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1,1、基本概念:,第十五章 量子力学基础,一、黑体辐射:,第一节 黑体辐射,热辐射:由热运动引起的辐射现象(原子吸收热运动的动能进入激发态,然后又以电磁波的形式将多余能量辐射出来)。,热平衡辐射:一个物体辐射出去的电磁波的能量等于它同时间内吸收的辐射能时,物体的温度保持不变。,2,绝对黑体(简称黑体):对入射的电磁波能全部吸收的物体。即绝不反射电子波。 (理想模型)如宇宙中的黑洞。,黑体辐射:黑体的热辐射。,黑体模型:用不透明的材料制成一个带小孔的大空腔,由小孔射入空腔的电磁波被空腔完全吸收掉,这个空腔可看作黑体。当给空腔加热时,由小孔发出的辐射就是黑体辐射。,3,2、黑体辐射规律: (红外到可见光),辐出度黑体表面单位面积的辐射功率,单色辐出度某一单色光的辐出度M(T),波长范围内辐出度,4,A、斯特藩-玻耳兹曼定律:,B、维恩位移定律:,m峰值波长,应用:高温遥测、红外追踪、热像仪(人体辐射波长在9001200nm,远红外区)、热象图(能分辨1cm2范围内0.03C的温度差异,可诊断癌症、脉管炎等)。,5,C、瑞利-金斯公式(1890年):,(长波部分相符),D、维恩公式(1896年):,(短波部分相符),(与实验结果惊人符合),E、普朗克公式(1900年):,6,二、普朗克能量子假设:,1、普朗克能量子假设:,1)辐射体是由带电谐振子组成,可以吸收和辐射电磁波。,2)谐振子只能处于某些特定的能量状态,每一状态的能量只能是最小能量值0 的整数倍,即0、20、30、n0(n为量子数)。当谐振子辐射或吸收能量时,谐振子从一个状态跃迁到另一个状态。 0 能量子。,3)能量子0 与谐振子的频率成正比:即0 =h。,普朗克常数h=6.62610-34JS,7,2、普朗克能量子假设的意义:,1)第一次指出经典物理学理论不能应用于微观现象,必须用“量子”概念才能说明。,2)标志着人类对自然规律的认识从宏观领域进入到微观领域。,3)使人们冲破了经典观念的长期束缚,鼓励人们建立新概念,探索新理论。,8,第二节 光的量子性(2-3),一、光电效应的实验规律:,1、装置:(可见光到紫外),2、实验规律:,1)饱和光电流入射光强,(Us遏止电压),9,4) 遏止电压Us与光强无关,而与照射光频率有关。,4)对不同的阴极金属都有不同的逸出功A和入射光红限频率(截止频率)0,即0,5)具有瞬时性:t10-9s (0),A与0一一对应。,Us=k( -0 )( 0 ),10,二、爱因斯坦光量子假设:,1、经典物理学理论的困难:,光的电磁波理论无法解释光电效应.,2、爱因斯坦光电效应方程:,光量子假设:光辐射场由光量子组成 ,每个光量子的能量和光辐射场的频率成正比 ,即=h 。一个电子一次吸收一个光量子。,爱因斯坦光电效应方程:,A=h0逸出功,密立根(1916年),11,三、光的波粒二象性:,由相对论可知:=mc2=h,则,四、康普顿效应(1923年)光的波粒二象性的有力证明。,12,第三节 玻尔的氢原子理论 (4),一、卢瑟福的原子结构模型核式结构模型,1、 1911年卢瑟福,粒子散射实验,13,2、卢瑟福的原子核式结构模型,原子(10-10m)(原子序数Z),原子核(10-1410-15m) +Ze,电子(Z个) -e,3、原子核式模型与经典电磁理论的矛盾:,原子的稳定性的矛盾,氢原子光谱的矛盾,14,(1)量子条件:电子只能在满足如下条件的轨道上运动,(n=1、2、3、为量子数),(2)定态假设:电子在上述轨道上运动时,原子不向外辐射能量,原子处于稳定的状态(定态),原子具有确定的能量(En)。,1、三个基本假设,(3)跃迁假设:当原子从定态En跃迁到定态Ek时,辐射或吸收一个光子,光子的频率由下式决定,(频率条件),二、玻尔氢原子理论(1913年):,15,2、对应原理(1920年),对应原理:在大量子数极限情况下,量子体系的行为将逐渐地趋于与经典力学体系相同。,对应原理是将量子体系与经典力学体系联系的桥梁。,早期量子论,普朗克能量量子化假设,爱因斯坦光子假设,玻尔的氢原子理论,对应原理的量子力学,16,3、原子的能级:,17,1)基态:n=1,E1最小,原子最稳定(正常状态),2)激发态:n1 , En E1,原子不稳定(10-8s),会向基态跃迁。,3)电离:n, En 0,电子脱离原子束缚。电离能E电离:使电子从基态电离所须供给的能量。 E电离=E -E1= -E1,3、原子的能级:,18,(1)原子的稳定性的矛盾(定态假设),(2)氢原子光谱的矛盾,4、玻尔理论对前述两矛盾的解释:,19,一、德布罗意假设“物质波”假设(1924年):,第四节 物质的波动性质(5,6),将光的波粒二象性推广到所有的实物粒子,认为所有实物粒子均具有波粒二象性。