量 子 化 初 步,钟祥市旧口中学 陈志明,能 级,19世纪末20世纪初，人类叩开了微观世界的大门，物理学家根据有研究提出了关于原子结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释实验现象，得到了多数人的支持，但是与经典的电磁理论发生了矛盾,著名的 粒子散射实验,一、原子核式结构与经典电磁理论的矛盾,圆周运动,电场变化,辐射电磁波,能量减小,轨道半径减小,最终落到原子核上,圆周运动,向外辐射能量,f波= f匀圆,辐射电磁波的频率应连续变化,原子是稳定的,f匀圆逐渐增大,由经典电磁理论,原子是不稳定的,辐射的电磁波的频率只是某些确定值,事实,轨道半径连续减小,以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。为了解决这个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论,二、 玻尔的原子模型,卢瑟福的核式结构模型与经典电磁理论的矛盾,1.原子的稳定性,2.原子光谱是连续谱还是线状谱,尼尔斯 玻尔丹麦（1885-1962年,1885 年，玻尔 (Neils Bohr) 出生于丹麦哥本哈根。他的父亲是哥本哈根大学一名杰出的生理学教授，母亲出生于一个在银行、政治和教育各界中均很活跃的富有犹太人家庭。父母从小便很关心玻尔，使他的天赋得以充分发挥。 1903 年，玻尔入读哥本哈根大学，主修物理学。玻尔尚未毕业时，便巳经锋芒毕露，他通过观察喷射的水流就能精密测量出水的表面张力。 1909 年，玻尔获理科硕士学位，1911 年获哲学博士学位,他的博士论文金属电子论的研究定性地说明了金属的各种性质。他察觉到经典理论的缺陷，并证明了金属的磁性决不能用这些原理解释。结束在哥本哈根大学的学习后，玻尔前往英国剑桥大学，想在汤姆逊的指导下继续研究电子论，但是汤姆逊巳经对这个问题失去了兴趣。于是玻尔随即转往曼彻斯特大学，在卢瑟福的实验室工作。1913 年，他发表了三篇论文，把当时的原子结构模型与量子论结合起来，揭开了物理学崭新的一页,爱因斯坦一直对量子力学的概率解释感到不满，他曾在写给 玻尔 的信中提到: 量子力学虽然令人赞叹，但在我的心中有个声音告诉我，它还不是那真实的东西我无论如何也不相信上帝会在掷骰子!本世纪最伟大的两位科学巨人之间的大战就此揭开序幕,爱因斯坦曾提出许多“矛盾”，企图证明量子力学站不住脚。但是，玻尔对这些“矛盾”经过分析之后，反倒帮助阐明了量子力学的原理,玻尔年轻时，和他的兄弟曾是丹麦国家足球队的队员。当1922年在斯德哥尔摩给他授奖时，有一丹麦报纸这样风趣地报导说：授予“著名足球运动员尼耳斯.玻尔”诺贝尔奖金,二、玻尔原子结构模型,原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫做定态。定态假设,原子从一种定态跃迁到另一种定态时，辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两定态的能量差决定，即h=E初E终。跃迁假设,原子的不同能量状态跟电子沿不同轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。轨道能级化假设,三、能级,1、内容,原子处于不同定态时所具有的能量值,电子处于什么轨道时原子所具有的能量较小？是内层轨道还是外层轨道,2、基态,能量值最低的状态,轨道半径最小,3、激发态,除基态外的状态,4、电离,核外电子脱离核的束缚状态,原子的能量值最高,玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量,氢原子能级,四、氢原子的轨道及对应的能级,n：电子脱离核束缚,氢原子能级图,五、光子的发射与吸收,1、向下跃迁,可自发地经过一次或几次跃迁达基态,跃迁时以光子的形式向外放出能量,发射光子,某个氢原子处于n=4激发态,1、它可能向外辐射哪些波长的光子,2、它最多向外辐射的光子数为多少,3、若是一群处于该激发态的氢原子呢,要注意是一个原子跃迁还是一群原子跃迁,可能的光子的频率有 