(优选)第二十原子的量子理论

量子力学授课教案第一章：绪论教学目的：了解经典物理在解释微观世界运动规律时遇到的主要困难以及为克服这些困难所提出的一些新的假设。

教学重点：普朗克假设的基本思想；德布罗意假设的基本思想和数学表述。

教学难点：物质波概念。

教学时数：6课时教学方法：讲述法为主，辅以浏览部分历史人物图片以提高学习兴趣。

量子力学课程介绍一、量子力学研究内容量子力学是研究微观粒子（分子、原子、原子核、基本粒子）运动规律的理论，是在上世纪二十年代总结大量实验事实和旧量子论的基础上建立起来的。

二、量子力学在物理学上地位1、量子力学是物理学三大基本理论之一。

物理学基本理论分三大块：经典物理学---研究低速、宏观物体；相对论---------研究高速运动物体；量子力学------研究微观粒子。

2、相对论、量子力学是近代物理的二大支柱。

3、量子力学与现代科学技术是紧密相连，凡涉及原子分子层次的现代科技都离不开量子力学，如半导体技术、纳米材料、激光、量子通讯、量子计算机等。

现代医学、生物基因工程也与量子力学紧密相关，许多疾病、有关生命现象只有在原子分子层次上才能加以解释。

三、量子力学特点1、抽象独立于经典物理，自成一套系统，脱离人们的日常生活经验，难以理解，如波粒二象性、微观粒子没有运动轨道等。

理论本身一些内容不能直接用实验验证，如薛定谔方程、E=hν等，原因是微观粒子太小，目前实验无法直接观察。

2、理论形式本身不是唯一的。

量子力学目前主要有二种理论形式：薛定谔波动力学；海森堡矩阵力学；另外还有路径积分理论（比较少用）。

其原因是量子力学理论基本上结合实验假设、猜测出来的，主观成份较多。

3、量子力学参考书很多，较适中的有：量子力学教程周世勋量子力学惠和兴量子力学导论曾谨言量子力学曾谨言量子力学基础关洪还有各高校的量子力学教材等。

四、本章概述：本章作为讲述量子力学的绪论，主要介绍在十九世纪末、二十世纪初物理学的研究领域拓展到微观世界时人们发现的经典物理理论在解释微观现象时出现的困难。

第20卷　第2期太原教育学院学报V o l.20N o.2　2002年6月JOURNAL OF TA I YUAN INSTITUTE OF EDUCATI ON Jun.2002如何看待《原子物理学》中的玻尔理论与量子力学赵秀琴1,　贺兴建2(1.太原师范学院,山西太原030031;2.太原市教育学院,山西太原030001)摘　要:《原子物理学》在物理学的教育和学习中有着特殊的地位,特别是量子论建立初期的知识体系,是物理学获得知识、组织知识和运用知识的典范,通过量子论建立过程的物理定律、公式后面的思想和方法的教学,使学生在原子物理的学习过程中掌握物理学的思想和方法。

关键词:原子物理学;玻尔理论;量子力学中图分类号:O562　文献标识码:A　文章编号:100828601(2002)022*******《原子物理学》在物理学的教育和学习中有着特殊的地位,特别是量子论建立的初期知识体系,是物理学获得知识、组织知识和运用知识的典范,通过不断地提出经典物理无法解决的问题,提出假设、建立模型来解释并提出新的结论和预言,再用新的实验检验、修改或推翻,让学生掌握这种常规物理学的发展模式和过程。

