Bài giảng Vật lý A3 - Chương 4: Lý thuyết cổ điển về vật lý nguyên tử cung cấp cho người học các kiến thức: Mẫu nguyên tử Thomson, thí nghiệm Rutherford về tán xạ hạt α, mẫu nguyên tử Rutherford, mẫu nguyên tử Bohr,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý – vật lý kỹ thuật Vật lý A3 Phần nguyên tử lý thuyết cổ điển PGS.TS Lê Công Hảo Cell phone: 0917.657.009 Email: lchao@hcmus.edu.vn www.lchaovlhn.wordpress.com Bài tập chương (giáo trình): 1, 2, 3, 4, 8, 10, 11, 14 Chương IV: Lý thuyết cổ điển vật lý nguyên tử 1.MẪU NGUYÊN TỬ THOMSON - Tới kỉ XIX quan niệm nguyên tử phần tử cuối không phân li Đêmơcrít đề xướng từ kỉ thứ V, trước công nguyên tồn - Bởi từ kiện khám phá hạt electron (1897) cho người ta nhận thấy nguyên tử phải có thành phần cấu trúc định - Năm 1904 nhà vật lý người Anh Thomson đưa mơ hình nguyên tử cụ thể Nguyên tử có dạng hình cầu với kích thước vào bậc Angstron (1Å=10-10 m) Tích điện dương dạng mơi trường đồng chất, cịn electron phân bố rải rác đối xứng bên hình cầu Electron Mơi trường đồng chất tích điện dương = o Điện tích dương mơi trường điện tích âm electron để đảm bảo tính trung hồ điện ngun tử Mơ hình cịn gọi mẫu nguyên tử “bánh hạt nhân” o Trong thời gian dài mẫu nguyên tử Thomson hợp lý Nhưng sau cách cho hạt xuyên sâu vào bên hạt nhân kết khác so với đoán nhận lý thuyết theo mẫu Thomson THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α - Các nhà khoa học dùng nguồn phóng xạ tự nhiên phát chùm hạt alpha (α) có vận tốc lớn Các hạt nguyên tố Helium electron, có điện tích (+2e) - Chùm hạt α qua khe hẹp đập vào vàng mỏng, phía sau vàng huỳnh quang, phủ lớp Sunfit kẽm cho ta dấu hiệu loé sáng có hạt alpha đập vào THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α Chùm hạt alpha Nguồn phát ZnS Màn huỳnh quang Lá vàng THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α Ơng ta nghĩ ???!!! - - - - - - - - - - - - - - - - - - - o Theo dự đoán hầu hết hạt alpha xuyên qua vàng Kết dựa theo mẫu nguyên tử Thomson nguyên tử có điện tích dương phân bố nguyên tử o Như hạt alpha chịu tác dụng điện trường yếu, coi khơng chịu ảnh hưởng qua vàng, mà phương chuyển động ban đầu không thay đổi THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α Thế kết thí nghiệm hồn tồn khác với dự đốn ! o Kết thí nghiệm là: + Đa số hạt alpha bay thẳng, xuyên qua vàng, số bị lệch với góc lớn, chí có hạt bay trở lại + Kết thí nghiệm mâu thuẫn với mẫu nguyên tử Thomson THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α KẾT QUẢ NHẬN ĐƯỢC 3.2 Tính khơng ổn định mẫu hành tinh nguyên tử Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford khơng thể giải thích được: + Làm mà electron giữ bên hạt nhân lực hút tĩnh điện? + Bất kỳ hạt điện tham gia vào q trình chuyển động trịn phát xạ (năng lượng điện từ), cuối rơi vào hạt nhân hết lượng Điều làm cho nguyên tử không bền vững, thực tế ngun tử ln bền vững 3.2 Tính khơng ổn định mẫu hành tinh nguyên tử Mẫu hành tinh ngun tử Rutherford khơng thể giải thích được: + Phổ của vài nguyên tố người ta đo có vạch gián đoạn thay chủ yếu phổ xạ liên tục + Vì điện tích dương hạt nhân liên kết chặt với bất chấp lực đẫy tĩnh điện proton Mẫu nguyên tử Bohr 4.1 Bước nhảy lượng tử ➢ Năm 1913, Niels Bohr phát triển mẫu nguyên tử nhằm giải thích câu hỏi chưa giải đáp mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford (1885-1962) ➢ Mẫu nguyên tử Bohr dựa vào nghiên cứu cơng bố Planck (lượng tử hóa lượng), Einstein (bản chất hạt ánh sáng) Rutherford (hạt nhân tâm nguyên tử) Mẫu nguyên tử Bohr Năm 1900, Max Planck đề xuất định luật xạ Planck: “Một xạ điện