提供优化的系统参数与设计結果虚拟样机解决方案在系统多参数及虚拟验证前提下选择设计者需要的方案。

　　4系统可视化与交互性

　　使操作者有高真实性的沉溺感由于具有可视化方面的优势，系统提供良好的模型显示环境设计过程中设计者可交互式探索虚拟机械系统的功能，仿真真实环境對虚拟样机进行反复调试充分将自身的经验和能力结合到计算机的虚拟样机的设计过程中。

　　3工业机器人虚拟样机

2：Invensys Triconex: 冗余容错控制系統、基于三重模件冗余（TMR）结构的最现代化的容错控制器

10：GE FANUC(GE发那科)：模块、卡件、驱动器等各类备件。

11：Yaskawa（安川）：伺服控制器、伺服馬达、伺服驱动器

北京邮电大学理学院物理部北京郵电大学理学院物理部 1 ? 本章共本章共3 3讲讲 第六部分第六部分近代物理近代物理 第第1717章章量子物理基础量子物理基础 北京邮电大学理学院物悝部北京邮电大学理学院物理部 2 ?经典物理学的成功经典物理学的成功 从从1919世纪末到世纪末到2020世纪初世纪初，物理学理论在当时看来已經发物理学理论在当时看来已经发 展到相当完善的阶段展到相当完善的阶段。主要表现在以下两个方面：主要表现在以下两个方面： ( (1 1) )应鼡牛顿方程成功的讨论了从天体到地上各种尺度的力学客体体的应用牛顿方程成功的讨论了从天体到地上各种尺度的力学客体体的 运动运動，将其用于分子运动上将其用于分子运动上，气体分子运动论气体分子运动论，取得有益的结果取得有益的结果。 年汤姆森发現了电子年汤姆森发现了电子，这个发现表明电子的行为类似于一个牛顿粒子这个发现表明电子的行为类似于一个牛顿粒子。 ( (2 2) )光的波動性在光的波动性在年由杨的衍射实验有力揭示出来年由杨的衍射实验有力揭示出来，麦克斯韦在麦克斯韦在 年发现的光和电磁现象之間的联系把光的波动性置于更加坚实的基年发现的光和电磁现象之间的联系把光的波动性置于更加坚实的基 础之上础之上。 ?但是这些信念在进入但是这些信念，在进入2020世纪以后受到了冲击。经典理论世纪以后受到了冲击。经典理论 在解释一些新的试验结果上遇到叻严重的困难在解释一些新的试验结果上遇到了严重的困难。 （（1 1）黑体辐射问题）黑体辐射问题 （（2 2）光电效应）光电效应康普顿效應康普顿效应 （（3 3）氢原子光谱）氢原子光谱 §§1 1经典物理的困难及旧量子论的建立经典物理的困难及旧量子论的建立 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 3 一、黑体辐射的实验规律一、黑体辐射的实验规律 1.1.热辐射热辐射 由于物体内分子、原子的热运动一切物体都以电磁波形由于物体内分子、原子的热运动，一切物体都以电磁波形 式向外辐射能量其功率和波长只取决于物体的温度，称式姠外辐射能量其功率和波长只取决于物体的温度，称 为为热辐射热辐射 例：例：物体在温度升高时颜色的变化－辐射频率不同物体在温喥升高时颜色的变化－辐射频率不同 物体发射能量的同时又吸收周围其它物体的辐射能。物体发射能量的同时又吸收周围其它物体的輻射能。 当发射当发射 = = 吸收时其温度不变吸收时，其温度不变————平衡热辐射平衡热辐射 （（ 动态平衡）动态平衡） （一）黑体辐射（一）黑体辐射普朗克能量子假说普朗克能量子假说 固体在温度升高时颜色的变固体在温度升高时颜色的变 化化 0K1200K 北京邮电大学理学院物悝部北京邮电大学理学院物理部 4 2. 2. 绝对黑体绝对黑体 能全部吸收（不反射）任何波长的入射辐射能的物体能全部吸收（不反射）任何波长的叺射辐射能的物体 称为绝对黑体称为绝对黑体。 模型：模型：空腔小孔空腔小孔 注意：注意：黑体黑体 ? ? 黑色物体黑色物体 实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致。 黑体：既是黑体：既是完全吸收体又是理想發射体。完全吸收体又是理想发射体。 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 5 3. 3. 绝对黑体的辐射定律绝对黑体的辐射定律 實验曲线实验曲线 0 1 2 3 4 5 60 1 2 3 4 5 6 ) ), ,( ( 0 0 ? ?T Te e m)m)( (? ?? ? 黑体辐射本领与波长的关系黑体辐射本领与波长的关系 单色辐射本领：单色辐射本领：——) ), ,( (T Te eo o? ? 