第四章 微观世界及其探索(一级)

德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（W.K.Rontgen，1845-1923）伦琴在给孔特（A.Kundt，1839-1894）的信中说：我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做x光吧。一、x射线的发现§4.1揭开研究微观世界序幕的三大发现伦琴的实验室第一张x光片K+-Ax射线是由高速电子撞击物体时产生，从本质上它和可见光一样，是一种电磁波，它的波长约为：0.001~0.01(nm)伦琴荣获1901年诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者。可以说，现代物理学是从1895年德国物理学家伦琴发现X射线开始的。1896年，法国物理学家贝克勒尔（Becquerel,1852-1908）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进行研究时发现了天然放射线。贝克勒尔射线二、放射性的发现玛丽·居里（M.S.Curie，1867-1934）居里夫人从1897年开始直至1934年逝世的38年科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度的智慧全心投入放射性研究，发现了放射性元素“镭”和“钋”。1910年完成了她的名著《论放射性》，由于她的杰出贡献：•1903年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖。•1911年又荣获了诺贝尔化学奖。天然放射性核素能够自发地放出各种射线,从而衰变为另一种核素。α射线：带两个正电荷的氦核粒子流；24Heβ射线：带负电荷的高速电子流；γ射线：从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比X射线还要短，穿透本领比X射线更强。αβγ德国物理学家普鲁克（J.Plueker，1801-1868）于1858年利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉。1876年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”。三、电子的发现实验演示1886年，J.J.汤姆逊开始研究气体放电和阴极射线。J.J.汤姆逊，1856年12月18日生于英国。1884年任卡文迪许实验室教授。B-FEFB设粒子的质量为m，所带电荷为e。eEF电电场力：evBF磁磁场力：BEv测荷质比:e/mL测定方法：撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的横向偏转值：221atS-SmaeEF电222BLESme荷质比：22EtSEamevtL222222EBLvLt荷质比：汤姆逊发现与阴极材料和管内气体无关这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分J.J.汤姆逊由此断定：•1909年密立根油滴实验证明一切荷电物质都只能带有e的整数倍的电量。•阴极射线粒子所带的电量e是电荷的最小单位。222BdLVSme111kgC107.1称：电子电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。J.J.汤姆逊由于发现电子而于1906年荣获诺贝尔物理学奖。J.J.汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”诱发人类进入电子科技时代。现在人类进入微电子科技时代。微电子学（Microelectronics）是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小化电路，子系统及系统的电子学分支。1.原子的“葡萄干布丁模型”------1903年，汤姆孙提出原子结构模型：原子里面带正电的部分均匀地分布在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球体与带负电的电子二者电量相等，故原子不显电性。§4.2原子结构一、卢瑟福散射和原子核的发现原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。原子的核式模型：1911年卢瑟福提出原子的“有核结构模型”。2.原子的有核模型+-粒子散射1/8000被反射，大部分透过原子内大部分是空的粒子散射实验，验证了原子的核式模型原子的大小和重量原子的直径10-10m。把1000万个碳原子一个接一个排成行，其长度只有1厘米。50万个原子只能排满头发丝的距离。全世界50亿人一起来数一滴水中包含原子的数目，假定每人数一个原子的时间一秒钟，50亿人一起数完一滴水中全部原子所需的时间为30000年。原子的质量只有10-23克。一杯水的重量与其中的一个原子的重量相比，约等于地球的重量与其上的一小块砖头的重量之比。二、玻尔模型1.卢瑟福模型的困难连续光谱电子落到核上电子绕核旋转辐射S辐射电磁波旋转频率E能量减小R轨道减小T周期减小旋转频率増加（不稳定系统）2.