Bài giảng Vật lí lượng tử

Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN GIÁO ÁN ĐIỆN TỬ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Lời Giới thiệu Vật lý nguyên tử và hạt nhân là một học phần cuối của vật lý đại cương trong chương trình đào tạo đại học ngành Vật lý và kỹ thuật. Học phần này gồm hai phần lớn khá độc lập (mà trong nhiều trường đại học đã phân thành hai môn học riêng biệt), đó là vật lý nguyên tử và vật lý hạt nhân. Trong giáo trình này chúng tôi trình bày về phần thứ nhất, đó là Vật lý nguyên tử. Vật lý nguyên tử nhằm nghiên cứu các tính chất và cấu trúc lớp electron của nguyên tử, các tính chất của nguyên tử và các bài toán xây dựng mô hình, cấu trúc nguyên tử. Vật lý nguyên tử được phát triển trong một quá trình lâu dài, bởi nó có những đặc trưng sớm phát hiện cũng như những bản chất lượng tử chỉ được giải thích thấu đáo khi đã có vật lý lượng tử hiện đại. Nguyên tử được biết đến từ đầu thế kỷ 19. Các mẫu nguyên tử đã được đề xướng trong thời gian này như mẫu Thomson, mẫu Rutherford, đều dưạ trên các định luật vật lý cổ điển, nên được gọi là các mẫu nguyên tử theo thuyết cổ điển. Mặc dù các mẫu này giải thích được khá nhiều các đặc trưng của nguyên tử, nhưng chúng đều bị mâu thuẫn trước những biểu hiện lượng tử của nguyên tử. Mẫu nguyên tử Bohr với các định đề đã giải thích được tính chất lượng tử mới mẻ này của nguyên tử, nhưng lại không nhất quán với nền tảng mà Bohr vẫn dùng là lý thuyết cổ điển. Vì vậy, mẫu Bohr được coi là bán cổ điển, là chiếc cầu nối sang vật lý lượng tử. Hai định đề của Bohr về nguyên tử thực chất đã có tính lượng tử, chỉ chưa được bản chất hoá và xây dựng thành quy luật thống nhất. Từ thế kỷ 20, cơ học lượng tử đã hình thành dần và bài toán nguyên tử Hidro đã được xây dựng dần từng bước, cho tới hoàn thiện. Trong khuôn khổ của giáo trình, chúng tôi cố gắng đề cập các vấn đề sao cho người học (mà phần lớn sẽ đi dạy vật lý phổ thông hoặc nghiên cứu cơ bản) đạt được các tiêu chí sau: +Nắm vững các cơ sở về cấu trúc nguyên tử từ cách nhìn cổ điển đến cách nhìn lượng tử, giải quyết được các bài tập và các vấn đề áp dụng. + Có cập nhật các kết quả hiện đại của lĩnh vực vật lý nguyên tử, (người đọc có thể tham khảo thêm, ngoài chương trình đào tạo bắt buộc). + Sau mỗi chương lớn đều có bài tập giải mẫu và bài tập tự giải để người học có thể tự áp dụng kiến thực và kiểm tra kiến thức của mình. Để có thể tiến hành hiệu quả quá trình học tập, người học cần có kiến thức về toán cao cấp, vật lý đại cương (cơ, nhiệt, điện, quang) và vật lý lượng tử. Bài giảng gồm 4 chương, chương đầu điểm qua về cấu trúc vật chất và giới thiệu về nguyên tử theo thuyết cổ điển; 3 chương sau xem xét các vấn đề để giải quyết bài toán nguyên tử Hidro và nguyên tử phức tạp theo thuyết cơ học lượng tử. Bài giảng điện tử được ra mắt lần đầu nên không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được các ý kiến quý báu của đồng nghiệp và đọc giả để bài giảng hoàn thiện hơn. 3 