Bài giảng Vật lý A3 - Chương IV: Lý thuyết cổ điển - Lê Công Hảo

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 Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý – vật lý kỹ thuật Bài tập chương 4 (giáo trình): 1, 2, 3, 4, 8, 9 10, 11, 14. Chương IV: Lý thuyết cổ điển về vật lý nguyên tử 1.MẪU NGUYÊN TỬ THOMSON. - Tới thế kỉ XIX quan niệm về nguyên tử là phần tử cuối cùng không phân li được do Đêmôcrít đề xướng từ thế kỉ thứ V, trước công nguyên đã không thể tồn tại được nữa. - Bởi vì ngay từ sự kiện khám phá ra các hạt electron (1897) đã cho người ta nhận thấy rằng nguyên tử phải có những thành phần và những cấu trúc nhất định. - Năm 1904 nhà vật lý người Anh Thomson đã đưa ra mô hình nguyên tử cụ thể đầu tiên. Nguyên tử có dạng hình cầu với kích thước vào bậc Angstron (1Å=10-10 m). Tích điện dương dưới dạng một môi trường đồng chất, còn các electron thì phân bố rải rác và đối xứng bên trong hình cầu đó Môi trường đồng chất và tích điện dương Electron = o Điện tích dương của môi trường và điện tích âm của các electron bằng nhau để đảm bảo tính trung hoà về điện của nguyên tử. Mô hình này còn được gọi là mẫu nguyên tử “bánh hạt nhân”. o Trong thời gian dài mẫu nguyên tử của Thomson có vẻ như hợp lý. Nhưng sau bằng cách cho những hạt đi xuyên sâu vào bên trong hạt nhân thì kết quả khác so với đoán nhận lý thuyết theo mẫu Thomson. 2. THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α - Chùm hạt α đi qua một khe hẹp đập vào một lá vàng mỏng, phía sau lá vàng là màn huỳnh quang, phủ lớp Sunfit kẽm nó cho ta một dấu hiệu loé sáng khi có hạt alpha đập vào. - Các nhà khoa học dùng một nguồn phóng xạ tự nhiên phát ra chùm hạt alpha (α) có vận tốc lớn. Các hạt này là các nguyên tố Helium đã mất 2 electron, vì vậy nó có điện tích (+2e) Chùm hạt alpha Nguồn phát Lá vàng ZnS - Màn huỳnh quang 2. THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α --- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - Ông ta nghĩ gì ???!!! 2. THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α o Theo dự đoán hầu hết các hạt alpha sẽ xuyên qua lá vàng. Kết quả này dựa theo mẫu nguyên tử Thomson là nguyên tử có các điện tích dương phân bố đều trong nguyên tử. o Như vậy các hạt alpha chỉ chịu tác dụng của điện trường rất yếu, và coi như không chịu ảnh hưởng gì khi đi qua lá vàng, do vậy mà phương chuyển động ban đầu không thay đổi. Thế nhưng kết quả thí nghiệm hoàn toàn khác với dự đoán ! o Kết quả thí nghiệm là: + Đa số các hạt alpha bay thẳng, xuyên qua lá vàng, nhưng số ít bị lệch với những góc rất lớn, thậm chí có hạt bay trở lại. + Kết quả thí nghiệm mâu thuẫn với mẫu nguyên tử Thomson. 2. THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α KẾT QUẢ NHẬN ĐƯỢC 2. THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α o Như vậy để giải thích được hiện tượng này thì phải giả thuyết rằng trong nguyên tử phải có một điện trường cực mạnh mới có thể làm cho các hạt alpha bị lệch so với góc lớn. o Từ đó Rutherford bỏ mẫu nguyên tử Thomson và cho ràng các điện tích dương trong nguyên tử phải tập trung lại trung tâm của nguyên tử và được gọi là hạt nhân của nguyên tử. o Như vậy nguyên tử có hạt nhân ở giữa, tại đó tập trung toàn bộ điện tích dương và gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử, xung quanh có các electron chuyển động. 2. THÍ NGHIỆM RUTHERFORD VỀ TÁN XẠ HẠT α 3.MẪU NGUYÊN TỬ Rutherford n + n + o Với mô hình như vậy có thể giải thích được hiện tượng tán xạ của chùm hạt . Vì kích thước hạt nhân nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước nguyên tử, nên đại bộ phận các hạt alpha xuyên qua được và đi thẳng, o Chỉ những hạt nào đi gần sát hạt nhân mới chịu lực đẩy tĩnh điện, rất mạnh Làm cho nó có thể lệch hướng bay với góc lệch đáng kể. 3.MẪU NGUYÊN TỬ Rutherford .. . . . . . . . . . . . . Phôi vàng Hạt bị lệch hướng Chùm hạt đi thẳng . . Chùm hạtalpha . 3.MẪU NGUYÊN TỬ Rutherford Rutherford giải thích sự tán xạ trên lá vàng 3.1.MẪU HÀNH TINH NGUYÊN TỬ • Ta có thể hình dung tổng quát về mẫu nguyên tử Rutherford như sau: + Nguyên tử gồm một hạt nhân chiếm một thể tích cực nhỏ ở chính giữa, tại đó tập trung điện tích dương và gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử. + Xung quanh hạt nhân có các electron chuyển động, tổng điện tích âm của các electron bằng tổng các điện tích dương của hạt nhân. Nếu số electron của nguyên tử là Z thì điện tích dương của hạt nhân là +Ze. • Số Z chính là nguyên tử số của các nguyên tố. Như vậy có thể nói rằng sự sắp xếp thứ tự của các nguyên tố hoá học trong hệ thống tuần hoàn Mendeleev thực chất là do số electron của mỗi nguyên tố đó qui định. • Ngoài ra người ta cũng cho rằng các electron quay quanh hạt nhân trên những quỹ đạo Elip, giống như chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời trong thái dương hệ. • Vì thế mẫu nguyên tử của Rutherford còn được gọi là mẫu hành tinh nguyên tử. Sự khác biệt duy nhất giữa hai hệ thống chỉ là lực tương tác. Với nguyên tử là lực hút tĩnh điện còn với thái dương hệ là lực hấp dẫn. 3.2. Tính không ổn định của mẫu hành tinh nguyên tử Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford không thể giải thích được: + Làm thế nào mà electron giữ được bên ngoài hạt nhân do lực hút tĩnh điện? + Bất kỳ hạt điện nào tham gia vào quá trình chuyển động tròn sẽ phát bức xạ (năng lượng điện từ), cuối cùng rơi vào hạt nhân do mất hết năng lượng. Điều này sẽ làm cho nguyên tử không bền vững, nhưng thực tế nguyên tử luôn bền vững. 3.2. Tính không ổn định của mẫu hành tinh nguyên tử Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford không thể giải thích được: + Phổ của của vài nguyên tố người ta đo được có những vạch gián đoạn thay vì chủ yếu là phổ bức xạ liên tục + Vì sao các điện tích dương trong hạt nhân liên kết chặt với nhau bất chấp lực đẫy tĩnh điện giữa các proton 4. Mẫu nguyên tử Bohr 4.1. Bước nhảy lượng tử ➢Năm 1913, Niels Bohr đã phát triển một mẫu nguyên tử mới nhằm giải thích những câu hỏi chưa giải đáp về mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford. ➢ Mẫu nguyên tử của Bohr dựa vào các nghiên cứu đã công bố của Planck (lượng tử hóa năng lượng), của Einstein (bản chất hạt của ánh sáng) và của Rutherford (hạt nhân tại tâm nguyên tử). (1885-1962) Năm 1900, Max Planck đề xuất định luật bức xạ của Planck: “Một bức xạ điện từ được phát ra cũng như được hấp thụ dưới dạng lượng tử năng lượng gián đoạn”   hc hE === h = 6,625.10 – 34 (J.s), gọi là hằng số Planck c = 3.10 8 (m/s) là vận tốc sóng điện từ trong ck.   c =Tần số 4. Mẫu nguyên tử Bohr ➢Electron được phép để chuyển từ quỹ đạo này đến quỹ đạo khác mà electron không bao giờ tồn tại khoảng không gian giữa hai quỹ đạo này, ➢ Hiện tượng này được gọi là bước nhảy lượng tử trong nguyên tử. Lý thuyết lượng tử hóa nguyên tử của Bohr đã mở ra một sự hiểu biết mới về cơ học lượng tử trong vật lý. Với công trình này, Bohr đã nhận giải Nobel vào năm 1922. 