142康普顿效应氢原子玻尔理论

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1、 康普顿效应康普顿效应(Compton effect)氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论(Bohrs theorem of hydrogen atom)Light-matter interactionLow energy phenomena Photoelectric effectMid-energy phenomena Compton scatteringHigh energy phenomena Pair productionPhotoelectric effectCompton scatteringPair production实验演示及实验结论：实验演示及实验结论：004590135三、

2、康普顿散射实验 在散射线中除有在散射线中除有 ，还，还 ，（）；）；00 与与 无关，但随散射角无关，但随散射角00增大而增大。增大而增大。（相对强度）（相对强度）I（散射波长散射波长）1.1.定性解释定性解释 入射光子与介质表面（入射光子与介质表面（受原子束缚较弱的受原子束缚较弱的）电子）电子碰撞为碰撞为弹性碰撞弹性碰撞，且，且电子在碰撞前可认为静止电子在碰撞前可认为静止；电子从入射光子处获得动能，形成电子从入射光子处获得动能，形成反冲电子反冲电子，同时产生同时产生散射光子散射光子；全过程满足全过程满足能量守恒和动量守恒能量守恒和动量守恒，散射光子的散射光子的频率小于入射光子的频率频率小于入

3、射光子的频率，波长变长波长变长；频率为频率为 的的X射线看成由一些能量为射线看成由一些能量为 的的光子光子组成；组成；000h 四、光子说的解释 若入射光子与介质中（若入射光子与介质中（受原子束缚较强的受原子束缚较强的）电子）电子碰撞，电子动能不变，碰撞，电子动能不变，散射光子波长亦不变散射光子波长亦不变。00vxy静止电子静止电子2.2.定量解释定量解释0入射光子入射光子xy反冲电子反冲电子散射光子散射光子vmechech00动量守恒动量守恒2200mchcmhv能量守恒能量守恒四、光子说的解释20)(1cvmmkg 1011.9310m00echechvmxye0e2.2.定量解释定量解释

4、 康普顿波长康普顿波长 m 1043.2120Ccmh 康普顿公式康普顿公式)cos1(0cmh)cos1(C3.3.物理意义物理意义 证明了光子假设、狭义相对论力学的正确性证明了光子假设、狭义相对论力学的正确性.微观粒子的相互作用也遵守微观粒子的相互作用也遵守能量守恒能量守恒和和动量守恒动量守恒定律定律.四、光子说的解释 对于波长较短的电磁波，对于波长较短的电磁波，康普顿康普顿效应显著效应显著.(1920年发现年发现，1927年年Nobel Prize)例：例：波长波长 的的X射线与静止的自由射线与静止的自由电子作弹性碰撞电子作弹性碰撞,在与入射角成在与入射角成 角的方向上观察角的方向上观察

5、,m101.00-10090（2 2）反冲电子得到多少动能？）反冲电子得到多少动能？（1 1）散射波长的改变量）散射波长的改变量 为多少？为多少？（3 3）反冲电子的动量为多少？）反冲电子的动量为多少？问：问：m 1043.2120(1)(1cos)hm c 220(2)kEmcm c 24-122011(3)9.27 10 kg m sph 0hchc 1700114.72 10 J=295 eV hc 154 氢原子的玻尔理论一、氢原子光谱的实验规律1.1.测量原子光谱的实验装置测量原子光谱的实验装置放电管放电管摄谱仪摄谱仪2.2.氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 氢原子光谱是彼此

6、氢原子光谱是彼此分立分立的的线状线状光谱，每一条谱线光谱，每一条谱线具有确定的波长（或频率）；具有确定的波长（或频率）；一、氢原子光谱的实验规律1885 年年 巴耳末巴耳末117m10097.1R56.3642222nn,nm ,5,4,3n,)121(22nR 4,3n4,Rn为巴耳末系的系限波长！巴耳末系的系限波长！莱曼系（莱曼系（19161916）巴尔末系巴尔末系(1885)(1885)帕邢系帕邢系(1908)(1908)布拉开布拉开系系(1922)(1922)普丰德系普丰德系(1924)(1924)汉弗莱系汉弗莱系(1953)(1953)一、氢原子光谱的实验规律1,)111(22nR

