韋方程；熱現(xiàn)象有完整的熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)；……；

物理學(xué)的上空可謂晴空萬(wàn)里，在這種情況下，有許多人認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律已完全被揭示，剩下的工作只是把已有的規(guī)律應(yīng)用到各種具體的問(wèn)題上，進(jìn)行一些計(jì)算而已。

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第6頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型

到了十九世紀(jì)末期，物理學(xué)晴朗的天空出現(xiàn)了幾朵令人不安的“烏云”，在物理學(xué)中出現(xiàn)了一系列令人費(fèi)解的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。物理學(xué)遇到了嚴(yán)重的困難，其中兩朵最黑的云分別是：前者導(dǎo)致了相對(duì)論的誕生，后者導(dǎo)致了量子論的誕生。麥克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第7頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三“黑體”輻射第一節(jié)：背景知識(shí)第8頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

黑體輻射的經(jīng)典解釋1896年,維恩以經(jīng)典物理為基礎(chǔ),認(rèn)為能量的吸收和發(fā)射都是連續(xù)的,導(dǎo)出了一個(gè)公式:這個(gè)公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好,但是長(zhǎng)波部分理論的值偏低.第9頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型1900年瑞利-瓊斯仍在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上建立了另一個(gè)理論導(dǎo)出了另一個(gè)公式:它在長(zhǎng)波部分和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的較好,但在短波部分給出了太大的數(shù)值.就這樣經(jīng)典物理遭遇到難以克服的困難.為了正確而全面地說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果,找到自然規(guī)律,必須尋求新的理論.結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第10頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型

黑體輻射量子解釋1900年10月19日，德過(guò)物理學(xué)家普朗克（Planck）在一次物理學(xué)會(huì)議上公布了一個(gè)公式:

上式中的h就是著名的普朗克常量，其曲線與實(shí)驗(yàn)值完全吻合，而這一公式是普朗克根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)猜出來(lái)的。由此公式當(dāng)v->0和v->∞時(shí)分別都可得到與瑞利--金斯和維恩公式相同的形式。結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第11頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型

此公式雖然符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)但其在公布時(shí)仍沒(méi)有理論根據(jù),就在普朗克公式公布當(dāng)天，另一位物理學(xué)家魯本斯將普朗克的結(jié)果與他的最新測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者以驚人的精確性相符合。第二天魯本斯就把這一喜訊告訴了普朗克,從而使普朗克決心：“不惜一切代價(jià)，找到一個(gè)理論解釋。”結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第12頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型經(jīng)過(guò)近二個(gè)月的努力，普朗克在同年12月14日的一次德國(guó)物理學(xué)會(huì)議上提出：電子輻射能量的假設(shè):

這一概念嚴(yán)重偏離了經(jīng)典物理；因此，這一假設(shè)提出后的5年時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有引起人的注意，并且在這以后的十多年時(shí)間里，普朗克很后悔當(dāng)時(shí)的提法，在很多場(chǎng)合他還極力的掩飾這種不連續(xù)性是“假設(shè)量子論”。E=nhv（n=1,2,3,……)?結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第13頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第14頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型早在1887年,德國(guó)物理學(xué)家赫茲第一個(gè)觀察到用紫光照射的尖端放電特別容易發(fā)生，這實(shí)際上是光電效應(yīng)導(dǎo)致的.由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有電子的概念,所以對(duì)其機(jī)制不是很清楚.1．對(duì)一定金屬有一個(gè)臨界頻率v0,當(dāng)ν<ν0時(shí),無(wú)論光強(qiáng)多大,無(wú)電子產(chǎn)生；

直到1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子.人們才注意到一定頻率的光照射在金屬表面上時(shí),有大量電子從表面逸出，人們稱之為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

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光譜黑體輻射光電效應(yīng)第15頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型2．當(dāng)ν>ν0

時(shí)，無(wú)論光多弱，立即有光電子產(chǎn)生；3．光電子能量只與照射光的頻率有關(guān)。光強(qiáng)只影響光電子的數(shù)目。結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第16頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型1902年，法國(guó)物理學(xué)家林納（Lenaral）發(fā)現(xiàn)，光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律不能用已有的波動(dòng)說(shuō)理論加以解釋,經(jīng)典物理認(rèn)為光是一種波動(dòng),其能量連續(xù)分布在波前上；當(dāng)光照射在電子上時(shí),電子得到并不斷積聚能量,當(dāng)電子積聚的能量達(dá)到一定程度時(shí)，它就能脫離原子核的束縛而逸出，但能量的積聚是需要時(shí)間的。結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第17頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型例如,用光強(qiáng)為的光照到鈉金屬表面,根據(jù)經(jīng)典理論的推算,至少要秒（約合120多天）的時(shí)間來(lái)積聚能量,才會(huì)有光電子產(chǎn)生；事實(shí)上,只要ν>ν0,就立即有光電子產(chǎn)生,可見理論與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的偏離.此外，按照經(jīng)典理論，決定電子能量的是光強(qiáng),而不是頻率.但實(shí)驗(yàn)事實(shí)卻是：

