原子物理学第九章共94页文档
合集下载
原子物理学课后习题答案第9章
第九章 分子结构和光谱9.1 r HB 分子的远红外吸收光谱是一些194.16~-=∆厘米v 等间隔的光谱线。
试求r HB 分子的转动惯量及原子核间的距离。
已知H 和r B 的原子量分别为1.008和79.92。
解：远红外光谱是由分子的转动能级跃迁产生的，谱线间隔都等于2B 。
即B v2~=∆ (1)而 Ic h B 28/π= (2)由（1）、（2）两式可得：米米千克1021247221042.1)(10302.3~828--⨯=+⋅==⋅⨯=∆==Br H Br H m m m m I I r c vh BC h I μππ 9.2 HCl 分子有一个近红外光谱带，其相邻的几条谱线的波数是：－１厘米49.2821,56.2843,09.2865,25.2906,78.2925。
H 和Cl 的原子量分别是1.008和35.46。
试求这个谱带的基线波数0~v 和这种分子的转动惯量。
解：由谱线的波数之差可见：除09.286525.2906-之外，其他相邻谱线之差近乎相等。
而2906.25和2865.09之差相当于其他相邻谱线之差的二倍。
显然这是一个振动转动谱带。
上述两谱线之间有一空位，此空位即是只有振动跃迁是的基线波数0~v 。
给出五条谱线中，显然，头两条属于R 分支，其波数按大小顺序分别记为12~,~R R v v ；后三条属于P 分支，其波数按大小顺序分别写作3,2,1~~~P P P v v v 。
R 分支的谱线波数近似地由下述公式决定： ⋯⋯=+= ,2,1','2~~0J BJ v v R P 分支的谱线波数近似地由下述公式决定： ⋯⋯=-= ,2,1','2~~0J BJ v v P 因此有:(Ⅰ)⎩⎨⎧⋯⋯-=⋯⋯+=）（）（22~~12~~0101B v v B v v P R (1)-(2) 式,得:29.104~~11=-=P R v v B(Ⅱ) ⎩⎨⎧⋯⋯-=⋯⋯+=）（）（44~~34~~0202B v v B v v P R (3)-(4) 式,得:28.108~~22=-=P R v v B 285.10228.1029.10=+=∴B 转动惯量为: 24721072.28米千克⋅⨯≈=-Bch I π 由(Ⅰ)、 (Ⅱ)，得基线波数为：112112028851717.2885)~~~~(41~--==+++=米厘米P P R R v v v v v 9.3 Cl 原子的两同位素3735Cl Cl 和分别与H 化合成两种分子3735HCl HCl 和。
原子物理学第九章
3
原子物理学
第九章
分子结构与分子光谱
9.1 分子的键联 一、离子键
4
原子物理学
第九章
分子结构与分子光谱
9.1 分子的键联 一、离子键
5
原子物理学
第九章
分子结构与分子光谱
9.1 分子的键联 一、离子键
6
原子物理学
第九章
分子结构与分子光谱
9.1 分子的键联 二、共价键
7
原子物理学
第九章
分子结构与分子光谱
14
原子物理学
第九章
分子结构与分子光谱
9.2 分子光谱和分子能级
从分子的光谱可以研究分子的结构，分子光谱比原子
光谱要复杂得多。就波长的范围说，分子光谱可以有如下 三类别。 一、分子光谱的类别 （1）远红外光谱，波长是厘米或毫米的数量级。
（2）近红外光谱，波长是微米的数量级。
（3）可见和紫外光谱，这往往是一个复杂的光谱体系。 分子所以产生复杂的光谱，是由于它内部复杂的运动 状态。
20
原子物理学
第九章
分子结构与分子光谱
9.2 分子光谱和分子能级
四、振动能级和转动能级的特点
由此可知，上文所说分子的远红外光谱是只有转动能 量改变所产生的光谱，所以又称为纯转动光谱。分子的近 红外光谱是既有振动又有转动能量的改变所产生的光谱。 一对振动能级之间的跃迁所产生的光谱，由于有转动能级 的跃迁，是一个光谱带，这就是一组很密集的光谱线。分 子的电子能级如果有改变，所发的光谱一般落在可见或紫 外区域，而每一个电子能级上还有振动能级，因此一对电 子能级之间的跃迁就包含不同振动能级的跃迁，因而会产 生很多光谱带，形成一个光谱带系。带状是分子光谱的特 点。从外形说，这类光谱称作带状光谱。图9.6是分子光谱 照片。
