【文章內(nèi)容簡介】 子的有核模型。在論文中他寫到 ： “ 經(jīng)過思考，我認為反向散射必定是單次碰撞的結果，而當我作出計算時看到，除非采取一個原子的大部分質(zhì)量集中在一個微小的核內(nèi)的系統(tǒng)，是無法得到數(shù)量級的任何結果的，這就使我后來提出原子具有很小而質(zhì)量很大的核心的想法。 ” 通過對 α 粒子的散射實驗結果的分析和計算， 盧瑟福 得出結論： “ 一切原子都有一個核，它的半徑小于 1012厘米，原子核帶正電，它的電荷是 +Ze，原子的半徑為 108厘米，電子的位置必須擴展到以核為中心、半徑為 108厘米的球內(nèi)或球面上；為了構成平衡，電子必須象行星一樣繞核旋轉著。 ” 19111913年間 蓋革和馬斯頓 在盧瑟福指導下做了一系列 α 粒子的散射實驗 ， “ 記錄下了 100000次以上的閃爍 ，所有結果都和盧瑟福理論符合的很好 ， 結果都證明：原子中心有很強的電荷 ， 這個中心比原子直徑要小的多 。 ” 原子核式結構模型的建立，只肯定了原子核的存在，但還不知道原子核外電子的情況。 在獨創(chuàng)的科學研究中，我從未見過有比盧瑟福先生更加熱情和干練有為的學生。 —— JJ湯姆遜 盧瑟福和蓋革在實驗室 研究原子結構的兩種方法： ①利用原子發(fā)射光譜線的規(guī)律。 ②用高能粒子轟擊物質(zhì)中的原子，使高能粒子穿到原子內(nèi)部發(fā)生作用，從觀察到的現(xiàn)象解釋原子內(nèi)部結構。 電子軌道及轉動頻率不斷變化，輻射電磁波頻率也是連續(xù)的，原子光譜應是連續(xù)的光譜。實驗測得原子光譜是不連續(xù)的譜線。 按經(jīng)典理論電子繞核旋轉，作加速運動，電子將不斷向四周輻射電磁波，它的能量不斷減小，從而將逐漸靠近原子核，最后落入原子核中。計算表明，原子的壽命將僅有 1012秒。而實驗表明原子相當穩(wěn)定。 (18851962) 3. 玻爾理論的驗證 5. 玻爾理論的推廣 三、玻爾的氫原子理論 玻 爾 (,18851962) 丹麥物理學家尼爾斯 玻爾，生于丹麥哥本哈根的一個富裕知識分子家庭，父親是哥本哈根大學生理學教授。 1903年進入哥本哈根大學數(shù)學和自然科學系，大學二年級時他熱中于研究水的表面張力問題，并在丹麥皇家科學院的有獎征文中容獲金質(zhì)獎章， 1909年獲碩士學位， 1911年以論文 《 金屬電子論的研究 》 獲博士學位。 1911年 9月，他到英國劍橋卡文迪什實驗室進修， 據(jù)說他第一次與導師 ，就把他論文中批評湯姆孫的段落當面指出，使導師很不高興，因而給以冷遇。 1913年提出著名的玻爾原子理論。 1916年任哥本哈根大學教授， 1921年起一直領導著該校為他建立的理論物理研究所，直到去世。玻爾于 1916年、 1927年分別提出對應原理和互補原理， 1936年提出原子核的液滴核模型， 1939年創(chuàng)立核裂變理論，預言鈾的自身裂變。曾參加第一顆原子彈的制造。 1922年因對原子結構和原子輻射的研究而獲得諾貝爾物理學獎。 1912年 3月轉到了曼徹斯特隨盧瑟福工作，這成了他一生的重要轉折點。 玻爾在盧瑟福實驗室工作期間（約 4個月），正值盧瑟福發(fā)表有核原子理論，并組織對這一理論進行檢驗。玻爾參加了 α 粒子散射實驗工作，因此清楚這一理論所面臨的困難。但玻爾堅信盧瑟福有核原子模型的正確性，認為 “ 只有量子假說是擺脫困難的唯一出路 ” 。 ： 1913年 2月玻爾注意到德國物理學家斯塔克 ()在 《 原子動力學原理 》 一書中的一段話： “ 一個光譜的全部譜線是由單獨一個電子造成的，是在這個電子從一個（幾乎）完全分離的狀態(tài)逐次向勢能最小的狀態(tài)躍遷過程中輻射出來的。 ” 他將這一電子躍遷思想和光譜線聯(lián)系到一起，這樣，玻爾突然領悟到，他可以用這一理論解釋巴爾末公式了。玻爾曾說過： “ 我一看到巴爾末公式，整個情形就一下子弄清楚了。 ” ： 1912年 7月回到哥本哈根， 1913年初，玻爾的好友、光譜學家漢森 ()在拜訪玻爾時問到原子結構和光譜學中的譜線有什么關系？