论电子结构与原子光谱现象Word下载.docx
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稍后我们将看到,原子正是通过电子不断吸收、放出光子来和外界完成能量交换的。
一般来说,电子质量越大其内部各部分结合的越松散,在静电力作用下越容易发生裂变;
电子质量越小其内部各部分结合的越紧密,在静电力作用下越不容易发生裂变。
与原子核“幻数”相似,总有特定质量的电子的结合力相当大,比其它质量电子的结合力大许多,这些特定质量的电子往往对应于某些稳定的轨道。
有人认为物质发光是由于物质中的原子或分子受到扰动的结果,认为光子是由原子或分子发出的。
其实这是一种错误的看法。
我们知道,原子是由原子核和核外电子组成的,光子是一种物质实体,或者是由原子核发出的,或者是由电子发出的,除此以外再没有别的选择。
说光子是由原子发出的,这是一种不确切的说法。
2.原子核和电子之间的磁力作用
两个相距一定距离的异种点电荷在静电力作用下必然会吸引在一起,因为静电力作用在两点电荷连线上。
而原子核和电子不会吸引在一起。
这就启示我们在原子核和电子中必然存在一种其它作用力。
这个力就是原子核和电子之间的磁力。
我们知道,在通以相同方向电流的两条平行导线间会产生磁力作用,在磁力作用下它们将彼此吸引,原子核和电子的相向运动正相当于通以相同方向电流的两条平行导线,在它们之间也将产生磁力作用。
静电力的作用总是使电子获得指向原子核的向心速度,而原子核和电子之间的磁力则使电子获得切向速度,并且原子核和电子之间的相对速度越大,它们之间的磁力也越大。
当原子核和电子之间彼此相对静止在一定远处时,在静电力和磁力的共同作用下,它们并不会吸引在一起。
因为静电力使电子获得向心速度,磁力使电子获得切向速度,电子并不是沿着直线靠近原子核,而是沿着螺旋线靠近原子核。
开始时螺旋线的半径为无穷大,电子作直线运动;
一旦电子相对原子核的速度不为零,磁力开始起作用,电子的运动轨迹开始发生弯曲;
当电子与原子核靠近到一定的距离时,电子和原子核之间的静电力恰好等于电子作圆周运动所需的向心力,此时电子处于平衡状态,螺旋线变成了圆。
同样在电子离开原子核时也是沿着螺旋线运动的。
在静电力作用下,电子总要尽量靠近原子核,在磁力作用下,电子有远离原子核的离心趋势,正是在这两种力作用下,电子处于稳定的平衡状态中。
电子在原子核中处于稳定状态时,它的轨迹是圆。
因为当电子的轨迹不是圆时,它总要受到磁力的作用,这个力使电子的切向速度增加、运动轨迹向圆靠近。
而电子受磁力作用时它的运动轨迹就要发生变化,就不是稳定的,只有当电子的轨迹是圆时才不受磁力的作用,所以说电子在原子核中的稳定轨迹是圆。
太阳系中的行星在太阳引力作用下,其运动轨迹可以是圆或椭圆,但在原子系统中,电子在原子核静电力作用下,其稳定轨迹只可能是圆而不可能是椭圆。
3.基态电子的稳定性
处于基态的电子为什么是稳定的?
为什么不会被原子核吸收?