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Hà nội 12-2009 Các tác giả Nguyễn Minh Thuỷ và Phạm Khánh Hội Mục lục TT Tên Lời giới thiệu 1 Chương 1. Cấu trúc nguyên tử theo thuyết cổ điển 2 Chương 2. Cơ sở của cơ học lượng tử 3 Chương 3. Nguyên tử hiđrô và các ion tương tự 4 Chương 4. Nguyên tử nhiều electron- Bảng tuần hoàn Menđeleev 5 Chương 5. Cấu trúc Phân tử 6 Chương 6. Laser- máy phát lượng tử 4 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Chương 1 Cấu trúc nguyên tử theo thuyết cổ điển 1.1 Mở đầu: Cấu tạo vật chất Thiên nhiên là muôn hình vạn trạng, nhìn thấy được cũng như không nhìn thấy được song đều được cấu tạo từ các chất khác nhau. Phân tử là phần nhỏ nhất của một chất mà vẫn giữ nguyên những đặc tính của chất đó. Phân tử gồm các nguyên tử hợp thành. Cho đến ngày nay, người ta thừa nhận rằng nguyên tử có phần trung tâm là hạt nhân mang điện dương và các êlectron mang điện âm ở bên ngoài. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi những nuclon (proton và nơtron). Đến lượt mình, các nuclon được tạo thành bởi những hạt quark. Dãy các cấu trúc vật chất được mô tả bằng hình vẽ bên. Phân tử nước H 2 O gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hiđro. Nguyên tử hiđro có cấu trúc gồm một hạt nhân mang điện dương (là hạt proton) nằm ở trung tâm và một electron mang điện âm chuyển động quay quanh hạt nhân. Các nguyên tử của các nguyên tố khác thì phức tạp hơn. Nhân của nó gồm nhiều hạt proton và hạt nơtron. Tổng số các electron trên các lớp vỏ bằng số proton trong hạt nhân. Vì thế nguyên tử ở trạng thái cơ bản là trung hoà điện. Proton được cấu tạo bởi hai quark u và một quark d; nơtron được cấu tạo từ một quark u và hai quark d. Tổng điện tích của các hạt quark thành phần đúng bằng điện tích của proton (bằng +1e) hoặc bằng điện tích nơtron (bằng 0). Hình 1.1 Từ vật chất đến nguyên tử, cấu trúc nguyên tử, hạt nhân nguyên tử và cấu trúc nuclon. Chúng ta đã biết các thành phần cấu tạo nguyên tử. Một câu hỏi đặt ra là làm thế nào mà các thành phần đó có thể gắn với nhau tạo thành nguyên tử được? Nói cách khác, chúng tương tác như thế nào trong nguyên tử? Để trả lời, trước hết ta hãy xem có các loại tương tác nào tác dụng trong nguyên tử. 5 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN 1.2 Các lực tương tác bên trong nguyên tử Trong tự nhiên có bốn lực cơ bản mà ba trong chúng có tác dụng giữ cho các nguyên tử bền vững hoặc xác định cách thức phân rã của một nguyên tử không bền. Đó là lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu. Lực điện từ giữ các electron gắn với nguyên tử. Lực tương tác mạnh gắn các proton và nơtron với nhau trong hạt nhân. Lực tương tác yếu điều khiển cách thức nguyên tử phân rã. Lực hấp dẫn chỉ thể hiện rõ trong các vật thể lớn hơn các hạt thành phần của nguyên tử. Chúng ta sẽ lần lượt nói đến các lực này. 1.2.1 Lực điện từ trong nguyên tử Lực điện từ là quen thuộc nhất. Đó là lực đẩy giữa hai vật mang điện cùng dấu, là lực hút giữa hai vật mang điện trái dấu. Trong