7、,3,2n12211(),2Rn 3,4,n 12211(),3Rn 4,5,n 1,)141(22nR ,6,5n1,)151(22nR ,7,6n1,)161(22nR ,8,7n2.2.氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 每一条光谱线的波数每一条光谱线的波数 可以表示为两项之差；可以表示为两项之差；1)11(122ifnnR波数波数 fnin里德伯常量里德伯常量 R里得伯里得伯里兹里兹合并原则合并原则一、氢原子光谱的实验规律,1fn,2fn,3fn,4,3,2,10973731534.17101m一、氢原子光谱的实验规律656.3 nm3in486.1 nm4in434.1 nm5

8、in410.2 nm6in364.6 nmin,4,3,)121(122nnR原子光谱的谱线规律启示人们：二、原子结构模型1.1.1903年，汤姆孙（年，汤姆孙（J.J.Thomson）提出原子的）提出原子的“葡萄干蛋糕模型葡萄干蛋糕模型”英国科学家英国科学家J.J J.J 汤姆孙于汤姆孙于18971897年年发现了电子发现了电子，被誉，被誉为为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”，开辟了原子物理学的崭新研究领域。开辟了原子物理学的崭新研究领域。径为径为 的球体范围内的球体范围内，电子浸于其中。电子浸于其中。m10101906年因发现电子年因发现

9、电子win Nobel prize in Physics.能使原子处于稳定状态；能使原子处于稳定状态；对电子数和原子量的理论对电子数和原子量的理论结果与实验不符！结果与实验不符！原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半二、原子结构模型2.19112.1911年，年，卢瑟福（卢瑟福（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年因发现天然放射性获年因发现天然放射性获Nobel prize in Chemistry.1909年，年，H.W.Geiger&E.Marsden 粒子散射实验粒子散射实验 大多数大多数粒子

10、沿原方向粒子沿原方向或小角度散射方向运动；或小角度散射方向运动；每每8000个个粒子中有一粒子中有一个散射角大于个散射角大于90 度度甚至接甚至接近于近于180度。度。二、原子结构模型 原子的中心有一原子的中心有一带正电的原子核带正电的原子核，它几乎集中了，它几乎集中了原子的原子的全部质量全部质量，电子围绕这个核旋转，电子围绕这个核旋转，核的尺寸核的尺寸与整个原子相比是与整个原子相比是很小很小的的.m 1010atomdm 1014nucleusd2.19112.1911年，年，卢瑟福（卢瑟福（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 1

11、837electron mee3.3.经典理论的困难经典理论的困难 原子不断地向外辐射能量，能量逐渐减小，原子不断地向外辐射能量，能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，发射光谱应发射光谱应是连续谱是连续谱；随着原子总能量减小，电子轨道半径不断减少，随着原子总能量减小，电子轨道半径不断减少，最后落到原子核上，最后落到原子核上，原子不稳定原子不稳定。vFree二、原子结构模型三、玻尔的氢原子理论玻尔理论的三个假设玻尔理论的三个假设（19131913）假设一假设一 电子在原子中，只能在一些电子在原子中，只能在一些特定特定的轨道上的轨道上运动而运动而不不辐射电磁波，

12、这时原子处于辐射电磁波，这时原子处于稳定稳定状态（状态（定定态态），并具有一定的能量），并具有一定的能量.L等于等于 的的整数倍整数倍.2h主主量子数量子数,3,2,1nh假设三假设三 当原子从高能量当原子从高能量 的定态的定态跃迁跃迁到低能量到低能量iE的定态时，要发射频率为的定态时，要发射频率为 的光子的光子.fEL假设二假设二 电子在稳定圆轨道上运动时，其电子在稳定圆轨道上运动时，其角动量角动量rmv2hniEfE1.1.电子轨道半径电子轨道半径nr),3,2,1(n玻尔半径玻尔半径1r1n2.2.氢原子轨道能级氢原子轨道能级nE基态能量基态能量220418hmeEeV6.131n),3