通过量子论的建立过程的物理定律、公式后面的思想和方法的教学,使学生在原子物理的学习过程中掌握物理学(特别是近代物理学)的思想和方法。

一、玻尔理论的创立19世纪末到20世纪初,物理学的观察和实验已开始深入到物质的微观领域。

在解释某些物理现象,如黑体辐射、光电效应、原子光谱、固体比热等时,经典物理概念遇到了困难,出现了危机。

为了克服经典概念的局限性,人们被迫在经典概念的基础上引入与经典概念完全不同的量子化概念,从而部分地解决了所面临的困难。

最先是由普朗克引入了对连续的经典力学量进行特设量子化假设。

玻尔引入了原子定态概念与角动量量子化规则取得了很大的成果,预言了未激发原子的大小,对它的数量级作出了正确的预言。

它给出了氢原子辐射的已知全部谱线的公式,它与概括了发射谱线实验事实的经验公式完全一致。

第二十章 量子力学基础§20-1 玻尔的氢原子理论自1897年发现电子并确定是原子的组成粒子以后，物理学的中心问题之一就是探索原子内部的奥秘。

人们逐步弄清了原子的结构及其运动变化的规律，认识了微观粒子的波粒二象性，建立了描述分子、原子等微观系统运动规律的理论体系量子力学。

量子力学是近代物理学中一大支柱，有力地推动了一些学科（如化学、生物、…）和技术（如半导体、核动力、激光、…）的发展。

本章介绍量子理论的一些基本概念。

一、原子光谱的实验规律光谱分为下面三类：线光谱：谱线是分明、清楚的，表示波长的数值有一定间隔。

（所有物质的气态原子（而不是分子）都辐射线光谱，因此这种原子之间基本无相互作用。

）带状光谱：谱线是分段密集的，每段中相邻波长差别很小，如果摄谱仪分辨本领不高，密集的谱线看起来并在一起，整个光谱好象是许多段连续的带组成。

（ 它是由没有相互作用的或相互作用极弱的分子辐射的。

）连续光谱：谱线的波长具有各种值，而且相邻波长相差很小，或者说是连续变化的。

（如：太阳光是连续光谱。

实验表明，连续光谱是由于固态或液态的物体发射的，而气体不能发射连续光谱。

液体、固体与气体的主要区别在于它们的原子间相互非常强烈。

）1．氢原子光谱19世纪后半期，许多科学家测量了许多元素线光谱的波长，大家都企图通过对线光谱的分析来了解原子的特性，以及探索原子结构。

人们对氢原子光谱做了大量研究，它的可见光谱如下图。

其中从光波向短波方向 数的前4个谱线分别叫做αH 、βH 、γH 、δH ，实验测得它们对应的波长分别为：A =H 6563α、 A =H 4861β、A =H 4340γ、A =H 4102δ。

在1885年从某些星体的光谱中观察到的氢光谱谱线已达14条。

这年，6 5 6 3 A4 8 6 1 A4 3 4 0 A 4 1 0 2 A oooo图 20-1瑞士数学家巴尔末(J.J.Balmer)，发现氢原子光谱在可见光部分的谱线，可归结于下式：，，，54321122=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=n n R λ 式中λ为波长，1710097.1-⨯=m R 称为里德伯常数。

量子理论创建的科学启示及其基本问题研究的哲学思考—纪念量子理论诞生１００周年　孙昌璞 （中国科学院理论物理研究所，北京100080）二十世纪是物理学革命性发展的世纪, 量子理论和相对论的创立, 不仅是物理学革命的标志, 而且后者更广泛地影响了整个科学发展, 如对化学键和各种物性的理解，对发现DNA 双螺旋结构的作用.以量子力学为核心的量子理论，代表了人类对微观世界基本认识的革命性进步，与相对论共同成为二十世纪人类科技文明的基石。

它不仅从哲学上根本改变了人们关于时间、空间、物质和运动的观念，而且带来了许多划时代的技术创新（如原子能、半导体和激光器的发明），直接推动了社会生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活。

目前关于量子信息的前沿研究也表明，量子力学有可能大大加速信息科学的发展，在二十一世纪，再一次引起信息科学的革命。

一百年前，德国科学家普朗克发表的论文《论正常光谱能量分布定律》，是量子论的诞生标志。

创立量子理论的动因主要来自两个方面: 一方面, 19世纪末已发展完善的经典物理(经典力学、 经典电动力学、 经典热力学和统计力学)不能解释一些典型的、当时被认为属于经典物理范畴的现象, 如黑体辐射、固体比热和光电效应，人们不得不去考虑经典物理的局限性； 另一方面, 当人们把经典电动力学等应用到原子等微观系统时, 遇到了原子稳定性方面的根本性困难，要求人们去探求新理论。

于是，普朗克的能量量子化的思想 、爱因斯坦的光量子假说以及玻尔的原子轨道量子化理论便应运而生了. 虽然这些现在称为旧量子论的理论成功地解释了上述现象, 但却很难应用到更复杂的情况，其基本观念看上去也与经典理论截然不同、甚至是不可调和的. 然而，以此发展起来的德布罗意物质波理论，却成功地预言了实物粒子具有衍射波动行为的实验，使人们可更加相信,描述微观粒子的运动需要比经典物理更深入的理论.1924年开始，为了摆脱旧量子理论的局限性, 海森堡、薛定谔 、狄拉克和波恩等, 建立了全新的、描述微观世界运动的理论—量子力学 [1]. 新的量子理论不仅能胜任旧量子理论的全部任务，而且能够准确地描述更复杂的现象, 并方便地应用到更广泛的领域. 在以后的几年，丹麦的玻尔研究所和德国的哥廷根大学等成为了全世界量子物理的研究中心，形成了举世闻名哥本哈根学派. 哥本哈根学派的诞生，标志着现代量子理论-量子力学基本框架的确立。

对一次电离的+e H 离子，Rydberg 方程变为
毕克林（Pickering,1897）系(船舻座ζ星)
特点： 一组几乎与巴耳末线系的谱线相重合，但显然波长稍有差别（短）。