nguyên tử các electron mang điện âm bị các proton ở hạt nhân mang điện dương hút nên không tách ra khỏi nguyên tử được. Chúng quay xung quanh hạt nhân. Điều làm các nhà vật lí băn khoăn trong thời gian khá lâu là theo lí thuyết điện từ thì electron phải bức xạ nghĩa là mất dần năng lượng và chuyển động theo đường xoắn ốc rồi rơi vào hạt nhân mà như vậy thì nguyên tử không tồn tại được. Ngày nay, người ta hiểu rằng các hạt vi mô như electron có tính chất sóng. Chính do tính chất này mà electron không bị rơi vào hạt nhân nguyên tử. Bản chất sóng của electron sẽ được nói tới trong các phần sau. Lực điện từ còn làm các electron trong nguyên tử đẩy nhau ra xa. Tuy nhiên do hạt nhân hút chúng lại mạnh hơn nhiều nên electron không bị “đẩy ra khỏi” nguyên tử. Các proton trong hạt nhân cũng đẩy nhau nhưng chúng không bị tách rời nhau vì còn chịu tác dụng của lực tương tác mạnh sẽ nói dưới đây. 1.2.2 Lực tương tác mạnh Trong hạt nhân giữa các hạt proton có lực tương tác mạnh hút chúng lại với nhau. Lực này mạnh hơn lực đẩy Coulomb rất nhiều. Nhờ vậy mà các proton cố kết với nhau trong hạt nhân. Lực tương tác mạnh tác động lên proton không phải chỉ do proton gây ra mà còn có phần đóng góp của một loại hạt khác. Đó là các hạt nơtron. Các nơtron trung hòa điện, giữa chúng chỉ có lực tương tác mạnh. 6 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Lực tương tác mạnh trong hạt nhân, gọi là lực hạt nhân, có đặc tính qui định số lượng tương đối giữa proton và nơtron trong hạt nhân. Nếu số proton trong hạt nhân quá nhiều thì lực tương tác mạnh không đủ vượt qua lực đẩy tĩnh điện giữa các proton, hạt nhân bị phân rã, ngược lại nếu số nơtron quá nhiều thì lực tương tác mạnh dư thừa sẽ bó chặt hơn các nuclon lại. Vì thế trong hầu hết các hạt nhân bền, số nơtron chiếm tỉ lệ lớn hơn so với proton. Các nhân nhẹ bền có số proton và nơtron bằng nhau, như C 12 có 6 proton, 6 nơtron, O 16 có 8 proton và 8 nơtron. Các nhân bền nặng hơn có số nơtron nhiều hơn số proton, thí dụ Bismuth Bi 209 tỉ lệ proton/nơtron là 40/60. 1.2.3 Lực tương tác yếu Lực tương tác yếu đúng như tên gọi, yếu hơn rất nhiều lực điện từ và lực tương tác mạnh. Cũng như tương tác mạnh, tương tác yếu chỉ tác dụng trong một bán kính rất nhỏ, cỡ 0,01 fm. Tuy nhiên khác với các tương tác khác, tương tác yếu xảy ra đối với mọi hạt trong nguyên tử, mang điện hay không mang điện. Khi một hạt nhân có quá nhiều proton, lực tương tác mạnh không thể giữ chúng lại được, hoặc khi hạt nhân có quá nhiều nơtron đến nỗi lực nén chúng quá chặt, thì tương tác yếu có tác dụng làm đổi một hạt loại này thành một hạt loại khác và hạt nhân phân rã dưới dạng phóng xạ bê-ta. Chẳng hạn phóng xạ bê-ta trừ ( ) tương ứng với biến đổi một nơtron thành một proton, một electron và một phản nơtrino. − β 1.3 Mẫu nguyên tử cổ điển Thomson và thí nghiệm Rutherford Vào năm 1903, J.J. Thomson (1856-1940) đã đưa ra mô hình nguyên tử đầu tiên. Nguyên tử được coi là hình cầu đường kính d cỡ 10 -10 m, trong đó, điện