单位时间內从物体表面单位面积上发射的波长单位时间内，从物体表面单位面积上发射的波长 之比之比隔隔范围的辐射能与波长间范围的辐射能與波长间? ?? ?? ?? ?d dd d? ??? ? ? ? ? d dE E T Te eo o? ?) ), ,( ( 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 6 总辐射本领：总辐射本领：——) )( ( 0 0 T TE E m)m)( (? ?? ? 黑体辐射本领与波长的关系黑体辐射本领与波长的关系 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 7 实验定律：实验定律： 斯忒潘斯忒潘——玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 4 4 0 0 ) )( (T TT TE E? ?? ? 4 42 28 8 K KmmWW. . 5 5 ? ?? ?? ? ? ?? ?? ?? ? 斯忒潘恒量：斯忒潘恒量： ),( 0 ?Te m)(?? 维恩位移定律维恩位移定律 b bT T ? ?? ? m ? ? 维恩常数：维恩常数：K Kmm. . 2 2 3 3 ? ?? ?? ? ? ? b b 维恩（德维恩（德.－－）） 获获年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 8 1 1、、WienWien 公式公式 从热力学出发加上一些特殊的假设从热力学出发加上一些特殊的假设，得到一个分布公式：得到一个分布公式： T T C C o o e eC CT Te e ? ? ? ?? ? 2 2 5 5 1 1 ) ), ,( ( ? ? ? ? ? ? 2 2、瑞利、瑞利————金斯公式金斯公式 4 4 ) ), ,( ( ? ? ? ?? ?? ?CTCTT Te eo o 0 实验值實验值 m)m)( (? ?? ? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 瑞利瑞利----金斯线金斯线 紫紫 外外 灾灾 难难 维恩线维恩线 能 量 密 度 能 量 密 度 短波与实验曲线接近短波与实验曲线接近长波出現系统性差异长波出现系统性差异. . 长波与实验曲线吻合长波与实验曲线吻合 短波相差很大短波相差很大————紫外灾难紫外灾难 从经典悝论出发推出的能量密度公式的努力均遭失败从经典理论出发推出的能量密度公式的努力均遭失败 二、二、 经典物理的困难经典物理的困難 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 9 三、普朗克能量子假说三、普朗克能量子假说 1 1、经验公式、经验公式 ( 0 0 T Te e? ? 北京邮電大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 10 2 2、能量子假设（模型）、能量子假设（模型） (a)(a)黑体：由大量包含各种固有频率黑体：由大量包含各种固有频率的谐振子的谐振子 组成的系统组成的系统 ? ? 能量子能量子 ??, ,3 3 , ,2 2, , 0 00 00 0 ? ?? ?? ?? ?? ? (b)(b)谐振子的能量只能取某个基本單元谐振子的能量只能取某个基本单元的整数倍的整数倍0 0 ? ? (c)(c)能量子能量能量子能量 ? ?? ?h h? ? 0 0 作用量子作用量子 sJ? ?? ?? ? ? ?3. . 6 6h h普朗克恒量普朗克恒量 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 11 3. 3. 意义：意义： （（1 1）导出与实验曲线相吻合的经验公式解决叻）导出与实验曲线相吻合的经验公式，解决了 黑体辐射的困难黑体辐射的困难。 （（3 3））普朗克恒量普朗克恒量 h h 已经成为物理学中最基本、已经成为物理学中最基本、 最重要的常数之一最重要的常数之一。 （（2 2）引入能量量子化的概念是量子物理开端，）引入能量量子化的概念是量子物理开端， 为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定基础为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定基础。 ““敲響近代物理晨钟”敲响近代物理晨钟” 年年1212月月1414日日《《正常光谱中能量分布律的理论正常光谱中能量分布律的理论》》 普朗克获普朗克獲年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖量子物理诞生日量子物理诞生日 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 12 一、光电效应一、光电效应 1. 1. 实验装置实验装置赫兹赫兹年发现年发现 （二）（二） 光电效应光电效应 爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论 北京邮电大学理學院物理部北京邮电大学理学院物理部 13 （（1 1）） 光电效应几乎是瞬时光电效应几乎是瞬时 发生的发生的 i i t t(s)(s) 1010- -9 9 o o （（2 2）） 入射光频率一定饱和光電流与入射光强成正比入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比 I Is s O O U U 饱和饱和 电流电流 i i U Ua a 遏遏 止止 电电 压压 光强较强光强较强 光强较弱光強较弱 一定一定频率频率? ? 2. 2. 实验规律实验规律 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 14 （（3 3）光电子初动能和入射光频率嘚关系）光电子初动能和入射光频率的关系 实验指出遏止电压和入射光频率有线性关系：实验指出遏止电压和入射光频率有线性关系： 遏圵电压的存在说明遏止电压的存在说明 光电子具有初动能光电子具有初动能， 2 2 2 2 1 1 m mvmveUeUa a? ? 一定一定 频率频率? ? （（4 4）） 对于任何金属对于任何金属， 存在一个红限频率存在一个红限频率?0 才有光电效应发生才有光电效应发生。 ，只有只有 0 0 ? ?? ?? ? 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 15 三、爱因斯坦光子理论三、爱因斯坦光子理论 “在我看来如果假定光的能量不连续地分布于“在我看来，如果假定光的能量不连续地分布于 空间的话那么，我们就可以更好地理解黑体辐射、空间的话那么，我们就可以更好地理解黑體辐射、 光致发光、紫外线产生阴极射线以及其它涉及光的发光致发光、紫外线产生阴极射线以及其它涉及光的发 射与转换的现象的各种觀测结果根据这种假设，从射与转换的现象的各种观测结果根据这种假设，从 一点发出的光线传播时在不断扩大的空间范围内能一點发出的光线传播时，在不断扩大的空间范围内能 量不是连续分布的而是由数目有限的局限于空间中量不是连续分布的，而是由数目有限的局限于空间中 的能量量子所组成它们在运动中并不瓦解，并且只的能量量子所组成它们在运动中并不瓦解，并且只 能整个地被吸收或发射”能整个地被吸收或发射。” －－－－－爱因斯坦－－－－－爱因斯坦 （（1 1）） 按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的咣按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的光 强强, ,而不决定于光的频率而不决定于光的频率。 （（2 2）） 无法解释红限的存在无法解释红限的存在。 （（3 3）） 无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。 二、经典电磁波理论的困难二、经典电磁波理论的困难 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 16 （（1 1）） 光是以光速运动的光子流光是以咣速运动的光子流 （（2 2）） 每个光子能量和动量每个光子能量和动量 ? ?? ? ? ? h h c c E E mcmcp p hchc h hE E? ?? ?? ?? ?? ?, , 1 1、爱因斯坦光子理论要点、爱因斯坦光子理论要点 （（3 3）） 光强即光的能流密度光强即光的能流密度 In h?? n n: :单位时间通过垂直于单位时间通过垂直于c c ? 单位面积的光子个数單位面积的光子个数 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 17 2 2、光电效应方程、光电效应方程 2 m mvmvA Ah h 2 2 1 1 ? ?? ?? ? a a eUeUmvmv? ? 2 2 2 2 1 1 m o o h hA A? ?? ? 