原子物理学第八、九章
1932年 查德威克发现了中子
2018/11/27
39
三、原子核的质量 mN
原子核的质量≈原子的质量-核外电子的质量
mN M A zme 1 12 1u C原子质量 1.66 1024 克 12
2018/11/27
40
931.5Mev 1u c2
E mc2
原子质量=原子量*原子质量单位 质量数A：原子质量以u为单位时，其值却接近一个整 数，称为质量数
原理：利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长 从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入射线 的倾角相等的X射线，满足布拉格公式：
2d sin n
n 1,2,3
出射线就会加强。
A
d
B
晶体可形成许多不同取向的晶面。在θ 方向衍射的 X光将得到加强，出现了劳厄光斑。 用布喇格公式可以计算晶面距，反之，若已知d，还可以确 定X射线的波长。
、
同位素：Z相同，A不同的元素 同量异位素：A相同，Z不同的元素 同质异能素：同一种原子核处在不同的能量状态
2018/11/27
41
四、原子核的大小
实验表明，核半径
R r0 A
1 3
r0 1.20 1015 m 1.20 fm
体积
密度
4 V r03 A 3
MN 常数 1017 千克 / 米3 V
25
四、和碱金属原子光谱比较
因为满壳层失去一个电子的原子态和一个价电子的碱金 属原子态相同。所以，X射线标识谱和碱金属原子的光谱和 能级有相似的结构。 能级→双层 光谱→双线或更多
2018/11/27
26
第四节
2018/11/27
39
三、原子核的质量 mN
原子核的质量≈原子的质量-核外电子的质量
mN M A zme 1 12 1u C原子质量 1.66 1024 克 12
2018/11/27
40
931.5Mev 1u c2
E mc2
原子质量=原子量*原子质量单位 质量数A：原子质量以u为单位时，其值却接近一个整 数，称为质量数
原理：利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长 从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入射线 的倾角相等的X射线，满足布拉格公式：
2d sin n
n 1,2,3
出射线就会加强。
A
d
B
晶体可形成许多不同取向的晶面。在θ 方向衍射的 X光将得到加强，出现了劳厄光斑。 用布喇格公式可以计算晶面距，反之，若已知d，还可以确 定X射线的波长。
、
同位素：Z相同，A不同的元素 同量异位素：A相同，Z不同的元素 同质异能素：同一种原子核处在不同的能量状态
2018/11/27
41
四、原子核的大小
实验表明，核半径
R r0 A
1 3
r0 1.20 1015 m 1.20 fm
体积
密度
4 V r03 A 3
MN 常数 1017 千克 / 米3 V
25
四、和碱金属原子光谱比较
因为满壳层失去一个电子的原子态和一个价电子的碱金 属原子态相同。所以，X射线标识谱和碱金属原子的光谱和 能级有相似的结构。 能级→双层 光谱→双线或更多
2018/11/27
26
第四节
原子物理学各章节小结(1-4)
l =1，2，3，…，（n-1）
轨道角动量大小:
L
h l ( l 1) 2
角量子数l越小，椭圆轨道的偏心率越大，轨道越扁。
上一页
下一页
目录
结束
空间量子化 轨道磁量子数（ml）：表示轨道在空间的可能取向。
ml 0, 1, 2,…， ( - 1) l l ,
h 在外磁场方向的投影： L m z l 2
目录
结束
4、对应原理
玻尔认为：
理解，并能用 自己的话说出
在原子范围内微观现象和在宏观范围内的现
象，它们各自遵循本范围的规律，但微观范围内