tích dương phân bố đều, xung quanh là các electron. Tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các electron. Nguyên tử trung hoà về điện. Mẫu này bị thực nghiệm phủ định sau 8 năm tồn tại bởi thí nghiệm của Rutherford và Geiger. Cũng chính thí nghiệm này là cơ sở thực nghiệm cho mẫu nguyên tử hành tinh và tạo ra ý tưởng về hạt nhân nguyên tử. 7 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN 1.3.1 Thí nghiệm Rutherford Mục đích của thí nghiệm là để chứng minh mẫu Thomson bằng thực nghiệm, tuy nhiên kết quả cuối cùng lại không phải như vậy. Thí nghiệm này được xuất phát từ ý tưởng bắn phá nguyên tử bằng đạn có năng lượng cao, sao cho khi tương tác với nguyên tử, sự mát năng lượng được coi là không đáng kể; sau đó dùng lí thuyết tán xạ, tính các thông số tương tác để tìm hiểu cấu trúc nguyên tử. Đây là phương pháp cơ bản trong các thí nghiệm nghiên cứu nguyên tử - hạt nhân. Điều kiện thí nghiệm: - Chùm hạt tới (gọi là đạn) phải có cùng động năng, cỡ MeV. - Bia (chứa các nguyên tử) đủ mỏng để coi đạn tương tác 1-1 với nguyên tử trong bia. - Có máy đếm các hạt tán xạ theo mọi phương. Sơ đồ thí nghiệm như hình 2.1. Hình 1.2. Sơ đồ thí nghiệm Đạn là chùm hạt nhân He(+2e) gọi là hạt alpha (có từ nguồn phóng xạ tự nhiên). Chùm tới bắn vuông góc với bia là lá kim loại Au mỏng. Màn hứng là màn huỳnh quang ZnS, phát sáng tại điểm khi có hạt mang điện chạm vào, nối với máy đếm ghi nhận số hạt, theo các phương tán xạ. Kết quả thí nghiệm của Rutherford cho thấy: Phần lớn các hạt đi thẳng, tuy nhiên có một số hạt bị tán xạ, lệch khỏi hướng bay ban đầu. Nếu theo mẫu nguyên tử Thomson, do điện tích hạt nhân (+Ze) phân bố đều trong nguyên tử nên điện trường yếu và không thể làm lệch hướng của hạt anpha, mặt khác, khối lượng electron quá bé nên cũng không có khả năng làm lệch hạt anpha khỏi phương chuyển động ban đầu. 8 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Kết quả thí nghiệm ngược lại với dự kiến của mẫu Thomson, có một số hạt bị tán xạ với góc lớn. Điều này chứng tỏ có một điện trường rất mạnh trong nguyên tử. Điều này chỉ có thể giải thích được khi cho rằng toàn bộ điện tích +Ze phải tập trung trong một thể tích rất nhỏ. (Người học có thể chứng minh được rằng góc tán xạ càng lớn khi phần thể tích mang điện dương càng nhỏ). α Rutherford đã gọi toàn bộ điện tích dương tập trung tại tâm của nguyên tử là hạt nhân của nguyên tử. 1.3.2 Các công thức từ thí nghiệm Rutherford. Ta tính toán định lượng kết quả thí nghiệm. Hạt alpha có khối lượng M α lớn (=7300 lần m e ), vì vậy nó bị tán xạ là do tương tác Coulomb với hạt nhân (+Ze). Hạt chuyển động theo quỹ đạo hyperbol, xem hình 1.3. • Gọi khoảng cách tới gần a là khoảng cách giữa hạt alpha và hạt nhân khi hạt α tới gần hạt nhân nhất. • Khoảng cách tới gần cực tiểu a o ứng với khi va chạm xuyên tâm: hạt alpha tới gần nhất, dừng lại và quay ngược trở lại 180 độ, khi đó động năng ban đầu hoàn toàn chuyển thành thế năng Coulomb, ta có: 2 0 0 2kZe a E = (1.1) với 9 1 9.10 / 4 km πε 0 == F (1.2) • Khoảng nhằm hay thông số va chạm p là khoảng cách giữa trục chuyển động và đường song song với trục đi qua tâm hạt nhân : 0 cot 2 a p g θ = 2 (1.3) • Với quá trình bất kỳ, có : 2 0 () 22 a ap=+ + 2 0 a (1.4) • Góc tán xạ theta là góc giữa 2 phương chuyển động trước và sau tán xạ • Mô men động lượng ban đầu: 000 0 2 0 vp E μμ ==lp (1.5) với 00 ,v μ là khối lượng rút gọn và vận tốc tương đối ban đầu. Có thể chứng minh công thức (1.3), xem phụ lục. 9 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Hình 1.3 Bây giờ ta xét sự tán xạ của một chùm hạt alpha khi đi qua một lá kim loại mỏng, như trên hình 1.4. Hình 1.4. Vì khoảng cách p không như nhau nên góc lệch θ cũng khác nhau. Giả sử trong một đơn vị thời gian và qua một đơn vị tiết diện của chùm tới có n o hạt α, ta đi tính số hạt α bị lệch trong một đơn vị thời gian và nằm trong góc giữa θ và θ+dθ (hình 1.4). Góc θ và θ+dθ ứng với khoảng cách p và (p-dp) tương ứng. Như vậy nếu chỉ tán xạ trên một nguyên tử tại A, thì những hạt α đi qua diện tích hình vành khăn có tâm ở A, bán kính p và chiều rộng dp sẽ bị lệch một góc nằm giữa , d θ θθ + . Số hạt đó bằng n 0 dS, trong đó dS là diện tích hình vành khăn. 10 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Nếu như trong một đơn vị diện tích của lá kim loại có N nguyên tử và mỗi hạt α chỉ tán xạ 1-1 với các nguyên tử, thì số hạt α bị lệch trong đơn vị thời gian, trong khoảng góc , d θ θ + θ là: dn=n o NdS. Diện tích hình vành khăn là 2dS p dp π = . Thay vào ta có: 0 2dn n Np dp π = (1.6a) Để tìm dp ta sử dụng công thức tính góc tán xạ (xem phụ lục): p eZek Mv ctg 22 2 = θ (1.6b) Lấy đạo hàm (1.6b), thu được: 2 0 2 4 2sin () 2sin eZe d dn n N Mv θ θ π θ = 2 (1.6c) Công thức (1.6c) cho ta số hạt bay qua không gian giữa hai hình nón có góc mở là 2θ và 2(θ+dθ) trong một đơn vị thời gian (hình 1.5). Các hạt này sẽ tới màn quan sát đập trên hình vành khăn có diện tích là: 2 2 sin 2 sinrrd r d π θθ π θθ = . Hình 1.5. Do đó số hạt tới màn trên một đơn vị diện tích là: 2 0 22 4 1 '() sin nN eZe n rMv θ Δ= 2 (1.6) Công thức (1.6) đã được thực nghiệm kiểm chứng. 1.4 Mô hình nguyên tử Rutherford Từ kết quả thí nghiệm, Rutherford đưa ra kết luận sau. Nguyên tử có dạng hình cầu, trong đó: 11 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN - Điện tích +Ze tập trung ở tâm nguyên tử, chiếm thể tích nhỏ, nhưng mang hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử. - Electron chuyển động quanh hạt nhân. - Điện tích âm và dương trung hoà. Theo Rutherford, lực tương tác giữa electron và hạt nhân giống như lực tương tác giữa các hành tinh và Mặt Trời trong hệ Mặt Trời. Điều này khiến cho chuyển động của electron quanh hạt nhân giống như chuyển động của các hành tinh trên quỹ đạo xung quanh mặt trời. Vì vậy mẫu nguyên tử Rutherford còn được gọi là mẫu hành tinh nguyên tử. Mẫu này phù hợp với nhiều kết quả thực nghiệm, nhưng vẫn có những mâu thuẫn. Mâu thuẫn thứ nhất: Rutherford cho rằng nguyên tử bền vững