并向玻爾詳細介紹了巴爾末的發(fā)現(xiàn)，以及誰也無法對巴爾末公式作出解釋。 ： 1913年 3月、 6月、 9月，分別寫出了《 原子構造和分子構造（ 1）（ 2）（ 3） 》 三篇論文（人稱“ 三部曲 ” ），提出了定態(tài)躍遷的原子模型。 1)定態(tài)假設： 原子中電子的軌道不是任意的，只能取分立 的幾個，在以上軌道運動的電子不輻射電磁 波，原子處于相應的定態(tài)。 hEE kn ???3）角動量量子化： 如果電子繞核轉的是圓軌道的話，它的 角動量也應是量子化的，即 ?2hnP ? (n=1， 2， 3…) 2)躍遷假設： 原子中的電子從一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，若 相應的能量 EnEk，則原子將放出一個光 子， 其頻率： 將定態(tài)能量代入躍遷公式，即得氫光譜規(guī)律公式： 22422222 2,4 hnmeEmehnan?????從而使氫光譜的譜線規(guī)律很自然的得到解釋。 ?????????? 2221342 112~nnchme?? 由定態(tài)躍遷原理 通過運用經(jīng)典力學的計算和引入量子條件，玻爾推出了原子的玻爾半徑大小 a，并得到了定態(tài)能量En。 氫光譜的巴爾末線系 ?H?H3?n?H4?H5?H 6 4?氫光譜能級圖 賴曼系 巴爾末系 帕邢系 布拉開系 ?1?n?2?n?3?n?4?n0??E??n： 18961897年間，美國天文學家皮克林 ()在船艫座 ξ 星的光譜中發(fā)現(xiàn)一個很象巴爾末系的線系，這個線系中每隔一條譜線和巴爾末系的譜線重合。里德伯得出這個線系符合帶有半整數(shù)的巴爾末頻率公式。 玻爾指出， 皮克林系的頻率公式中不應包含有半整數(shù)，而應都取整數(shù)，只是其 里德伯常數(shù)為氫的 4倍， 并認為這些譜線 是電離了的氦原子發(fā)射的。 1913年給盧瑟福去信，請求他要求光譜學家否勒()檢驗這種氦假說。由于否勒不太相信這種說法，盧瑟福就請 伊萬斯 作這一實驗， 伊萬斯在一個玻璃管中充入極純的氦氣，得到了匹克林譜線 。 否勒又提出，就這些譜線而言，其里德伯常數(shù)并不精確等于氫的 4倍。玻爾回答說，這個微小的差別產(chǎn)生于氦原子核的不可忽略的運動。 3. 玻爾理論的驗證： ， 如 曼于 1914年發(fā)現(xiàn)在紫外區(qū)的賴曼系。 K 1G PV API0UE燈絲 柵極 板極 2G實驗原理： 充有低壓水銀蒸汽的玻璃管，電子與汞原子碰撞，使汞原子吸收電子能量而激發(fā)。原子吸收的能量是不連續(xù)的。 K、 G1 之間加正向電壓，電子在 E 作用下向 G 運動。G P 之間加反向電壓，電子穿過 G2 達到 P 形成電流 ,作 IP ~ U0 圖。 赫茲實驗 : 的 “ 電離能 ” ，玻爾指出這是原子的 “ 激發(fā)能 ” ，由此可以肯定地證明原子定態(tài)的存在。 從而驗證了玻爾理論的正確性。 設汞原子基態(tài)能量為 E1， 第一激發(fā)態(tài) 為 E2 電子動能 EkE2?E1時： 電子不能使 Hg原子激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)，電子與 Hg原子碰撞無能量損失，速率不變。因此能克服 G2P間反向電壓到達 P電極形成電流。且隨著 U0的增加電流IP增加。直到電子獲得的動能 Ek=E2?E1。 即U0↑→ Ek↑→v↑→Ip↑ PIo)(0 VU5 10 15 Ek=E2E1時： 電子和 Hg原子產(chǎn)生彈性碰撞，Hg原子因吸收電子能量被激發(fā)，電子則由于能量損失而不能克服遏止電壓的作用到達極板 P，從而使電流 IP減小。 ↑→EkE2E1 電子 Ek隨著 U0的增加而增加，電子和 Hg原子產(chǎn)生彈性碰撞，電子由于無能量損失，能克服遏止電壓作用到達極板 P形成電流，所以 IP增加。直到 Ek=2（ E2?E1）。 即 U0↑→ Ek↑→v↑→Ip↑ Ek=2（ E2E1） 時 電子第二次使 Hg 原子激發(fā)后能量減小，不足以克服 G2P間的反壓到達極板 P，所以電流又減小至谷底。 