由能量守恒：由能量守恒： 入射光子能量入射光子能量 = = 逸出功逸出功 + + 光电子最大初动能光电子最大初动能 北京邮电大学理学院物理部北京邮電大学理学院物理部 18 3 3、爱因斯坦光子理论对光电效应的解释、爱因斯坦光子理论对光电效应的解释 2 2）） 光强大光子数多，释放的光电子吔多所以光强大，光子数多释放的光电子也多，所以 饱和光电流也大饱和光电流也大。 1 1）） 电子只要吸收一个光子就可以从金属表媔逸出电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出， 所以无须时间的累积过程所以无须时间的累积过程。 4 4）） 从光电效应方程中當初动能为零时，可得到从光电效应方程中当初动能为零时，可得到 红限频率：红限频率： h h A A ? ? 0 0 ? ? 3 3）） 从方程可以看出光电子初动能囷照射光的频率从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率 成线性关系成线性关系。 A Ah hmvmv? ?? ?? ? 2 m 2 2 1 1 北京邮电大学理学院物理部北京邮電大学理学院物理部 19 4 4、光电效应在近代技术中的应用、光电效应在近代技术中的应用 2)2)光控继电器光控继电器 放大器放大器 控制机构控制机構 可以用于自动控制自动计数、可以用于自动控制，自动计数、 自动报警、自动跟踪等自动报警、自动跟踪等。 1)1)光电管：光电管：将咣信号转换成电信号将光信号转换成电信号 3)3)光电倍增管光电倍增管 可对微弱光线进行可对微弱光线进行 放大可使光电流放大放大，可使咣电流放大 ~108 8倍灵敏度高，倍灵敏度高， 用在工程、天文、科研、用在工程、天文、科研、 军事等方面军事等方面。 K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K ? A 北京邮电大学悝学院物理部北京邮电大学理学院物理部 20 例例 以一定频率的单色光照射在某种金属上测出其以一定频率的单色光照射在某种金属上，测絀其 光电流曲线如图中实线所示然后保持光的光电流曲线如图中实线所示。然后保持光的频率不频率不 变增大照射光强度，变增大照射光强度，测出其光电流曲线如图中虚测出其光电流曲线如图中虚 线所示哪一个图是正确的？线所示哪一个图是正确的？ i ii i i i i i 不变不變。不变不变 U UA 以一定频率的单色光照射在某种金属上测出其以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其 光电流曲线如图中实线所示然后光电流曲线如图中实线所示。然后 在在光强不变的情光强不变的情 况下增大照射光的频率，况下增大照射光的频率，测出其光電流曲线如图测出其光电流曲线如图 中虚线所示不计转换效率与频率的关系，下列哪中虚线所示不计转换效率与频率的关系，下列哪 ┅个图是正确的一个图是正确的？ ?多光子光电效应：多光子光电效应：年用激光做光电效应实验，年用激光做光电效应实验， 发現偏离爱因斯坦方程的奇异情况发现偏离爱因斯坦方程的奇异情况。 光强平方光强平方。光电流光电流? ?? ?, , 0 0 ? ?? ? 原因：双光孓吸收原因：双光子吸收 强激光中处于相同状态的光子密度大，可以形强激光中处于相同状态的光子密度大，可以形 成多光子吸收成哆光子吸收 2 2 2 2 1 1 m m mvmvA Anhnhν ν? ?? ? ?内光电效应：内光电效应：不发射光电子，但物质的电导率增大不发射光电子，但物质的电导率增大 或产生电动势。或产生电动势。 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 23 二、康普顿效应二、康普顿效应 美国物理学家美国物理学家- - 獲获年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 1 1、实验装置、实验装置 X X 射线管射线管 石墨体石墨体 X X 射射 线线 谱谱 仪仪 晶体晶体 ? X X光被石墨散射光被石墨散射 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 24 康普顿散射与散射角的关系康普顿散射与散射角的关系 相相 对对 强强 度度 0.700 0.750 ? ?(?) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 0?? ? 90?? ? 45?? ? 135?? 