种,五、光子的发射与吸收,1、向下跃迁,2、向上跃迁,发射光子,吸收能量,1)光子使原子跃迁,光子的能量必须等于能级差,要么全被吸收，要么不吸收,电离,使原子电离,思考:分别能量为2eV、10eV的光子照射处于n=2激发态的氢原子，结果如何,2)实物粒子使原子跃迁,跃迁,实物粒子和原子碰撞的情况，由于实物粒子的动能可全部或部分地为原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，也可使原子受激发而向较高能级跃迁,思考:用动能为12ev、15ev的电子与氢原子碰撞，氢原子是否能发生跃迁,六、光谱,产生：由炽热的固体、液体、高压气体发光而产生,1) 连续光谱,复色光通过三棱镜后在光屏 上所形成的彩色光带,连续分布着包含从红光到紫光的各种色光的光谱,2) 原子光谱,只包含一些不连续亮线的光谱,其中的亮线称为谱线,不同元素的原子发光其谱线一般不同，故将谱线称为特征谱线,产生：由稀薄气体发光而产生,产生： 炽热物体发出的白光通过温度较低的气体后产生,光谱分析的技术在科学研究中有广泛的应用，一种元素在样品中的含量即使很少，也能观察到它的光谱因此光谱分析可以用来确定样品中包含哪些元素，这种方法非常灵敏，利用光谱还能确定遥远星球的物质成分,光谱分析:利用原子光谱和吸收光谱,漆碗：第三文化层（距今65006000年）利用红外光分析其表面，其光谱图和马王堆汉墓出土漆皮的裂解光谱图相似,X射线照射激发荧光，通过分析荧光判断越王勾践宝剑的成分,七、玻尔理论的成功与局限之处,取而代之的是“量子力学,八、氢原子的能量,1、电子的动能,3、原子的能量,原子的能量值是核外电子的动能原子所具有的势能的总和,原子的能量值为什么是一个负值,卫星绕地球做圆周运动的模型与此类似,氢原子各定态的能量值，为电子绕核运动的动能Ek和电势能Ep的代数和，因为在选无穷远处电势能为零的情况下，各定态的电势能均为负值，且其大小总大于同一定态的动能值，所以各定态能量值均为负值，因此，不能根据氢原子的能级公式,得出氢原子各定态能量与n2成反比的错误结论,例题1：按照波尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道上，有关能量变化的说法中，正确的是: A、电子的动能变大，电势能变大，总能量变大 B、电子的动能变小，电势能变小，总能量变小 C、电子的动能变小，电势能变大，总能量不变 D、电子的动能变小，电势能变大，总能量变大,D,例题2：一群处于基态的氢原子吸收某种单色光的光子后，只能发出频率为 1、 2、 3的三种光子，且 1 2 3 ，则 A、被氢原子吸收的光子的能量为h 1 B、被氢原子吸收的光子的能量为h 2 C、 1= 2+ 3 D、被氢原子吸收的光子的能量为 h 1+ h 2+ h 3,AC,例题3：根据玻尔理论，某原子的电子从能量为E的轨道跃迁到能量为E/的轨道，辐射出波长为的光，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则E/等于,A. B. C. D,C,例题4：欲使处于基态的氢原子被激发，下列可行的措施是（ ） A.用10.eV的光子照射 B.用11eV的光子照射 C.用14eV的光子照射 D.用11eV的电子碰撞,ACD,例题5：有1200个都处于n=4能级的氢原子，最终都处于基态，其发出光子的总数是多少？设处于第n能级的原子向各低能级跃迁的原子数是处于n能级原子数的 倍。（,A.2000 B.2200 C.1600 D.1800,B,能级小结,一.玻尔的原子理论 1.定态假设 2.跃迁假设: h=E初E终 3.轨道能级化假设 二.氢原子的大小和能级 1. rn=n2 r1 2. En=E1/n2 , E1 = -13.6ev，(n=1，2，3-) 三.光谱 1、发射光谱 1) 连续光谱 2) 原子光谱 2、吸收光谱,再见