人们通常
认为:
做加速运动的电荷会向外辐射能量.如果电子在原子核中做圆周运动,则它就有加速度,必然会不断地向外辐射电磁波,随着电子能量的减小它将沿着螺旋线落入原子核中,这样整个原子就是不稳定的,然而事实并非如此。
于是人们推测电子在原子核中不可能做圆周运动。
我们认为以上推断是错误的,电子的确在原子核中做圆周运动,其理由如下:
第一,电子辐射电磁波并不是一个只出不进的过程。
电子时刻不停地向外辐射能量,也在时刻不停地吸收光子,这是一个动态平衡过程。
如果电子吸收的能量大于其辐射的能量则原子的温度升高,如果电子吸收的能量小于其辐射的能量则原子的温度降低,倘若没有外界能量输入,原子总会由于向外辐射能量而降低温度,只要物体的温度在绝对零度以上就会向外辐射电磁波。
第二,电子在原子中的质量并非一成不变的。
一般而言,电子离核越近质量越小,离核越远质量越大(这一点我们稍后证明)。
第三,电子和原子核之间并非只有静电力作用,还存在磁力作用。
正因为磁力作用的存在使电子在靠近原子核时切线速度不断增大,从而使其离心力逐渐增大,以致于可以与静电力抗衡维持电子在原子核中的稳定。
这里需要我们证明随着电子离核距离的减小,离心力的增加速度大于静
电力的增加速度。
设电子稳定时质量为M,速度为V,与原子核相距R,原子核电量为Q,此时静电力F正好等于电子作圆周运动的向心力,
离心力大于静电力,所以此时电子作离心运动,将回到距核R的轨道上。
同样当电子受到远离原子核的扰动后,静电力F大于电子作圆周运动的向心力,电子将向原子核运动,最终要回到距核R的轨道上,这里不再证明。
另外我们认为,做加速运动的电荷会向外辐射电磁波这个提法不够确切,应该说做加速运动的自由电荷会向外辐射电磁波,而电子在原子核中做圆周运动时不会向外辐射电磁波。
两者有什么区别呢?
我们知道,在原子核和电子结合成原子的过程中要向外放出能量,即自由电子要在原子核静电力作用下裂变放出光子才能够成为原子中的电子,原子中的电子和自由电子是有区别的。
自由电子的质量大于原子中的电子的质量,自由电子各部分结合得较为松散,受到外界扰动(有加速度)时会向外辐射电磁波;
而原子中的电子质量小,各部分结合得较为紧密,受到外界扰动(有加速度)时未必会向外辐射电磁波,只有当外界扰动(加速度)足够大时才会裂变辐射电磁波,所以电子可以在原子中做圆周运动而并不向外辐射电磁波。
4.稳定轨道的形成
对于处于基态的电子来说,每秒会有许多光子与其作用。
这些作用有指
向原子核的,也有指向核外的。
电子在吸收一个或几个光子以后质量增加,形成新的电子。
我们先考虑指向核外的扰动。
设电子在吸收一个或几个光子以后质量增加为M+Δm,与原子核相距R+Δr,我们知道,一定质量的电子总有与一条特定轨道与之对应,比如电子的质量为M时其轨道半径为R,那么当电子质
子的内部结构。
处于激发态的电子在向基态跃迁时会发出光子;
把原子的内层电子打掉以后外层电子会放出光子并向离核更近的轨道跃迁。
这些现象启示我们:
电子离核越近质量越小,电子离核越远质量越大。
从这里也可以看出,电子质量越小其内部结合力越大。
因为离核越近电子受到的静电力越大,而电子能够稳定存在说明其内部结合力越大。
在同一个原子中,内层电子的质量小于外层电子的质量;
同一个电子离核越近质量越小。
人们发射的人造卫星可以设定轨道,其轨道变化可以是连续的,但对原子核中的电子来说,其轨道变化则是不连续的。
怎样理解这一点呢?
让我们做一个假想实验。
把两个带异种电荷的点电荷放置在一定远处,并且
假定它们之间除了静电力以外不在受到其它力的作用,则最终它们将互相吸引在一起。
无论怎样改变这两个电荷的质量、电量,结果都是相同的。
这说明:
用宏观电荷不可能模拟原子核和电子之间的作用力。
说到这里,好事者马上就会解释,因为宏观电荷物质波的波长极短而电子物质波的波长较大,所以用宏观电荷不可能模拟原子核和电子之间的作用力。
换一个角度来说,宏观物质和微观物质是有区别的,用宏观物质不能模拟微观物质。
但区别究竟在哪里?
一个是宏观物质而另一个是微观物质,这个解释近乎无聊了。
还是让我们来仔细分析为什么用宏观电荷不可能模拟原子核和电子之间的作用力。
我们知道,在静电力作用下,电子和原子核开始时相向运动,而后在磁力作用下沿着螺旋线相互靠近,正是由于原子核和电子之间的磁力使电子获得了绕原子核运动的切向加速度,并使整个原子处于稳定状态。
那么,两个宏观点电荷之间的运动轨迹为什么是一条直线呢?