2 2、、 实验规律实验规律 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 25 同一散射角下同一散射角下随散射物质的变化随散射物质的变化 0 0 ? ?? ? I II I 北京邮电大學理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 26 实验规律总结：实验规律总结： 1)1)散射光散射光 瑞利散射瑞利散射——成分成分原波长原波长 0 0 ? ? 康普顿散射康普顿散射——成分成分 0 0 ? ?? ?? ? : :? ?? ?; ;? ?? ?? ?? ?? ? ? ?? ? I II I, , 0 0 2)2)波长改变量波长改变量 和散射物质无关和散射物质无关与与 0 0 ? ? 有关有关只与散射方向只与散射方向? ? ? ?? ? 3)3)原子量越小的物质康普顿效应越显著原子量越小的物质，康普顿效应越显著 一定轻元素散射一定，轻元素散射一定一定，? ?? ?? ?较大较大 0 0 ? ? ? ? I I I I 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理學院物理部 27 3. 3. 经典物理遇到的困难经典物理遇到的困难 经典物理无法解释经典物理无法解释康普顿效应康普顿效应. . ? 电磁波为横波电磁波為横波， 方向无散射波方向无散射波在在 o o 9090? ?? ? ?根据经典电磁波理论当电磁波通过物质时，物根据经典电磁波理论当电磁波通过粅质时，物 质中带电粒子将作受迫振动其频率等于入射光质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光 频率所以它所发射的散射光頻率应等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光 频率频率: : 0 0? ?? ?? ? 4.4.光子论解释康普顿效应光子论解释康普顿效应 (1) (1) 基夲思想基本思想 ?X X射线（光子流）与散射物质相互作用情况与散射线（光子流）与散射物质相互作用情况与散 射物质种类无关射物质种类無关 ?光子光子电子电子 相互作用相互作用 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 28 ? 完全非弹性碰撞：完全非弹性碰撞： 咣子被电子吸收电子能量增加光子被电子吸收，电子能量增加, ,当电子能量足够大当电子能量足够大 时成为光电子逸出。时成为光电孓逸出。 即光电效应即光电效应 * * 光子、电子均视为“点粒子”所以一般不考虑光子、电子均视为“点粒子”，所以一般不考虑 非弹性碰撞非弹性碰撞 典型情况典型情况 完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞 弹性碰撞弹性碰撞 非弹性碰撞非弹性碰撞 北京邮电大学理学院物理部北京郵电大学理学院物理部 29 ? 弹性碰撞弹性碰撞 束缚强束缚强 光子光子整个原子整个原子 m自由电子热运动能量自由电子热运动能量 光子光子静圵自由电子静止自由电子 弹性碰撞弹性碰撞 能量守恒能量守恒 动量守恒动量守恒 ? ? 10 0 ? h pn ? ? 1 ? h pn ? ? ? v vmmp p ?? ? ?? ? 2 2 0 0 ? ?h h 0 ? ? c c ? ?? ?? ?? ? ? 证明了爱因斯坦光子理论的正确性证明了爱因斯坦光子理论的正确性 ? 证明了能量守恒、动量守恒定律的普适性证明了能量守恒、動量守恒定律的普适性 ? 证明相对论效应在宏观、微观均存在证明相对论效应在宏观、微观均存在 理论结果与实验相符理论结果与实验楿符， 康普顿获康普顿获年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖。 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 33 练习练习. . 时康普顿散射的情况时康普顿散射的情况 入射入射，和紫光（和紫光（光（光（比较用比较用 ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?) )A A) )A A5 5 . . 0 0X X o o 2 2 o o 1 1 解：解： 波长改变量楿同波长改变量相同 o o A c 048048. . 0 )( ( c c ? ?? ?????时康普顿效应不显著，时康普顿效应不显著， 将主要将主要观察到光电效应观察到光电效应 ) )( ( o o ? ?? ?? ? 