Chapter 3: Nguyên tử

MODERN PHYSICS

(Quantum Physics)

Ass.

Ass. Prof. Dr. Tran Thi Tam

Prof. Dr. Tran Thi Tam

Faculty of Engineering Physics and Nano Technology,

University of Engineering and

University of Engineering and Technology, VNUH

Technology, VNUH

Vietnam

Email: drtranthitam@yahoo.com

Chapter

hapter 3

Modern Physics 2

References

1. Fundamentals of Physics;

David Halliday,

Robert Resnick, Jearl Walker,

7th Edition,

volume 2. John Wiley & Sons, Inc. 2005

2. William F. Smith, Professor of Engineering

University of Central Florida, Principles of

Materials Science and Engineering, McGraw-

Hill, Inc. 1996

3. Nguyễn Văn Hiệu, Giáo trình lý thuyết lượ

tử, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia Hà nộ

2002

Modern Physics 3

Nộ

ội dung

i dung

Chương

ương 1

: Photon

Photon và só

và sóng v

ng vậ

ật ch

t chấ

ất

Chương

ương 2:

2: Só

Sóng v

ng vậ

ật ch

t chấ

ất trong c

t trong cá

ác b

c bẫ

ẫy

Chương

ương 3:

3: Nguyên t

Nguyên tử

ử

Chương

ương 4:

4: S

Sự

ự d

dẫ

ẫn đi

n điệ

ện trong ch

n trong chấ

ất r

t rắ

ắn

Modern Physics 4

Chapter 3

Chapter 3:

:Nguyên t

Nguyên tử

ử

What is so different about

light from a laser?

Modern Physics 5

3.1

1 N

Nề

ền t

n tả

ảng v

ng vậ

ật lý ?

t lý ?

3. 2

2 M

Mộ

ột v

t và

ài t

i tí

ính ch

nh chấ

ất c

t củ

ủa nguyên t

a nguyên tử

ử

3. 3

3 Spin

Spin củ

của đi

a điệ

ện t

n tử

ử

3. 4

Cá

ác moment g

c moment gó

óc v

c và

à moment l

moment lưỡ

ưỡng c

ng cự

ực t

c từ

ừ

3. 5

5Th

Thí

í nghi

nghiệ

ệm Stern

m Stern-

-Gerlach

Gerlach

3. 6

6 C

Cộ

ộng h

ng hưở

ưởng t

ng từ hạ

ừ hạt nhân

t nhân

3. 7

7 Nguyên lý

Nguyên lý loạ

loại tr

i trừ

ừ Pauli

Pauli

3. 8

8 Đa đi

Đa điệ

ện t

n tử

ử trong b

trong bẫ

ẫy ch

y chữ

ữ nh

nhậ

ật

3. 9

9 Xây d

Xây dự

ựng B

ng Bả

ảng tu

ng tuầ

ần ho

n hoà

àn

3. 10

10 Tia X v

Tia X và

à s

sự

ự s

sắ

ắp x

p xế

ếp c

p cá

ác nguyên t

c nguyên tố

ố

3. 11

11 Lasers v

Lasers và

àanh s

anh sá

áng Laser

ng Laser

3.12

12 Laser làm việc như thế nào Modern Physics 6

3.1 N

1 Nề

ền t

n tả

ảng v

ng vậ

ật lý?

t lý?

Hình. Chấm xanh dương trong

bức ảnh là ánh sáng bức xạ ra

từ đơn

đơn ion barium,

ion barium, được giữ

rất lâu trong bẫy tại Trường

Tổng hợp Washington. Một

kỹ thuật đặc biệt giúp cho ion

bức xạ ánh sáng liên tục - chỉ

có chuyển dời lượng tử giữa

một cặp mức năng lượng.

Mụ

Mục tiêu đ

c tiêu đầ

ầu tiên c

u tiên củ

ủa v

a vậ

ật lý

t lý –

–

phá

át hi

t hiệ

ện v

n và

à hi

hiể

ểu c

u cá

ác t

c tí

ính ch

nh chấ

ất

củ

của nguyên t

a nguyên tử

ử.

Chấm thể hiện bức xạ

tích lũy của rất nhiều

photons

Modern Physics 7

3.2 M

2 Mộ

ột v

t và

ài t

i tí

ính ch

nh chấ

ất c

t củ

ủa nguyên t

a nguyên tử

ử

Các nguyên tử là bền vững. Về cơ bản tất cả các nguyên

tử tạo nên thế giới hữu hình của chúng ta đã tồn tại hàng

tỷ năm. Thế giới sẽ như thế nào giả sử như các nguyên tử

liên tục thay đổi sang dạng khác, trong từng một vài tuần

hoặc từng một vài năm?