được, nghĩa là hệ electron - hạt nhân phải ở trạng thái cân bằng, khi electron chuyển động liên tục quanh hạt nhân.Về cơ học thì hệ này bền vững nhưng về động lực học thì nguyên tử cấu trúc như vậy sẽ không bền vững. Thực vậy, theo lí thuyết của Maxwell thì vì electron chuyển động có gia tốc (hướng tâm) quanh hạt nhân, nên nó luôn bức xạ sóng điện từ. Kết quả là năng lượng của electron giảm dần theo thời gian và bán kính quỹ đạo của nó cũng giảm. Tính toán cho thấy chỉ cần 10 -8 s là đủ để cho electron rơi vào hạt nhân và nguyên tử biến mất! Thực nghiệm chứng tỏ rằng ở trạng thái cơ bản, nguyên tử hiđro không bức xạ và các nguyên tử bền vững hàng triệu năm. Với nhiều nguyên tử khác cũng vậy. Mẫu thuẫn thứ hai: Nếu electron khi chuyển động trong nguyên tử liên tục bức xạ thì phổ của nguyên tử phát ra phải là liên tục, trong khi thực nghiệm ghi được phổ các nguyên tử là các vạch rời rạc. Những mâu thuẫn này của mẫu nguyên tử hành tinh không thể giải quyết được nếu chỉ dựa trên những cơ sở của vật lí cổ điển đã biết. Chúng ta cần tìm kiếm một cơ sở để thoả mãn những tính chất mới này của nguyên tử. I.5 Quang phổ hiđro Trước tiên chúng ta xem một cơ sở thực nghiệm: Quang phổ hiđro Thực nghiệm thu được cho thấy các bước sóng trong phổ phát xạ của nguyên tử hiđro hợp thành một dãy vạch gián đoạn (hình 1.6). 12 [...]... electron và trở thành ion, ta nói, nguyên tử bị ion hoá Eion hoá= E∞ - E1= 0 - E1 Năng lượng ion hoá chính bằng năng lượng liên kết electron trong nguyên tử 1.10.*(tham khảo) Sự lượng tử hoá không gian Từ điều kiện lượng tử của Bohr (1.15) có thể suy ra tính chất lượng tử hoá không gian Khi giải bài toán quỹ đạo, ta thu được chuyển động của electron trong nguyên tử tổng quát được coi như trên các quỹ... gọi là số lượng tử chính 18 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN 1.9 Sự ion hoá nguyên tử Theo thuyết Bohr, thông thường, nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản là E1 Khi nhận đủ năng lượng, nó có thể chuyển lên mức cao hơn E2, E3 là các mức kích thích Nguyên tử ở các trạng thái kích thích này không bền, thời gian sống chỉ cỡ 10-8s, sau đó nó chuyển về mức có năng lượng thấp... biểu diễn bằng hiệu số của hai số hạng quang phổ, điều này chỉ có thể lí giải bằng thuyết lượng tử 1.6 Thuyết Bohr Nghiên cứu phổ nguyên tử cho thấy số sóng là hiệu của hai số hạng: 1 λ = T1 ( n1 ) − T2 ( n2 ) Phát triển từ công thức Planck đối với lượng tử năng lượng ánh sáng, Bohr cho rằng giá trị của mỗi lượng tử năng lượng do nguyên tử bức xạ bằng: ε = hν = h c λ = hc [T1 (n1 ) − T2 (n2 ) ] (1.14)... iôn He+ 17 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Hình 1.10 1.8 Cấu trúc của các ion tương tự hidro Cấu trúc nguyên tử H là đơn giản nhất vì chỉ có một electron duy nhất Các nguyên tử khác nói chung là phức tạp hơn nhiều Có thể áp dụng bài toán H cho các ion có 1e chuyển động tròn quanh hạt nhân, ví dụ như He+, Li++ Bài toán giải tương tự như với trường hợp nguyên tử hiđro, chỉ... (hình 1.7) Hình 