Hg 原子第二次從 E1 →E2 電子 Ek↓→v↓→Ip↓→第二個波峰 :E2E1= ，受激 Hg 原子從高能態(tài)跳回低能態(tài)放出光子。 從而驗證了原子能級的存在。 波爾將量子推進到原子物理學中 ， 提出了電子角動量的量子化條件和量子躍遷理論 ， 解決了原子的穩(wěn)定性問題 ， 揭示了光譜規(guī)律與原子結構的本質(zhì)聯(lián)系 ， 波爾理論標志著量子論的最后形成 。 ： ① 它只能解釋氫光譜和類氫光譜 ， 對于稍復雜一些的原子 光譜 ， 如氫光譜的精細結構 ， 無法解釋； ② 不能計算譜線強度； ③ 玻爾理論是經(jīng)典與量子理論的混合物 ， 存在著內(nèi)在的不 協(xié)調(diào) ， 內(nèi)在的矛盾 。 從 1913年開始，莫塞萊 (,18871915,英 )系統(tǒng)研究了多種元素的特征輻射，拍攝了它們的 X射線譜的主要譜線 Kα、 Kβ 。并從中總結出 α譜線的頻率公式： ）（）（ 22221111~ ??? ZR?并由此得出周期表中元素的排序是 FeCoNi；而不是按原子量的大小排列的 FeNiCo。 1914年發(fā)表了從鋁到金的特征 X射線譜，并得到 Lα譜線的頻率公式。這些結果都明確支持了盧瑟福 玻爾的原子結構模型。 莫塞萊于 1915年在第一次世界大戰(zhàn)中陣亡，時年 28歲。 索末菲：德國慕尼黑大學著名德理論物理教授，擅長理論分析。早年在博士論文中就發(fā)展了新的數(shù)學方法 —復變函數(shù)，后來應用這種方法取得多項成就。 20世紀曾對電子論作過研究，在論戰(zhàn)中很早就站在相對論一邊。 索末菲在 1914年開始廣泛討論并推廣了玻爾理論， 包括橢圓軌道理論和相對論修正 。首先索末菲把氫原子中的電子看成是二維的開普勒運動，即有兩個自由度的運動，并引入平面極坐標，提出角動量 pΦ 和動量 pr均滿足量子化條件 (假設 )： hndrphndp rr ?? ?? ,?? ?其中 n=nΦ +nr為主量子數(shù)，原子的能態(tài) E由 n決定，同一主量子數(shù)n,有 n個可能的軌道，但能量是相同的，稱 n重簡并。在能量表達式中多了一相對論修正項，從而解釋了氫光譜的精細結構。 一 .量子力學的發(fā)展線索與代表人物 二 .矩陣力學的創(chuàng)立 三 .波動力學的建立 四 .玻爾與愛因斯坦的爭論： 167。 量子力學的建立 背景 玻爾理論成功地解釋 了 原子的穩(wěn)定性及氫原子光譜的規(guī)律性。為人們認識微觀世界和建立近代量子理論打下了基礎。 但玻爾理論是經(jīng)典與量子的混合物，存在著許多不協(xié)調(diào)。如它既保留了經(jīng)典的確定性軌道，又假定量子化條件來限制電子的運動。它不能解釋稍微復雜的問題，正是這些困難，迎來了物理學的大革命。 : ： 研究微觀粒子運動的基本理論，它和相對論構成近代物理學的兩大支柱。 量子力學 德布羅意 薛定諤 薛定諤 波動方程 海森堡 波恩，提出矩陣力學 一 .量子力學的發(fā)展線索與代表人物 : 泡利像 玻爾和 泡利 量 子 理 論 的 發(fā) 展 玻爾 索末菲 量 子 理 論 的 發(fā) 展 泡利 海森堡 玻爾 GP湯姆遜 戴維森 量 子 理 論 的 發(fā) 展 德布羅意 提出物質(zhì)波 1923年， 31歲 狄拉克 非相對論量子力學 1926年， 24歲 波恩 對波函數(shù)的物理詮釋 玻爾 互補原理和對量子力學詮釋 1927年 海森堡 提出矩陣力學 1925年， 24歲 薛定諤 提出波動方程 1926年， 39歲 泡利 提出不相容原理 1924年 德布羅意 法國物理學家。 1892年 8月 15日生于下塞納的迪耶普。出身貴族。 1910年獲巴黎大學文學學士學位， 1913年獲理學碩士學位。第一次世界大戰(zhàn)期間，在埃菲爾鐵塔上的軍用無線電報站服役。戰(zhàn)后一方面參與他哥哥的物理實驗工作，一方面拜朗之萬為師，研究與量子有關的理論物理問題，攻讀博士學位。 一 德布羅意波的提出