玻尔模型提出的背景（1）爱因斯坦光量子假设：光电效应、康普顿效应（2）氢气放电管氢原子谱线：7000A4100A5000A6000A6563A4861A4340AHHHH在可见光內巴尔末公式：)121(1~22nR经验公式R=1.096776×107/米里德伯常数n=3，4，5···通过氢气放电管获得氢原子光谱其中m=1,2,3······而n=m+1,m+2,m+3······赖曼系：(紫外光)22111nRc,3,2nm=1帕邢系：(红外光)22131nRc,5,4nm=3布喇开系：(红外光)22141nRc,6,5nm=4普芳德系：(红外光)22151nRc,7,6nm=5)11(~22nmR或)11(22nmRc进一步3、轨道角动量量子化假设：),3,2,1(2nhnhnmvrL（3）玻尔假设与氢原子理论1、稳定态假设：原子中的电子只能在一些分裂的稳定的轨道上运行，不辐射电磁波2、跃迁假设：高能态电子跃迁到低能态时发射单色光mnEEh电子角动量2224rervmo222menhron根据牛顿力学原子系统总能量nonpknremvEEE4212222248nhmeEonn称量子数当n=1时eVhmeEo6.1382241基态能量ooammehr1022110529.0玻尔半径显然)(6.132eVnEnonanr2当电子从nm发生跃迁时)11(822324nmhmehEEomn)11(22nmRc与比较得米/10097.187324chmeRo（4）玻尔理论对氢原子谱线的解释（2）电子接收外界能量跑到高能级称受激状态（1）原子位于基态（n=1）时，能量最小，最稳定称稳定态（3）受激状态电子会自发迁到低能级，发射光子h=En-Em（4）氢原子谱线是大量原子发生跃迁的结果赖曼系巴尔末系帕邢系布喇开系普芳德系-13.58-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)1n2354氢原子能级图解：n=2,m→∞)(4.346.1326.136.132evE例题1：当用波长为λ的光束照射氢原子，使n=2状态下的电子刚好移离原子(电离)。求入射光波长。mnEEh71983410656.3106.14.31031063.6EhcEEEhnmoA3656例题2：如用能量为12.8eV的电子轰击氢原子。问:①将产生几条谱线？②其中波长最长与最短为多少？③可见光范围内谱线为多少？解1：)(8.08.126.131eVEEEn氢原子获得最高能量能量量子化21nEEn1.48.06.131nEEn取n=4则有：41，42，43，31，32，21共6条谱线2：波长最长为4334EEh2121343434EEEEhc得)(1880034oA3：可见光为巴尔末系，为42，3221212424EEhc)(656023oA21212323EEhc)(486024oA波长最短为4121211414EEhc)(97214oA补充题、（1)问：用可见光照射能否使处于n=2的氢原子受到激发而被电离？（2）求：当用单色光照射，若使第二激发态(n=3)的氢原子电离，则入射光波长为多少？三、电子的波粒二重性1.玻尔模型的困难经典粒子、电磁波的辐射、跃迁概率2.电子的波粒二重性光具有波粒二象性波动性：衍射，偏振粒子性：光电，康普顿效应h能量与频率动量与波长hp1924年德布罗意提出了实物粒子也具有波粒二象性（一）德布罗意推论的思想体系（1）自然界在许多方面存在着显著的对称性（如动物，植物）对称是平衡的基础（2）我们可以观察到的宇宙是由光和实物组成（3）光具有波粒二象性，物质也具有波粒二象性得实物粒子的波长221cvvmhmvhpho当vc时vmho称物质波或德布罗意波例如：对宏观低速物体当m=0.05千克，v=300米/秒)(104.4)(104.430005.01063.6253534ooAmvmh无法观测到微观粒子？计算电子在室温下=？室温T=300KemkTv8)/(1008.11011.914.33001038.1853123smv)(1075.61008.11011.91063.6953134mmvh接近x射线波长1928汤姆孙金箔衍射实验1961约恩孙电子多缝干涉单缝双缝三缝四缝(二)电子衍射实验四、粒子运动的测不准关系1.力学量的不确定度宏观物体：坐标：位置动量：运动量微观物体：不能用x，p来确定不确定度看电子衍射2xdp△px电子从缝中出来位置不确定量dx2.海森堡的测不准关系2hxPx位置2hEt能量§4.3x射线谱kEhchhccmaxmaxmin一、轫致辐射(连续谱）高速电子打到靶上，电子与靶原子碰撞过程中，受到原子核的库仑场作用，骤然减速，损失的动能转换为辐射能。0.050.10.150.2λ20010000200003000040000400)(1024.110106.11031063.69319834min米UeUhc电压为千伏I(计数、秒）铜靶的x射线谱KαKβ二、特征辐射x射线谱中，分立谱（线光谱）所包含的分立波波长的大小取决于材料本身，是电子内壳层跃迁时放出射线而引起。其频率可用玻尔氢原子模型近似计算。)11)(1(22mnZcRcH例如：K壳层α谱线287222)1(10310097.143)2111()1(ZZcRcHKK赫）()1(10246.0216ZK)(10)1(122)1(10246.01039-22168米ZZckK12345nKnLMoN各种特征x射线示意图KKKKKLLLLMMMNN基本粒子未必基本•长期以来，人们一直在孜孜不倦地探索着物质的基本组成，对物质结构的认识有一个逐步深入的过程。•人们曾经把当时所认识到的组成物质的最小基本单元，称为“基本粒子”，现在知道，基本粒子未必基本。•电子、光子、质子、中子的发现，相继为原子物理学和原子核物理学奠定了基础，正电子、反质子、π介子、中微子的发现，使人们感受到粒子物理的丰富内涵与独特的研究方式，促使粒子物理作为一门独立的学科出现。§4.3原子核的结构讨论：原子核的组成原子量始终是氢原子量的整数倍。1919年，卢瑟福用粒子作为高速“炮弹”来轰击氮原子核，首先实现了原子核的人工破裂。HONHe1117814742用粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。氢核定义为“质子”。每个原子核都由氢核构成。卢瑟福得出结论：一、中子的发现1920年，卢瑟福提出中子假说。他认为原子核中，质子可能与电子紧密地结合，形成一种不带电的粒子，即中子。他推测，因为中子周围不形成电场，所以当它通过气体时，应不产生离子。它不受电场作用力的影响，