1.7 1.7 Nguyên tử hidro theo thuyết Bohr 15 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Trong nguyên tử hiđro, electron chuyển động tròn quanh hạt nhân Lực hút Coulomb là lực hướng tâm (hình 1.8) mv 2 − ke 2 ke2 − ke 2 ke 2 Năng lượng của nguyên tử: E = + = + =− r r 2 2r 2r Từ thuyết Bohr ta có điều kiện lượng tử hóa: v mvrn = nh Quỹ đạo có bán kính và vận tốc được xác... nghiệm đã thu được Bài toán hiệu chỉnh khi xét chuyển động của hạt nhân: 16 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Hình 1.9 Trên đây, ta thiết lập các công thức với giả thiết hạt nhân đủ nặng đối với electron để có thể xem như khối lượng của nhân là vô cùng lớn so với electron Nếu coi khối lượng M của hạt nhân là hữu hạn thì ta đưa về bài toán một hạt có khối lượng rút gọn μ=... điều kiện về mômen xung lượng: L = mvrn = nh (1.15) 14 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN với h = h / 2π = 1, 05.10−34 J s là hằng số Planck rút gọn, v là vận tốc chuyển động của electron trên quỹ đạo đó, m là khối lượng của electron Khi bị kích thích, nguyên tử có thể chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác để bức xạ hay hấp thụ năng lượng */ Định đề 2 về tần... thích nguyên tử bằng cách cho nó va chạm với hạt khác, hạt đó truyền cho nguyên tử động năng của mình (nếu động năng của hạt tới Eđ < E2 - E1 thì ta không kích thích được nguyên tử) Cũng có thể cho nguyên tử hấp thụ một photon có năng lượng E = E2 - E1 Nếu năng lượng kích thích đủ lớn, electron có thể chuyển lên mức cao nhất (khi n tiến ra vô cùng) và vượt ra khỏi nguyên tử Khi nguyên tử mất electron... và xác định với mỗi loại nguyên tử, nên nguyên tử chỉ có thể bức xạ năng lượng theo từng lượng tử có giá trị xác định Nói cách khác: nội năng của nguyên tử chỉ có thể thay đổi một cách rời rạc, không liên tục Từ những tính chất đặc biệt này, Bohr đưa ra hai định đề sau: */ Định đề 1 về trạng thái dừng: Nguyên tử chỉ có thể tồn tại khá lâu ở những trạng thái có năng lượng xác định, gọi là trạng thái... vn = Kme 2 nh (1.17) Năng lượng của các trạng thái dừng được tính theo: k 2 me 4 En = − 2 2 2n h r E r -13,6 eV (1.17') Hình 1.8 (ứng với En xác định) Như vậy rn = n2.ro ; vn ~ 1/n n=1, 2, 3 là số lượng tử năng lượng Khi n=1, thì ro=0,5292 nm là bán kính Borh thứ nhất Nhận xét : Công thức (1.17) cho giá trị năng lượng, chính là năng lượng của các trạng thái dừng trong nguyên tử Thay vào công thức quang . Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN GIÁO ÁN ĐIỆN TỬ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Lời Giới thiệu Vật lý nguyên tử và hạt nhân là một học phần cuối của vật lý. Phân tử 6 Chương 6. Laser- máy phát lượng tử 4 Bài giảng Vật lý nguyên tử, chương 1 Nguyễn Minh Thủy, ĐHSPHN Chương 1 Cấu trúc nguyên tử theo thuyết cổ điển 1.1 Mở đầu: Cấu tạo vật. thức về toán cao cấp, vật lý đại cương (cơ, nhiệt, điện, quang) và vật lý lượng tử. Bài giảng gồm 4 chương, chương đầu điểm qua về cấu trúc vật chất và giới thiệu về nguyên tử theo thuyết cổ