一组 大约分布在两条相邻的巴耳末线系的谱线之间。

三、肯定氘的存在
1932，尤雷（Urey ）:)279.656(nm H α旁有谱线（656.100nm ）的谱线，相差 0.179nm 。

尤雷假定为氢的同位素D ，且D H D H R R M M ⇒=2/1，进而算出相应的波长，
结果与实验很好地符合，从而证明了D 地存在。

四、非量子化轨道
当电子远离原子核时，动能 02>mv
，势能0=U ，总能量 220mv E =。

轨道形状为双曲线，能量非量子化。

电子进入核的库仑场后，系统的总能量 202
2
20422r Ze mv mv E πε-==
当电子从双曲轨道向量子轨道跃迁时，原子辐射光子，能量 22202220222)42(n hcR Z mv n hcR Z r Ze mv E E h n +=+-===πεν
故光谱连续。

)11(4)11(~22222n
m R n m RZ hc E E He m n -⇒-=-=ν)121(~22k
R He -=ν 29,4,27,3,252==n k。

物理学中的光电效应与原子量子理论光电效应是指当光照射到金属表面时，如果光的频率大于金属的极限频率，金属表面就会发射出电子。

这一现象说明了光具有粒子性，同时也揭示了原子内部的结构。

1.光电效应的基本规律–光电效应现象由德国物理学家赫兹于1887年发现。

–光电效应遵循爱因斯坦的光量子假设，即光具有粒子性，每个光子具有能量E=hv（E为光子的能量，h为普朗克常数，v为光的频率）。

–光电效应方程为：E_k = hv - W_0（E_k为发射出的电子的动能，W_0为金属的逸出功）。

2.光电效应的条件–光照射的频率必须大于金属的极限频率，否则无论光照射时间多长，都不会有电子发射。

–光照射的强度必须足够大，以确保有一定数量的光子入射到金属表面。

3.原子量子理论的基本概念–1913年，玻尔提出了玻尔模型，解释了氢原子的光谱线。

–玻尔模型假设原子具有定态，电子在不同的能级上绕核运动，跃迁时会发射或吸收光子。

–能级差与发射或吸收的光子频率成正比，即E_m - E_n = hv。

4.量子力学的基本原理–1925年，海森堡提出了矩阵力学，1926年，薛定谔提出了波动力学，两者本质上描述了同一物理现象。

–量子力学揭示了原子、分子和微观粒子的内在规律，采用了波函数、算符等概念。

–量子力学的基本方程为薛定谔方程：Hψ = Eψ，其中H为哈密顿算符，E为系统的能量，ψ为波函数。

5.光电效应与原子量子理论的联系–光电效应的实验结果验证了原子量子理论的正确性。

–光电效应的机理可以用量子力学中的电子跃迁来解释。

当光照射到原子时，电子吸收光子能量，从低能级跃迁到高能级；当电子从高能级跃迁回低能级时，发射出光子，表现为光电效应。

6.光电效应的应用–光电效应的研究为光电子技术的发展奠定了基础，如太阳能电池、光敏电阻等。

–光电效应在现代物理实验中具有重要意义，如精确测量普朗克常数、原子序数等。

7.原子量子理论的意义–原子量子理论的成功解释了原子的结构、光谱线、化学键等微观现象。

原子结构理论的发展历程商业计划书一、背景介绍原子结构理论的发展历程是物理学领域中的重要研究方向之一。

通过对原子结构的深入研究，可以揭示物质的性质和行为规律，为材料科学、化学工程等领域的发展提供重要的理论支持。

本商业计划书旨在介绍原子结构理论的发展历程，并探讨相关领域的商业机会。

二、发展历程1. 古代哲学家的思考早在古代，一些哲学家就开始探索物质的本质和构成。

希腊哲学家德谟克利特提出了“原子”这一概念，认为物质由不可再分的微小颗粒组成。

这为后来原子结构理论的发展奠定了基础。

2. 遗传学与原子结构的联系19世纪末，遗传学的发展为原子结构理论的研究提供了新的思路。

孟德尔的遗传实验表明，生物遗传的基本单位是离散的因子，这与原子结构理论中的离散性质相吻合。

这一发现引起了科学家们对原子结构的进一步关注。

3. 量子力学的诞生20世纪初，量子力学的诞生推动了原子结构理论的发展。

玻尔提出了原子的能级结构理论，解释了氢原子光谱的规律。

随后，薛定谔方程的提出使得科学家们能够更深入地研究原子的波粒二象性和电子的行为规律。

4. 原子核结构的揭示随着科学技术的进步，科学家们逐渐揭示了原子核的结构。

卢瑟福的散射实验揭示了原子核的正电荷和质量集中在一个核心区域，电子围绕核心运动。

这一发现进一步完善了原子结构理论。

5. 进一步研究与应用随着原子结构理论的不断发展，科学家们对原子的内部结构和原子间相互作用的研究也取得了重要进展。