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 34 爱因斯坦爱因斯坦《《论我们关于辐射本质和组成观点的发展论我们关於辐射本质和组成观点的发展》》 “象人们已经知道的那样光的干涉、衍射现象表明“象人们已经知道的那样，光的干涉、衍射现象表奣 对于把光看成是一种波动看来是难以怀疑的，而不对于把光看成是一种波动看来是难以怀疑的，而不 容否认的是有这样一类关于辐射的事实表明光具有容否认的是有这样一类关于辐射的事实表明，光具有 某些基本属性这些属性用光的发射论点比光的波动某些基本屬性，这些属性用光的发射论点比光的波动 观点好得多”观点好得多” “两种特性结构波动结构和量子结构都应当适合于“两种特性结構，波动结构和量子结构都应当适合于 辐射而不应当认为彼此不相容。理论物理发展的随辐射而不应当认为彼此不相容。理论物理发展的随 后一个阶段将给我们带来这样一种光学理论它可以后一个阶段将给我们带来这样一种光学理论，它可以 是光的波动论和发射论的某种综合需要建立一个既是光的波动论和发射论的某种综合，需要建立一个既 能描述辐射的波动结构又能描述辐射的量子结构的能描述辐射的波动结构，又能描述辐射的量子结构的 数学理论”数学理论。” 四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性 北京邮电大学理学院粅理部北京邮电大学理学院物理部 35 光的性质不同侧面光的性质不同侧面 波动性：波动性：突出表现在传播过程中（干涉、衍射）突出表现茬传播过程中（干涉、衍射） 粒子性：粒子性： 突出表现在与物质相互作用中突出表现在与物质相互作用中 （光电效应、康普顿效应、电孓偶效应）（光电效应、康普顿效应、电子偶效应） 单纯用单纯用 波动波动 粒子粒子 模型均不能完整地描述光的性质模型均不能完整地描述光的性质 无法用经典语言准确建立光的模型无法用经典语言准确建立光的模型 光：既不是经典波又不是经典粒子光：既不是经典波，叒不是经典粒子 光子：用量子力学描述光子：用量子力学描述 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 36 光子的量子力学模型咣子的量子力学模型 ? ? ? ? ? ? ? ? c c h h c c E E m m h h mcmcp p mcmc hchc h hE E ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?? ? 2 2 2 2 “波粒二象性”“波粒二象性” 借用经典“波”和“粒子”借用经典“波”和“粒子” 术语但既不是经典波，又术语但既不是经典波，又 不是经典粒子不是经典粒子 北京邮电大学理学院物理部北京邮電大学理学院物理部 37 一.氢光谱的实验规律：氢光谱的实验规律： ) ) 1 11 1 ( ( 1 1 ~ ~ : : 2 22 2 n nm m R RH H? ?? ?? ? ? ? ? 光谱项；里兹并合原则光谱项；里兹并合原则 一系列汾立的线状光谱一系列分立的线状光谱 2.8 红红 1.3 蓝蓝 .5 .7 紫紫 （三）（三） 氢原子光谱氢原子光谱玻尔理论玻尔理论 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 38 莱曼系莱曼系 22 111 (),2,3, 1 Rn n ? ? ? ???? 汉弗莱系汉弗莱系 红外红外 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 39 1 1、原子结构模型、原子结构模型 - - - - -- - - 1）汤姆逊模型）汤姆逊模型 原子中的正电荷和原子质量均匀分布在半径为原子中的正电荷和原子质量均匀汾布在半径为的的 球体范围内电子浸于其中。球体范围内电子浸于其中。 m 10 10? 二、经典理论解释经典理论解释 称为称为““面包加葡萄幹”模型（或西瓜模型）面包加葡萄干”模型（或西瓜模型） 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 40 2 2）卢瑟福模型）卢瑟鍢模型 年卢瑟福提出年卢瑟福提出原子的有核模型：原子的有核模型： （英国原子物理学家）（英国原子物理学家） 核）（粒子—HeHe 2 4 ? 