的规律和宏观范围内的规律间存在对应关系，当 把微观范围内的规律延伸到宏观范围时，应与宏 观规律一致。
上一页
下一页
目录
结束
5、量子力学处理结果
主量子数（n）：原子中的电子在核外空间运动轨 道大小和能量高低主要决定于主量子数。 n=1，2，3…… 轨道角量子数（l ）：表示轨道形状和角动量大 小，同时还表示在同一主壳层中电子能量的分裂。
记住处理结论，且 能用其处理具体问 2 n题，要求会画能级 a1 图。
Z
o 4 0 h 2 10 a1 0.53 10 m 0.53 A 2 2 4 me
2 2 me 4 Z 2 Z2 能量： En hcR( 2 ) hcT ( n) 2 2 2 (4 0 ) h n n 2 2 me 4 13.6 对氢原子n=1时， E1 13.6eV En 2 eV 2 2 (4 0 ) h n
En E1 h 1 h 2 h 3 En E1 hc
1
hc
2
hc
原子物理学(原子的精细结构电子自旋)
通过调控材料中电子自旋的取向， 可以制备具有特殊磁学性质的自
旋极化材料。
自旋电子学
利用电子自旋的特性，开发新型 自旋电子学器件，如自旋晶体管
和自旋存储器等。
磁性材料研究
通过研究电子自旋的磁学性质， 有助于深入了解磁性材料的微观
结构和物理性质。
05 原子物理学的发展前景与 挑战
原子物理学与其他学科的交叉研究
原子核位于原子的中 心，电子围绕原子核 运动。
原子的电子排布
电子在原子核外的不同能级轨道 上运动，离原子核越远的轨道，
其能量越高。
电子按照一定的规律填充在不同 的能级轨道上，形成电子排布。
电子排布决定了原子的化学性质 和电子状态，是研究原子结构的
重要内容。
原子的能级与光谱
原子的能级是指原子内部电子 运动的能量状态，不同的能级 具有不同的能量。
原子物理学在新能源与技术中的应用
太阳能电池技术
01
原子物理学在太阳能电池技术中的应用，通过优化材料结构和
提高光电转换效率，为可再生能源的发展提供支持。
核聚变能源
02
通过原子物理学对核聚变反应过程的研究，实现可控核聚变能
源的开发，为未来能源供应提供可持续的解决方案。
磁约束核聚变装置
03
利用原子物理学的原理和技术，设计和建造磁约束核聚变装置，
当原子从一个能级跃迁到另一 个能级时，会吸收或释放一定 频率的光子，形成光谱。
光谱分析是研究原子能级结构 和性质的重要手段，可以用于 元素分析和化学分析等。
02 原子核的结构与性质
原子核的组成
01
02
03
质子和中子
原子核由质子和中子组成， 质子带正电荷，中子不带 电。
旋极化材料。
自旋电子学
利用电子自旋的特性，开发新型 自旋电子学器件，如自旋晶体管
和自旋存储器等。
磁性材料研究
通过研究电子自旋的磁学性质， 有助于深入了解磁性材料的微观
结构和物理性质。
05 原子物理学的发展前景与 挑战
原子物理学与其他学科的交叉研究
原子核位于原子的中 心，电子围绕原子核 运动。
原子的电子排布
电子在原子核外的不同能级轨道 上运动，离原子核越远的轨道，
其能量越高。
电子按照一定的规律填充在不同 的能级轨道上，形成电子排布。
电子排布决定了原子的化学性质 和电子状态，是研究原子结构的
重要内容。
原子的能级与光谱
原子的能级是指原子内部电子 运动的能量状态，不同的能级 具有不同的能量。
原子物理学在新能源与技术中的应用
太阳能电池技术
01
原子物理学在太阳能电池技术中的应用，通过优化材料结构和
提高光电转换效率，为可再生能源的发展提供支持。
核聚变能源
02
通过原子物理学对核聚变反应过程的研究，实现可控核聚变能
源的开发，为未来能源供应提供可持续的解决方案。
磁约束核聚变装置
03
利用原子物理学的原理和技术，设计和建造磁约束核聚变装置，
当原子从一个能级跃迁到另一 个能级时，会吸收或释放一定 频率的光子，形成光谱。
光谱分析是研究原子能级结构 和性质的重要手段，可以用于 元素分析和化学分析等。
02 原子核的结构与性质
原子核的组成
01
02
03
质子和中子
原子核由质子和中子组成， 质子带正电荷，中子不带 电。
