《放射物理学》课程教学课件（打印版）第一章 原子物理基础 1.4 核外电子结构

1.4核外电子结构 一量子力学初步 玻尔理论的困难，迫使新一代物理学家努力寻找更 完整、更准确、应用面更为广泛的原子理论。一门 描述原子的崭新理论一量子力学在1924-1928年诞 生了！

一、波粒二象性及实验验证 1。经典物理中的波和粒子 ·波和粒子是两种仅有的、又完全不同的能量传播方 式。 ·在经典物理中，无法同时用波和粒子这两个概念去 描述同一现象。 ·粒子可视为质点，具有完全的定域性，其位置、动 量可精确测定。 ·波具有空间扩展性，其特征量为波长和频率，也可 精确测定

AAAAAAAAAA 波长测定的一个 方法：“拍频法” 人 AAAAAAAMAAAA 已知V1,测定△y 即可测定V2,但至 少观察到二个 拍，至少霄耍时 间： 1 △t≥ Av=lv-v:l △y 一时间() 在该段时间波行 路程：△x=V△t 之 △x·△2≥22 要无限精确地测准波长，就必须在无限扩展的空 间中进行观察。如果波被禁闭呢？

2.光的波粒二象性 1672年，牛顿，光的微粒说 1678年，惠更斯，光的波动说 19世纪末，麦克斯韦，光是一种电磁波 1905年，爱因斯坦，光量子 E=hv E,P台v,1 -一一一一光的波粒二象性 1923年，康普顿散射，再一次体现了光在传播中显示波动 性，在能量转移时显示粒子性的二象性特征。 3.德布罗意波粒二象性假设 “整个世纪以来，在辐射理论上，比起关注波动的研究 方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物粒子理论 上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于‘粒子’ 的图象想得太多，而过分地忽略了波的图象呢？

法国物理学家德布罗意（Louis Victor de Broglie 1892-1987) 德布罗意指出任何物体都伴随以波， 不可能将物体的运动和波的传播分拆开来。 这种波称德布罗意物质波。德布罗意还给 出了动量的为的粒子所伴随波的波长入 与P的关系式， h 2= 。著名的德布罗意关系式。(1924年) 另外自由粒子的能量和所伴随的波的频率之间的关系为 E=hv p=E2-mic'/c

例在一束电子中，电子的动能为200eV, 求此电子的德布罗意波长入？ 0c<6,&-2%2 1 解 )= 2Ek mo 2×200×1.6×10-19 9.1×10-31 ms1=8.4×106ms 6.63×1034 .0<<C m09.1×10-31×8.4×10 nm =8.67×10-2nm 此波长的数量级与X射线波长的数量级相当

4.德布罗意假设的实验验证 1)关于实验方法和观察条件： 利用波的干涉和衍射等特征 仪器特征线度（障碍物和孔、缝的尺度） 2≤d波动性显现 1>d波动性隐匿 静质量愈小，波长愈大，容易满足条件。 m。=0.511MeV/c2E=100eV元≈1.23A晶体原子间距 1924年deBr0g1ie提出用晶体作光栅观察电子束衍射

2)戴维孙-苹末实验（1927年) 检测器 电子束 干涉相长条件 54eV dsin0=nz,n=l,2,. 50 散射强度 h λ= =1.67A 2m Ek Ni单晶 电子的物质波经各晶体 d=2.15A 原子散射后发生干涉 理论值n=10=51

3)汤姆孙实验(1927年) 电子束 x射线 多晶金局箔 衍射图样 与X光多晶衍射图样相同 1961年Jonss0n 实验观察到电 子的多缝干涉 单锋 双缝 三缝 四缝 中子、质子、原子和分子的波动性相继被验证

单电子双缝实验 现代实验技术可以做到一次一个电子通过缝 屏上出现的 电子说明电 子的粒子性 7个电子在观察屏上 100个电子在屏上的 的图像 图像 3000 20000 说明“一个电子”就具有的波动性 随电子数目增多，在屏上 70000 逐渐形成了衍射图样