13、,2,1(n三、玻尔的氢原子理论2220nmeh21nr220mehm1029.51122048hme21n21nE 氢原子能级图氢原子能级图说明：说明：（1）氢原子的能量是一系）氢原子的能量是一系列分立的值列分立的值能级能级。1n基态基态6.132n3neV/E4n激发态激发态4.351.185.0n0自由态自由态这一理论结论这一理论结论1914年由年由 弗兰克弗兰克赫兹赫兹实验实验 证实，证实，1925年获年获Nobel prize.三、玻尔的氢原子理论0E1E（2）由于）由于 ，则，则为把电子从第一玻尔轨道为把电子从第一玻尔轨道移到无穷远处所需的能量移到无穷远处所需的能量值，称为值，称为

14、电离能电离能。3.3.玻尔理论解释氢原子光谱玻尔理论解释氢原子光谱h氢原子能级跃迁氢原子能级跃迁与光谱系与光谱系1n2n3n4nn0EE莱曼系莱曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系nE布拉开系布拉开系17m10097.1（里德伯常量）（里德伯常量）Rchme32048三、玻尔的氢原子理论22048hme21niEfE1cchme32048finn,)11(22ifnn 四、玻尔理论的成就与不足1.1.成就成就2.2.不足不足 第一次从理论上说明了氢原子和类氢原子的光谱第一次从理论上说明了氢原子和类氢原子的光谱结构；结构；第一次指出经典理论不能完全适用于原子内部运第一次指出经典理论不能完全适用于原子

15、内部运动过程，揭示了微观体系特有的量子化规律（能量、动过程，揭示了微观体系特有的量子化规律（能量、位置，角动量），对量子力学理论的建立起了巨大的位置，角动量），对量子力学理论的建立起了巨大的推动作用。推动作用。不能解释多电子原子的光谱结构；不能解释多电子原子的光谱结构；对谱线的强度、宽度无能为力；对谱线的强度、宽度无能为力；既把微观粒子看成是遵守经典力学的质点，又赋予既把微观粒子看成是遵守经典力学的质点，又赋予它们量子化特点，显得不够协调。它们量子化特点，显得不够协调。1922年获年获Nobel prize.四、玻尔理论的成就与不足瑞利散射蔚蓝的天空瑞利散射 夕阳乳胶溶液中散射光在各个方向的波

16、长与入射光几乎相同。乳胶溶液中散射光在各个方向的波长与入射光几乎相同。可见光的散射廷德尔效应拓展：拓展：电子能谱电子能谱能量关系可表示：能量关系可表示：rkbEEEhv原子的反冲能量原子的反冲能量EMmra122*电子结合能电子结合能电子动能电子动能电子能谱是利用高能光子照射被测样品，测量由此电子能谱是利用高能光子照射被测样品，测量由此引起的光电子能量分布的一种谱学方法。引起的光电子能量分布的一种谱学方法。X X射线光电子能谱射线光电子能谱(XPS)(XPS)(X-Ray Photoelectron Spectrometer)l 在在X X射线作用下，各种轨道电子都有可能从原子中激发成为射线作

17、用下，各种轨道电子都有可能从原子中激发成为光电子，由于各种原子、分子的轨道电子的结合能是一定的，光电子，由于各种原子、分子的轨道电子的结合能是一定的，因此可用来因此可用来测定固体表面的电子结构测定固体表面的电子结构和和表面组分的化学成分表面组分的化学成分。l 在实验时样品表面受辐照损伤小，能检测周期表中除在实验时样品表面受辐照损伤小，能检测周期表中除H H和和HeHe以外所有的元素，并具有很高的绝对灵敏度。因此以外所有的元素，并具有很高的绝对灵敏度。因此是目前是目前表面分析中使用最广的谱仪之一表面分析中使用最广的谱仪之一 。O 和和 C 两条谱线的存在两条谱线的存在表明金属铝的表面已被部表明金属铝的表面已被部分氧化并受有机物的污染分氧化并受有机物的污染拓展：拓展：电子能谱电子能谱