原子物理学PPT课件
这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是
这些谐振子只可能处于某些分立的状态中，
谐振子的能量并不象经典物理学所允许的
可具有任意值。
黑体内的驻波
Planck假设：振子振动的能量是不连
续的，只能取最小能量ε0 的整数倍 ε0, 2ε0, 3ε0, …, nε0, 即 E =nε=nhv ， 其 中
n=1，2，3…称为量子数，式中h为一个
e
e +
能量辐射损失
4
原子稳定性困难(续)
r
核 离心力与库仑力平衡 式
me
v2 r
Ze2
4 0r2
模 角动量 型
L mevr
的 困 难
经典电动力学，单 位时间内辐射能量
P
2 3
1
4 0
e2 c3
a2
2 ( 1 )7
3 4 0
e2 c3
me2
(Ze2 )6 L8
动能耗尽
P
1 2
mev2
电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径
瞬时性问题 按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有
一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属
表面为止.与实验结果不符 .经典的驰豫时间50min，
光电效应的不超过1ns
27
二 光子 爱因斯坦方程
（1） “光量子”假设 光子的能量为 h
（2） 解释实验
爱因斯坦方程 h 1 mv2 W
2
31
光源
分光器
记录仪
棱镜摄谱仪示意图
32
（三）光谱的类别
光谱分类
线状谱 带状谱
连续谱
原子谱. 如:钠灯 分子谱
固体.如:白炽灯
原子物理学详解演示文稿
质的最小单元。
在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一 些定律，如：
定比定律： 元素按一定的物质比相互化合。
原子 电子 关于卢斯福
倍比定律： 若两种元素能生成几种化合物， 则在这些化合物中，与一定质量 的甲元素化合的乙元素的质量， 互成简单整数比。
第四页，共29页。
back
next
目录 结束
在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原 子学说，他认为:
原子物理学详解演示文稿
第一页，共29页。
优选原子物理学
第二页，共29页。
1-1 背景知识
1. 原子的发现 2. 电子的发现
3. 电子的电荷和质量 4. 原子的大小
第三页，共29页。
1-1-1 原子的发现
“原子”一词来自希腊文，意思是“不可分 割的”。在公元前4世纪，古希腊哲学家德漠克
利特(Democritus)提出这一概念，并把它看作物
next 目录 结束
第一章：原子的位形：卢斯福模型
实验装置如上图所示。放射源 R 中发出一细束α粒子，直射 到金属箔上以后，由于各α粒子所受金属箔中原子的作用不同 ，所以沿着不同的方向散射。荧光屏S及放大镜M可以沿着以 F为中心的圆弧移动。当S和M对准某一方向上,通过F而在这 个方向散射的α粒子就射到S上而产生闪光，用放大镜M观察闪
第八页，共29页。
1-1-3 电子的电荷和质量
密立根油滴实验 (1)(1910)
–测得电子电量为：e = 1.6×10-19 C (库仑)
电子质量 me = 9.1×10-31 kg –密立根首次发现了电荷的量子化
电荷只能是 e 的整数倍
–若知H+(质子）的荷质比
e
me 1
mp
在十九世纪，人们在大量的实验中认识了一 些定律，如：
定比定律： 元素按一定的物质比相互化合。
原子 电子 关于卢斯福
倍比定律： 若两种元素能生成几种化合物， 则在这些化合物中，与一定质量 的甲元素化合的乙元素的质量， 互成简单整数比。
第四页，共29页。
back
next
目录 结束
在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原 子学说，他认为:
原子物理学详解演示文稿
第一页，共29页。
优选原子物理学
第二页，共29页。
1-1 背景知识
1. 原子的发现 2. 电子的发现
3. 电子的电荷和质量 4. 原子的大小
第三页，共29页。
1-1-1 原子的发现
“原子”一词来自希腊文，意思是“不可分 割的”。在公元前4世纪，古希腊哲学家德漠克
利特(Democritus)提出这一概念，并把它看作物
next 目录 结束
第一章：原子的位形：卢斯福模型
实验装置如上图所示。放射源 R 中发出一细束α粒子，直射 到金属箔上以后，由于各α粒子所受金属箔中原子的作用不同 ，所以沿着不同的方向散射。荧光屏S及放大镜M可以沿着以 F为中心的圆弧移动。当S和M对准某一方向上,通过F而在这 个方向散射的α粒子就射到S上而产生闪光，用放大镜M观察闪
第八页，共29页。
1-1-3 电子的电荷和质量
密立根油滴实验 (1)(1910)
–测得电子电量为：e = 1.6×10-19 C (库仑)
电子质量 me = 9.1×10-31 kg –密立根首次发现了电荷的量子化
电荷只能是 e 的整数倍
–若知H+(质子）的荷质比
e
me 1
mp
原子物理学_课件PPT课件
总的微分散射截面
d ' md nAtd
第35页/共48页
d
dN I
a 4
2
1
sin4
d
2
d ' md dN '
I
d
'
nAt
a 4
2
1
sin4
d
2
dN ' I
nAt
a 4
2
1
sin 4
d
dN '
AId
nt
a 4
2
1
sin 4
2
2
dN '
Nd
nt
a 4
2
1
sin4
第12页/共48页
Sir Joseph John Thomson
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.”
J.J. Thomson 1897 放电管
1906诺贝尔物理学奖
第13页/共48页
加电场E后，射线偏转， 阴极射线带负电。
再加磁场B后，射线不偏转， qB qE E / B 。
第8页/共48页
1833年 法拉第电解定律
W M Q F
1857年德国玻璃工海因里希·盖斯勒发明了更好的泵来抽 真空，由此发明了盖斯勒管
1858德国普吕克利用“盖斯勒管”研究气体放电，辉光现 象随磁场变化改变形状
1869其学生西多夫10万分之一大气压下，物体置入阴极 与荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播
第3页/共48页
机械原子学说 17世纪 Newton
原子
有质量的球形微粒 通过吸引力机械地结合成宏观物体
原子的运动是机械位移，遵守力学定律
d ' md nAtd
第35页/共48页
d
dN I
a 4
2
1
sin4
d
2
d ' md dN '
I
d
'
nAt
a 4
2
1
sin4
d
2
dN ' I
nAt
a 4
2
1
sin 4
d
dN '
AId
nt
a 4
2
1
sin 4
2
2
dN '
Nd
nt
a 4
2
1
sin4
第12页/共48页
Sir Joseph John Thomson
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.”
J.J. Thomson 1897 放电管
1906诺贝尔物理学奖
第13页/共48页
加电场E后，射线偏转， 阴极射线带负电。
再加磁场B后，射线不偏转， qB qE E / B 。
第8页/共48页
1833年 法拉第电解定律
W M Q F
1857年德国玻璃工海因里希·盖斯勒发明了更好的泵来抽 真空，由此发明了盖斯勒管
1858德国普吕克利用“盖斯勒管”研究气体放电，辉光现 象随磁场变化改变形状
1869其学生西多夫10万分之一大气压下，物体置入阴极 与荧光屏之间会有影子，射线起源于阴极，射线直线传播
第3页/共48页
机械原子学说 17世纪 Newton
原子
有质量的球形微粒 通过吸引力机械地结合成宏观物体
原子的运动是机械位移，遵守力学定律