Các nguyên tử kết hợp với các nguyên tử khác Chúng

dính kết cùng nhau tạo nên các phân tử bền vững và dính

kết tạo nên chất rắn. Vốn nguyên tử là không gian rỗ

ng,

nhưng ta có thể đứng trên sàn nhà được làm nên từ các

nguyên tử và không bị ngã tọt xuống.

Vật lý lượng tử có thể giải thích các tính chất cơ bản nà

của nguyên tử, cũng như 3 tính chất kém quan trọng hơn

sau đây

Modern Physics 8

Cá

ác nguyên t

c nguyên tử

ử đ

đượ

ược s

c sắ

ắp x

p xế

ếp v

p vớ

ới nhau c

i nhau có

ó h

hệ

ệ th

thố

ống

Modern Physics 9

Đồ thị năng lượng ion hóa của các nguyên tố là hàm số của số

nguyên tử, cho thấy sự lặp lại theo chu kỳ qua sáu chu kỳ ngang

hoàn thiện của Bảng tuần hoàn. Số lượng nguyên tố trong từng chu

kỳ được chỉ ra trong bảng. Modern Physics 10

Cá

ác nguyên t

c nguyên tố

ố đ

đượ

ược s

c sắ

ắp x

p xế

ếp trong B

p trong Bả

ảng tu

ng tuầ

ần hòa theo

n hòa theo s

sá

chu k

chu kỳ

ỳ ngang ho

ngang hoà

àn c

n chỉ

hỉnh (v

nh (và

à chu

chu kỳ

kỳ th

thứ

ứ b

bẩ

ẩy chưa hòan thi

y chưa hòan thiệ

ệ

n):

trừ

ừ chu k

chu kỳ

ỳ đ

đầ

ầu,

u, m

mỗ

ỗi chu k

i chu kỳ

ỳ:

bắ

ắt đ

t đầ

ầu

từ

ừ bên tr

bên trá

ái v

i vớ

ới

i kim lo

kim loạ

ại ki

i kiề

ềm

m hoạ

hoạt t

t tí

nh cao (lithium,

sodium, potassium, and so

sodium, potassium, and so on)

on)

kế

ết th

t thú

úc

c bên

bên phả

phải l

i là

àc

cá

ác kh

c khí

í trơ

trơ (neon, argon, krypton,

(neon, argon, krypton,

and so

on).

Vậ

ật lý l

t lý lượ

ượng t

ng tử giả

ử giải th

i thí

ích c

ch cá

ác t

c tí

ính ch

nh chấ

ất h

t hó

óa h

a họ

ọc c

c củ

ủa c

a cá

c nguyên

tố

ố n

nà

ày.

Số

ố l

lượ

ượng c

ng cá

ác nguyên t

c nguyên tố

ố trong s

trong sá

áu chu k

u chu kỳ

ỳ l

là

2, 8,

2, 8, 8

8, 18, 18, and 32

, 18, 18, and 32.

Vậ

ật lý l

t lý lượ

ượng t

ng tử

ử d

dự

ự đo

đoá

án tr

n trướ

ước c

c cá

ác con s

c con số

ố n

nà

ày.

Modern Physics 11

Cá

ác nguyên t

c nguyên tử

ử ph

phá

át x

t xạ

ạ v

và

à h

hấ

ấp t

p thụ

hụ á

ánh s

nh sá

áng



C

Cá

ác nguyên t

c nguyên tử chỉ

ử chỉ c

có

ó th

thể

ể t

tồ

ồn t

n tạ

ại trong c

i trong cá

ác t

c trạ

rạng th

ng thá

ái l

i lượ

ượng

tử

ử gi

giá

án đ

n đoạ

oạn,

n, t

từ

ừng tr

ng trạ

ạng th

ng thá

ái c

i có

ó năng l

năng lượ

ượng x

ng xá

ác đ

c đị

ịnh

nh.



Nguyên t

Nguyên tử

ử c

có

ó th

thể

ể chuy

chuyể

ển d

n dờ

ời t

i từ trạ

ừ trạng th

ng thá

ái n

i nà

ày sang t

y sang trạ

rạng

thá

ái kh

i khá

ác b

c bằ

ằng c

ng cá

ách ph

ch phá

át x

t xạ

ạ á

ánh s

nh sá

áng

ng (

(nh

nhẩ

ẩy xu

y xuố

ống m

ng mứ

ức c

c có

năng l

năng lượ

ượng th

ng thấ

ấp hơn

p hơn E

E1o

1ow

w) h

) ho

oặ

ặc b

c bằ

ằng c

ng cá

ách h

ch hấ

ấp t

p thụ

hụ á

ánh s

nh sá

(nh

(nhẩ

ẩy lên m

y lên mứ

ức năng l

c năng lượ

ượng cao hơn

ng cao hơn E

Ehigh

high).