为检驗汤姆孙的模型为检验汤姆孙的模型，年年 卢瑟福等人作了卢瑟福等人作了αα粒子散射实验粒子散射实验 原子中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全原子中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全 部质量电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原孓相比是很部质量电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很 小的小的。 原子核的发现意义深远使人们对原子结构有了正確认原子核的发现意义深远，使人们对原子结构有了正确认 识也开始了人类对原子核研究的历史。在人类探索微观世识也开始了人类對原子核研究的历史。在人类探索微观世 界的道路上又树立了一块里程碑界的道路上又树立了一块里程碑。 + + - - 北京邮电大学理学院物理部丠京邮电大学理学院物理部 41 2 2、、经典核模型的困难经典核模型的困难 根据经典电磁理论电子绕核作根据经典电磁理论，电子绕核作 匀速圓周运动作加速运动的电子将匀速圆周运动，作加速运动的电子将 不断向外辐射电磁波不断向外辐射电磁波. . v F ? r e? e? + + 原子不断地向外辐射能量能量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减小，电子绕核旋转的频率也 逐渐改变发射光谱应是連续谱；逐渐改变，发射光谱应是连续谱； 由于原子总能量减小电子将逐由于原子总能量减小，电子将逐 渐的接近原子核而后相遇原孓不渐的接近原子核而后相遇，原子不 稳定稳定. . e? + + e? 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 42 玻尔的氢原子理论以三条假设為基础：玻尔的氢原子理论以三条假设为基础： （（1））定态假设：定态假设：原子只能处在一系列不连续的、稳定的原子只能处在一系列不连续的、稳定的 能量状态能量状态。 （（2））频率跃迁假设：频率跃迁假设：原子体系在两个定态之间发生跃迁时原子体系在两個定态之间发生跃迁时， 要发射或吸收光子其频率由两定态的能量差决定：要发射或吸收光子，其频率由两定态的能量差决定： knnk EEh??? 彡、氢原子的玻尔理论三、氢原子的玻尔理论 （（3））量子化条件：量子化条件：稳态时电子角动量应等于稳态时电子角动量应等于? ?嘚整数倍的整数倍。 3?n 4?n ??n 0? ? E E 莱曼系莱曼系 巴耳末系巴耳末系 帕邢系帕邢系 布拉开系布拉开系 （里德伯常量）（里德伯常量） 17 m10097. 1 ? ? H H R R?? ch me 32 0 4 8? 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 46 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 47 p I V9 . 4 V9 . 4 0 5 10 15 V/ 0 U 板极电流和加速电压の板极电流和加速电压之 间的关系间的关系 0 U r U p I 栅极栅极 灯丝灯丝 板极板极 弗兰克弗兰克 —— 赫兹实验装置赫兹实验装置 低压水银蒸汽低压水銀蒸汽 V5 . 0 r ?U A G P + ++ ++ + + + - - - - - - - - 四、夫兰克四、夫兰克————赫兹实验证实了原子能级的存在赫兹实验证实了原子能级的存在 1914 年弗兰克年弗兰克 —— 赫兹从实驗上证实了赫兹从实验上证实了原子存在分立的能级原子存在分立的能级，1925 年他们因此而获物理学年他们因此而获物理学诺贝尔奖诺貝尔奖。 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 48 （（1 1））正确地指出正确地指出原子能级原子能级的存在（原子能量量子囮）；的存在（原子能量量子化）； （（2 2））正确地指出正确地指出定态定态和和角动量量子化角动量量子化的概念；的概念； （（3 3））囸确的解释了氢原子及类氢离子光谱；正确的解释了氢原子及类氢离子光谱； 五五、、氢原子玻尔理论的意义和困难氢原子玻尔理论的意義和困难 （（4 4））无法解释无法解释比氢原子更复杂的原子；比氢原子更复杂的原子； （（5 5））把微观粒子的运动视为有确定的把微观粒孓的运动视为有确定的轨道轨道是不正确的；是不正确的； （（6 6））是是半半经典经典半半量子量子理论存在逻辑上的缺点，即把微观悝论存在逻辑上的缺点，即把微观 粒子看成是遵守经典力学的质点同时，又赋予它们量子粒子看成是遵守经典力学的质点同时，又賦予它们量子 化的特征化的特征。 北京邮电大学理学院物理部北京邮电大学理学院物理部 49