,P252表15-2给出了几种粒子的德布罗意波长,20,二、德布罗意波的统计解释 (波函数的统计解释):(玻恩,1926),对单个电子,它的出现具有偶然性,是不能预测的;对大量电子,其分布具有与光波一致的统计规律,电子在空间某处出现的概率密度与德布罗意波在该处的强度成正比。,德布罗意假设很快就被电子束衍射实验(圆孔衍射、单缝衍射、双缝干涉)证实。,德布罗意波是几率波,21,三、不确定关系(海森伯,1927年),且p=h/,1、坐标和动量的不确定关系:,电子单缝衍射实验,22,P254例15-3:,P254例15-4:,坐标和动量的不确定关系,23,2、能量和时间的不确定关系:,能量和时间的不确定关系,24,一、四个量子数:,(1)能量量子化主量子数n:(反映氢原子能量的量子化),(2)角动量量子化角量子数(辅量子数)l:(反映电子绕核运动角动量的量子化),n=1,2,3,,l=0,1,2,3,n-1,第五节 量子力学的原子结构概念(7),25,(3)空间量子化磁量子数m :(反映电子绕核运动角动量在外场(磁场或电场)方向(如Z方向)分量的量子化,即空间量子化),(右图为l=2时的各种空间取向),m=0,1, 2, 3, l,26,(4)自旋量子化自旋量子数s:(ms反映电子自旋角动量空间取向的量子化),电子具有固定的自旋角动量Ls:,自旋量子数s=,1/2 质、中、电(费米子),1 光子(玻色子),27,自旋角动量沿Z轴方向的分量Lsz:,自旋磁量子数ms=-s,-s+1,+s,对于给定的主量子数n,电子可能的运动状态为,28,二 、多电子原子,对于原子序数为Z的原子,核外有Z个电子,电子在核外的排列遵循能量最小原理和泡利不相容原理。,能量最小原理:核外电子都有占据最低能级的趋势。,泡利不相容原理(1925年):在一个原子中不可能有两个处于同一量子状态的电子。即任何两个电子不可能有完全相同的四个量子数。,29,第六节 原子光谱和分子光谱(8),1、定义:不同波长的光按照波长顺序排列就形成图谱。,2、光谱按产生装置分:,发射光谱,吸收光谱,一、光谱,30,(1)发射光谱:物质发出的光直接经过分光装置所得光谱。,(暗背景下的亮光谱),31,(2)吸收光谱:白炽光经过物质后再经过分光装置所得光谱。,(亮背景下的暗光谱),32,3、光谱按形状分:,连续光谱(只有发射光谱具有),线光谱(原子):分立的谱线,带光谱(分子):分段密集的谱线,33,原子在高低能级之间跃迁形成的光谱,二、原子光谱:,选择定则原子中电子的跃迁不是任意的,只能在一定的能级间进行,原子状态的改变通常用量子数的变化值来描述。如单电子原子:n的改变不受限制,s不变,l=1,m=0、1,其他跃迁不可能。,(线光谱),34,1、高能级低能级:明线光谱;原子发光,(同一元素的发射光谱与吸收光谱的位置相同,但吸收光谱的谱线数目较发射光谱少),低能级高能级:暗线光谱;原子吸收,2、原子价电子 跃迁形成的光谱一般在可见光及其附近的红外和紫外区光学光谱。,原子内层电子 跃迁形成的光谱在伦琴射线(X射线)范围标识X射线光谱。,35,3、一价元素 的光学光谱与氢元素的光谱相似,但较氢光谱复杂。,4、二价元素 的光学光谱也相似,但较一价元素的光谱复杂。,(因为原子序数越大的一价元素,其角量子数越大),36,1、高能级低能级:明带光谱;分子发光,分子在高低能级之间跃迁形成的光谱。,三、分子光谱:,(带光谱),低能级高能级:暗带光谱;分子吸收,同一分子的发射光谱与吸收光谱的位置相同,但吸收光谱的谱线数目较发射光谱更少,由于分子发热发光时,分子结构会发生改变,因此,分子光谱常用吸收光谱,37,2、分子能量E,价电子运动的轨道能量Ee,分子中原子的振动能量Ev,分子的转动能量Er,(量子化),38,3、带光谱的形成,当分子从高能级E2跃迁到低能级E1时,发射光子,因此在=Ee/h附近会出现许多=(Ee+ Ev + Er)/h的谱线。(即带光谱),39,4、分子的三种光谱,(1)分子转动光谱(Ee=Ev=0,Er0),(中红外),(双原子分子如HF、HCl、HBr等),(2)分子振转动光谱(Ee=0,Ev 0,Er0),(远红外),40,(3)电子振转动光谱(Ee 0,Ev 0,Er0),紫外、可见光、近红外(0.761.5m),且光谱结构层次更多、更复杂。,(光谱带的主要由Ev决定,而Er0则决定光谱带的精细结构),41,Ee 决定光谱所在区域B,B组内光谱带A由Ev决定,A带内的精细结构由Er决定。,42,光谱:,物质:,谱线的位置(波长),物质的成分,元素(原子光谱),原子团(分子光谱),谱线的亮度(光强),各成分的含量,四、光谱分析:,作业:P267-6、10 、 15,
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