这是因为宏观电荷的荷质比远远小于原子核和电子的荷质比,在静电力作用下宏观点电荷获得的最终速度也小得可怜,因此宏观点电荷之间因相对运动而产生的磁力也微乎其微,近似于零。
所以宏观点电荷在静电力作用下表现为相向运动,其运动轨迹接近直线。
从这里我们可以得出这样一个结论:
虽然静电力作用在两个电荷的连心线上,但是仅在静电力作用下,电荷的运动轨迹不一定就是直线,两个电荷的荷质比越小,其运动轨迹越接近直线,反之则越接近曲线。
那么,如果宏观点电荷的荷质比足够大甚至可以与原子核或电子相比时,是否可以用宏观点电荷模拟原子核和电子相之间的作用呢?
也不能!
如果宏观点电荷的荷质比足够大,甚至可以与原子核或电子相比,那么这样的两个异种电荷在静电力作用下会沿着螺旋线相互接近,最终会处于稳定状态,但由于宏观点电荷的质量不会发生变化,因此最多只能形成一条稳定轨道,而不可能象电子那样在原子核中有多条稳定轨道。
在多电子原子中,各电子间有什么主要区别呢?
有人认为离核越近的电
子能量越低,越不容易失去;
离核越远电子能量越高越容易失去,但这还不是最主要的区别。
多电子原子中各电子间最主要的区别在于它们的质量不同。
离核越近的电子质量越小,离核越远的电子质量越大,同一个原子中没有两个质量相同的电子存在。
在氢原子中也是电子离核越近质量越小,离核越远质量越大。
6.原子的吸收光谱和明线光谱
在原子的吸收光谱中,只有特定能量的光子才被电子吸收;
在原子的明线光谱中,同样也只能发出特定能量的光子。
于是人们认为电子只能吸收或发出特定能量的光子。
我们知道,只要物体的温度在绝对零度以上,就会向外发射电磁波,物质的发射光谱是连续光谱。
那么其它能量的光子是由哪一部分发出又是如何发出的呢?
显然还是由电子发出的,因为原子核不可能发出光子。
当我们用电子束轰击汞原子蒸汽时,可以发现当电子的能量为某些特定值时,汞原子强烈地吸收其能量;
对于其它能量的电子汞原子只吸收其一部分能量。
汞原子只吸收电子束的能量实际是汞原子中的电子吸收电子束的能量。
可见,原子中的电子可以吸收各种能量(质量),但对特定的能量(质量)吸收能力十分强。
在原子的吸收光谱中,电子可以吸收各种能量的光子,只不过大部分光子被电子吸收后与电子的结合能并不大,受到微小的扰动后立即放出光子,由于该过程极短,所以当连续光通过原子蒸汽时,大部分光子被吸收后又很快放出,看起来似乎没有与原子作用,只有极少数具有特定能量的光子与电子的结合力极大,这类光子被吸收后要保持一段时间才可能放出,故吸收光谱会出现几条暗线。
至于原子的明线光谱,与其说是明线光谱还不如说原子的发射光谱中有几条线特别亮。
这是因为处于激发态的电子比别的能量状态的电子稳定,停留的时间较长,所以在一群原子中处于激发态的电子数目总比别的状态的电子数目多,因而它们发出的光也更亮一些。
事实上原子的发射光谱不仅仅是明线光谱,明线光谱只是原子发射光谱中极个别的具有代表性的光子,原子几乎可以发出小于一定能量的任何光子。
电子在原子中时刻不停地吸收各种能量的光子,由于电子与绝大部分光子的结合力都不大,所以电子也在时刻不停地放出各种能量的光子,因此物质的发射光谱往往是连续光谱。
许多人都认为原子只能吸收特定能量的光子,原子也只能放出几种特定能量的光子,因为他们看到原子的吸收光谱中仅有几条特定频率的暗线,而子的发射光谱也仅仅是几条特定频率的明线而已。
其实这种看法是错误的。
我们不妨这样分析,若原子只能吸收特定能量的光子,则只有特定
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