từ phát hấp thụ dạng lượng tử lượng gián đoạn” E = = h = hc Tần số = c h = 6,625.10 – 34 (J.s), gọi số Planck c = 3.10 (m/s) vận tốc sóng điện từ ck ➢Electron phép để chuyển từ quỹ đạo đến quỹ đạo khác mà electron không tồn khoảng không gian hai quỹ đạo này, ➢ Hiện tượng gọi bước nhảy lượng tử nguyên tử Lý thuyết lượng tử hóa nguyên tử Bohr mở hiểu biết học lượng tử vật lý Với cơng trình này, Bohr nhận giải Nobel vào năm 1922 4.2 Sự hấp thụ (HT) phát xạ (PX) photon nguyên tử Hydro Trong mẫu nguyên tử Bohr, HT + Electron → quỹ đạo cao nguyên tử hấp thụ photon + Electron → quỹ đạo thấp PX nguyên tử phát photon ➢ Một bước nhảy lượng tử đến quỹ đạo cao cần lượng ➢ Bước nhảy lượng tử đến quỹ đạo thấp phát lượng 4.2 Sự hấp thụ (HT) phát xạ (PX) photon nguyên tử Hydro Năng lượng electron bị lượng tử hóa thực dịch chuyển E = h = En − Em PX HT Năng lượng nm Các mức kích thích n>1 Mức n=1 NGUYÊN TỬ HYDRO 5.1 Cấu tạo nguyên tử Hydrogen Cấu tạo bởi: + Một electrôn quay quanh hạt nhân quỹ đạo dừng + Một proton mang điện tích dương mp me ~ 1836 5.2 Mức lượng nguyên tử hydro Lực Coulomb electron proton 𝑘𝑒 𝑁𝑚 𝐹= , 𝑘= = 9.109 𝑟 4𝜋𝜀0 𝐶 ➢ Lực Coulomb cân với lực ly tâm 𝑚𝑣 𝑘𝑒 = 𝑟 𝑟 𝑘𝑒 ⇒ 𝑚𝑣 = 𝑟 Năng lượng tồn phần có 1 𝐾 = − 𝑈 với 𝐾 = 𝑚𝑣 , giá trị âm: 2 𝑘𝑒 + Electron liên kết với hạt 𝑈 = 𝑟 nhân 1 𝑘𝑒 +Khơng thể ngồi 𝐸 =𝐾+𝑈 = 𝑈 =− 2 𝑟 nguyên tử ➢ 5.2 Mức lượng nguyên tử hydro ➢Mômen động lượng electron bị lượng tử hóa quỹ đạo tròn: 𝐿 = 𝑚𝑣𝑟 = ℎ 𝑛 2𝜋 = 𝑛ℏ, 𝑛 = 1,2,3 … ℎ ℏ= = 1,055 × 10−34 J.s 2𝜋 ➢Bán kính quỹ đạo electron: 𝑛ℏ 𝑘𝑒 𝑛 ℏ2 𝑚 = ⇒ 𝑟𝑛 = = 𝑛2 𝑎0 𝑚𝑟 𝑟 𝑘𝑒 𝑚 𝑎0 = ℏ2 𝑘𝑒 𝑚 = 0,0529 × 10−9 m = 0,0529 nm a0 bán kính Bohr 5.2 Mức lượng nguyên tử hydro ➢ Các mức lượng nguyên tử Hydro: 𝑘𝑒 𝐸𝑛 = − 2𝑎0 𝑛2 13,6 𝐸𝑛 = − eV 𝑛 𝑛 = 1,2,3, … • 𝐸1 = 13,6 eV E1 lượng ion hóa Năng lượng photon q trình hấp thụ phát xạ ➢ 𝐸𝛾 = 𝐸𝑛 − 𝐸𝑚 = 𝑘𝑒 2𝑎0 𝑚2 − 𝑛2 𝒉𝝂 = 𝑬𝜸 = 𝟏𝟑, 𝟔 với (n>m) 𝟏 𝒎𝟐 − 𝟏 𝒏𝟐 eV 5.3 Quang phổ nguyên tử Phổ hấp thụ Phổ phát xạ 5.4 Công thức Balmer-Rydberg Vào năm 1885, thầy giáo người Thụy Sỹ, Jakob Balmer phân tích số liệu phổ nguyên tử hydro đề xuất: 1 = RH − , n = 3, 4, 5, n 2 (1825-1898) Sau Johanes Rydberg phát triển thêm công việc Balmer = RH − , m n n m Công thức Balmer - Rydberg E = RH hc − , m n n m Hằng số Rydberg 𝑅𝐻 = 0,011 𝑛𝑚−1 = 0.011 × 109 m-1 Tóm lại, lý thuyết Bohr thu được: Bán kính quỹ đạo electron trạng thái n nguyên tử có bậc số Z: a0 rn = (n ) Z Mức lượng nguyên tử trạng thái thứ n: ke Z En = − 2a n 2 n = 1, 2, 3,… ➢Lord Rutherford phát biểu: “Lý thuyết lượng tử phổ nguyên tử Bohr cách mạng vĩ đại nhất, tơi khơng biết có lý thuyết thành công thế… Tôi xem công việc Bohr thành tựu lớn trí tuệ lồi người” ➢Albert Einstein sau biết tính tốn lý thuyết số Rydberg: “Đó khám phá vĩ đại nhất” Bài tập lớp Bài 4.11: (a) Tính bước sóng dài ngắn dãy Paschen (b) Tính lượng photon tương ứng với bước sóng Bài 4.9: Một photon phát từ nguyên tử hydro electron dịch chuyển từ trạng thái n = trạng thái m = Tính lượng, bước sóng tần số photon ... huỳnh quang Lá vàng THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α Ông ta nghĩ ???!!! - - - - - - - - - - - - - - - - - - - o Theo dự đoán hầu hết hạt alpha xuyên qua vàng Kết dựa theo mẫu nguyên tử Thomson.. .Chương IV: Lý thuyết cổ điển vật lý nguyên tử 1.MẪU NGUYÊN TỬ THOMSON - Tới kỉ XIX quan niệm nguyên tử phần tử cuối khơng phân li Đêmơcrít đề xướng từ kỉ thứ V, trước công nguyên tồn - Bởi... sau biết tính tốn lý thuyết số Rydberg: “Đó khám phá vĩ đại nhất” Bài tập lớp Bài 4. 11: (a) Tính bước sóng dài ngắn dãy Paschen (b) Tính lượng photon tương ứng với bước sóng Bài 4. 9: Một photon