4.2. Sự hấp thụ (HT) và phát xạ (PX) photon của nguyên tử Hydro Trong mẫu nguyên tử của Bohr, + Electron → quỹ đạo cao hơn khi nguyên tử hấp thụ một photon + Electron → quỹ đạo thấp hơn khi nguyên tử phát ra một photon. ➢ Một bước nhảy lượng tử đến quỹ đạo cao hơn thì cần năng lượng ➢ Bước nhảy lượng tử đến quỹ đạo thấp hơn thì phát ra năng lượng đó HT PX Năng lượng của electron bị lượng tử hóa khi thực hiện dịch chuyển mn EEhE −==  4.2. Sự hấp thụ (HT) và phát xạ (PX) photon của nguyên tử Hydro HT PX Các mức kích thích n > 1 Mức cơ bản n = 1 N ă n g l ư ợ n g mn  5. NGUYÊN TỬ HYDRO 5.1. Cấu tạo nguyên tử Hydrogen Cấu tạo bởi: + Một electrôn quay quanh hạt nhân trên các quỹ đạo dừng + Một proton mang điện tích dương 1836~ e p m m 5.2. Mức năng lượng của nguyên tử hydro ➢ Lực Coulomb giữa electron và proton 𝐹 = 𝑘𝑒2 𝑟2 , 𝑘 = 1 4𝜋𝜀0 = 9.109 𝑁𝑚2 𝐶2 ➢ Lực Coulomb cân bằng với lực ly tâm 𝑚𝑣2 𝑟 = 𝑘𝑒2 𝑟2 ⇒ 𝑚𝑣2 = 𝑘𝑒2 𝑟 𝐾 = − 1 2 𝑈 với 𝐾 = 1 2 𝑚𝑣2, và 𝑈 = 𝑘𝑒2 𝑟 𝐸 = 𝐾 + 𝑈 = 1 2 𝑈 = − 1 2 𝑘𝑒2 𝑟 Năng lượng toàn phần có giá trị âm: + Electron liên kết với hạt nhân +Không thể thoát ra ngoài nguyên tử. ➢Mômen động lượng của electron bị lượng tử hóa đối với quỹ đạo tròn: 𝐿 = 𝑚𝑣𝑟 = 𝑛 ℎ 2𝜋 = 𝑛ℏ, 𝑛 = 1,2,3 ℏ = ℎ 2𝜋 = 1,055 × 10−34J.s ➢Bán kính quỹ đạo electron: 𝑚 𝑛ℏ 𝑚𝑟 2 = 𝑘𝑒2 𝑟 ⇒ 𝑟𝑛 = 𝑛2ℏ2 𝑘𝑒2𝑚 = 𝑛2𝑎0 𝑎0 = ℏ2 𝑘𝑒2𝑚 = 0,0529 × 10−9 m = 0,0529 nm a0 là bán kính Bohr 5.2. Mức năng lượng của nguyên tử hydro ➢ Các mức năng lượng trong nguyên tử Hydro: 𝐸𝑛 = − 𝑘𝑒2 2𝑎0 1 𝑛2 𝐸𝑛 = − 13,6 𝑛2 eV 𝑛 = 1,2,3, • 𝐸1 = 13,6 eV E1 là năng lượng ion hóa 5.2. Mức năng lượng của nguyên tử hydro 𝐸𝛾 = 𝐸𝑛 − 𝐸𝑚 = 𝑘𝑒2 2𝑎0 1 𝑚2 − 1 𝑛2 với (n>m) 𝒉𝝂 = 𝑬𝜸 = 𝟏𝟑, 𝟔 𝟏 𝒎𝟐 − 𝟏 𝒏𝟐 eV ➢ Năng lượng photon trong quá trình hấp thụ hoặc phát xạ 5.3. Quang phổ nguyên tử Phổ hấp thụ Phổ phát xạ 5.4. Công thức Balmer-Rydberg Vào năm 1885, một thầy giáo người Thụy Sỹ, Jakob Balmer đã phân tích số liệu về phổ nguyên tử hydro và đề xuất: (1825-1898) .....,5,4,3, 1 2 11 22 =      −= n n RH  Sau đó Johanes Rydberg phát triển thêm công việc của Balmer nm nm RH       −= , 111 22 Công thức Balmer - Rydberg nm nm hcRE H       −= , 11 22  Hằng số Rydberg 𝑅𝐻 = 0,011 𝑛𝑚 −1 = 0.011 × 109m-1 Tóm lại, lý thuyết của Bohr thu được: Bán kính quỹ đạo của electron ở trạng thái n trong nguyên tử có bậc số Z: Z a )n(r 02n = Mức năng lượng của nguyên tử ở trạng thái thứ n: 2 0 2 n n Z a2 ke E       −= n = 1, 2, 3,.. ➢Lord Rutherford phát biểu: “Lý thuyết lượng tử về phổ nguyên tử của Bohr là một trong những cuộc cách mạng vĩ đại nhất, và tôi không biết có lý thuyết nào thành công hơn thế..Tôi xem công việc của Bohr là một trong những thành tựu lớn nhất của trí tuệ loài người”. ➢Albert Einstein sau khi biết tính toán lý thuyết về hằng số Rydberg: “Đó là một trong những khám phá vĩ đại nhất”. Bài tập tại lớp Bài 4.11: (a) Tính bước sóng dài nhất và ngắn nhất trong dãy Paschen. (b) Tính năng lượng photon tương ứng với các bước sóng này. Bài 4.9: Một photon phát ra từ nguyên tử hydro khi electron dịch chuyển từ trạng thái n = 3 về trạng thái m = 2. Tính năng lượng, bước sóng và tần số của photon.