暗淡的藍(lán)光照出的電子能量居然比強(qiáng)烈的紅光照出的電子能量大.結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第18頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型

1905年,愛因斯坦（Einstein）發(fā)展了普朗克（Planck）的量子說(shuō)，指出光以粒子的形式-光子—存在和傳播。一個(gè)光子的能量為E=hv，因此，光電效應(yīng)中能量滿足關(guān)系式:(4)式表明：對(duì)于給定的金屬(φ給定)，T與ν成線性關(guān)系。直線的斜率就是h,所以對(duì)不同的靶來(lái)說(shuō)，這條線的斜率是相同的。(4)結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第19頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型

1916年，美國(guó)物理學(xué)家密立根通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了(4)式的正確性,并精確測(cè)定了普朗克常數(shù)h；但他還是認(rèn)為："盡管愛因斯坦的公式是成功的,但其物理理論完全站不住腳."不僅如此，1913年包括普朗克在內(nèi)的德國(guó)最著名的物理學(xué)家也都認(rèn)為，愛因斯坦的光量子理論是他在思辯中"迷失了方向".結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第20頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型可見一個(gè)新的理論要被人們所接受是何等的困難。然而，歷史很快作出了判斷，1922年，愛因斯坦因光電效應(yīng)獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。結(jié)束目錄nextback

光譜黑體輻射光電效應(yīng)第21頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三習(xí)題2.1銫的逸出功為1.9eV，試求：(1)銫的光電效應(yīng)閾頻率及閾值波長(zhǎng)；(2)如果要得到能量為1.5eV的光電子，必須使用多少波長(zhǎng)的光照射?解答（1）∵mv2/2=

hν-W當(dāng)hν=W時(shí)，ν為光電效應(yīng)的最低頻率（閾頻率），即

ν=W/h=1.9×1.6×10-19/6.626×10-34=4.59×1014∵h(yuǎn)c/λ=w

λ=hc/w=6.54×10-7(m)

(2)∵mv2/2=hν-W

∴1.5=hν-1.9ν=3.4/h

λ=c/ν=hc/3.4(m)=3.65×10-7m第22頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型α粒子的大角度散射，肯定了原子核的存在，但核外電子的分布及運(yùn)動(dòng)情況仍然是個(gè)迷，而光譜是原子結(jié)構(gòu)的反映，因此研究原子光譜是揭示這個(gè)迷的必由之路。（1）電磁波譜結(jié)束目錄nextback光譜黑體輻射光電效應(yīng)第23頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型（2）光譜的觀測(cè)光譜發(fā)出的光譜線可通過(guò)光譜議進(jìn)行觀測(cè)和記錄，它既可把λ射線按不同波長(zhǎng)分析，又可記錄不同光譜線的強(qiáng)度。結(jié)束目錄nextback光譜黑體輻射光電效應(yīng)第24頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型（3）光譜的分類不同的光源有不同的光譜，發(fā)出機(jī)制也不盡相同，根據(jù)波長(zhǎng)的變化情況，大致可分為三類：

α線光譜：波長(zhǎng)不連續(xù)變化，此種為原子光譜；α帶光譜：波長(zhǎng)在各區(qū)域內(nèi)連續(xù)變化，此為分子光譜；α連續(xù)譜：固體的高溫輻射。結(jié)束目錄nextback光譜黑體輻射光電效應(yīng)第25頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)：背景知識(shí)第二章：原子的量子態(tài)：玻爾模型

光譜分析是研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)重要手段之一,牛頓早在1704年說(shuō)過(guò)，若要了解物質(zhì)內(nèi)部情況,只要看其光譜就可以了.光譜是用光譜儀測(cè)量的,光譜儀的種類繁多,基本結(jié)構(gòu)幾乎相同,大致由光源、分光器和記錄儀組成.上圖是棱鏡光譜儀的原理圖.結(jié)束目錄nextback光譜黑體輻射光電效應(yīng)第26頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)：玻爾模型第二章：原子的量子態(tài)：玻爾