核磁共振、电子显微镜等技术的应用使得科学家们能够观察和研究原子的微观结构，为材料科学、化学工程等领域的研究提供了重要的工具和方法。

三、商业机会1. 科研设备和仪器的研发与销售随着原子结构理论的发展，对于研究原子结构的仪器和设备的需求也逐渐增加。

研发和销售先进的科研设备和仪器，满足科学家们的研究需求，将是一个潜在的商业机会。

2. 原子结构理论在材料科学中的应用原子结构理论在材料科学中有着广泛的应用。

通过深入研究材料的原子结构，可以改善材料的性能和功能，开发出更高效、更可靠的材料。

能量量子化(15分钟30分)一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)1.关于对黑体的认识,下列说法正确的是 ( )A.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,与材料种类及表面状况无关D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体【解析】选C。

黑体能100%地吸收入射到其表面的电磁波,黑体不一定是黑色的,故A错误;一般物体的辐射除与温度有关外,还和物体的材料及表面状态有关,而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,故B错误,C正确;如果在一个空腔壁上开一个小孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个小孔就成了一个绝对的黑体,故D错误。

故选C。

2.以下宏观概念中,哪些是“量子化”的 ( )A.物体的长度B.人的个数C.物体的动能D.物体所受的重力【解析】选B。

人的个数是“量子化”的;而物体的长度、物体的动能以及物体所受的重力,都不是“量子化”的,故B正确,A、C、D错误。

3.白光是由各种成分的单色光复合而成的,在真空中从红光到紫光波长依次减小。

则下列说法中正确的是( )A.红光的能量比紫光小B.红光光子的能量比紫光光子的能量大C.红光的频率比紫光小D.温度升高,物体辐射的紫光增强、辐射的红光减弱【解析】选C。

因为紫光的频率大于红光,根据ɛ=hν知,红光的光子能量比紫光的光子能量小,故B错误,C 正确;红光光子的能量小于紫光,但是光子个数不能确定,故红光的能量不一定比紫光小,故A错误;温度升高,物体辐射的紫光增强、辐射的红光也增强,故D错误。

4.一个处于基态的氢原子吸收光子后,跃迁到另一定态,下列说法中正确的是( )A.电子绕原子核运动的动能将会变大B.氢原子能量将会变小C.吸收光子属于紫外线,发出的光子可能含有可见光D.向低能级跃迁时,发出光子的频率一定等于吸收光子的频率【解析】选C。

量子力学的革命量子力学的革命00量子力学是二十世纪物理学两大革命之一。

一般人较常听到属於另一大革命的相对论，知道它是爱因斯坦发展出来的，也大约知道它改变了人们对时间与空间的观念。

但对量子力学则较少听闻。

事实上，量子力学在知识上的革命性与对科学的影响程度，决不在相对论之下。

量子力学的重要性1905年，初出茅芦的爱因斯坦发表了四篇论文，分属三个不同领域：「布朗运动」、「相对论」及「光电效应」。

爱因斯坦在给好友贝索（Besso）信中，提到关於「光电效应」那篇，说它是非常革命性的；相比之下，在爱因斯坦的心目中，「相对论」并没有那麼大的革命性。

爱因斯坦在「光电效应」的论文中，提到了「光量子」的假设，这正属於量子力学的范围。

就对这两大革命都有重大贡献的爱因斯坦来说，量子力学的革命性还要超过相对论。

量子力学是关於原子、分子或更微小范围的物理理论。

由於世间万物，除了辐射线外，都由原子或分子组成，因此要真正了解外在世界的性质，量子力学便不可或缺。

这还不仅纯知识上需要它，许多工业技术，特别是高科技产业，都需要用上量子力学的知识，例如通讯器材、电子元件、雷射材料、应用於遗传工程的分子生物学等等，都离不开量子力学的影响。

甚至家庭消费产品，诸如光碟（compact disk，简称CD）、雷射印表机等等，其原理也非援引量子力学的理论不可。

自十七世纪牛顿力学建立以来，由於它在科学上的空前成功，不仅解释或预测了上自天体星球自转，下至苹果落地及各种物体的动静现象，而且还在工程、产业方面成为基本的学理，有力地促进工业革命，改善人类的物质生活。

牛顿力学这样钜大地对人类物质文明的影响使它成为知识的典范、科学的准则，并且促成了社会科学的形成与发展，启迪哲学思辨的内容与方向。

牛顿力学不仅促进物质文明的空前进步，也深刻地影响人类精神文明的面貌，影响人类历史的推演。

这样一套威力十足的理论却无法解释微观世界（如原子、分子等）的现象，而终为量子力学所取代。