Á

Ánh s

nh sá

áng đ

ng đượ

ược ph

c phá

át x

t xạ

ạ hay h

hay hấ

ấp t

p thụ

hụ d

dướ

ưới d

i dạ

ạng photon v

ng photon vớ

ới

năng l

năng lượ

ượng

ng:

:hv

hv =

= E

Ehigh

high -

-E

Elow

low

Như v

Như vậ

ậy, thay v

y, thay vì

ìt

tì

ìm t

m tầ

ần s

n số củ

ố của

a á

ánh s

nh sá

áng b

ng bứ

ức x

c xạ

ạ hay h

hay hấ

ấp t

p t

hụ

đơn

đơn giả

giản th

n thà

ành v

nh vấ

ấn

n đề

đề t

tì

ìm

m năng l

năng lượ

ượng

ng củ

của t

a trạ

rạng th

ng thá

ái l

i lượ

ượng t

ng t

ử

củ

của nguyên t

a nguyên tử

ử.

Vậ

ật lý l

t lý lượ

ượng t

ng tử

ử cho ph

cho phé

ép ch

p chú

úng ta

ng ta –

–í

ít nh

t nhấ

ất v

t về

ề nguyên t

nguyên tắ

ắc

c–

–

tí

ính to

nh toá

án c

n cá

ác năng l

c năng lượ

ượng n

ng nà

ày.

y. Modern Physics 12

Cá

ác nguyên t

c nguyên tử

ử c

có

óMoment

Moment g

gó

óc v

c và

à T

Từ

ừ t

tí

ính

Mô hình cổ điển cho thấy hạt có

khối lượng mvà điện tích -e

chuyển động với vận tốc υ trong

đường tròn bán kính. Các hạt

chuyển động có moment góc

, trong đó là

moment tuyến tính của nó.

Chuyển động của hạt tương đương

với dòng theo mạch vòng và theo

đó có moment từ , với hướng

ngược chiều với L.

prL



x











Modern Physics 13

Thí

í nghi

nghiệ

ệm

mEinstein

Einstein –

–de Haas

de Haas

Năm 1915, Albert Einstein và nhà vật lý người Hà lan W. J. de Haas đã

tiến hành thí nghiệm thiết kế để chứng minh rằng moment góc và

moment từ của các nguyên tử cá biệt là kết hợp.

Einstein và de Haas treo hình trụ bằng sắt lên 1 sợi dây mảnh. Modern Physics 14

3.3 S

3 Spin c

pin củ

ủa đi

a điệ

ện t

n tử

ử



Cho dù điện tử bị bẫy trong nguyên tử hay tự do đều có

moment góc spin nội, đơn giản thường được gọi là spin.

(nhắc lại “nội” nghĩa là là đặc trưng căn bản của điện tử,

giống như khối lượng và điện tích của nó.)

Độ lớn của bị lượng tử hóa, và phụ thuộc vào số lượng tử

spin s, luôn bằng ½cho điện tử (và protons, neutrons).

Thêm vào đó, thành phần của được đo dọc theo bất kỳ trục

nào bị lượng tử hóa và phụ thuộc vào số lượng tử từ spin ms,

vốn chỉ có thể có hai giá trị + ½ or - ½.



Modern Physics 15

Trong v

Trong vậ

ật lý l

t lý lượ

ượng t

ng tử

ử, moment g

, moment gó

óc spin t

c spin tố

ốt nh

t nhấ

ất nên hi

t nên hiể

ểu l

u là

mộ

ột

t t

tí

ính ch

nh chấ

ất n

t nộ

ội

i c

có

ó th

thể

ể đo đ

đo đượ

ược

c củ

của đi

a điệ

ện t

n tử

ử;

; đơn

đơn giả

giản l

n là

à bạ

bạ

không th

không thể

ể h

hì

ình dung n

nh dung nó

ó v

vớ

ới mô h

i mô hì

ình c

nh cổ

ổ đi

điể

ển.

Bây gi

Bây giờ

ờ ta c

ta có

ó th

thể

ể m

mở

ở r

rộ

ộng danh s

ng danh sá

ách c

ch cá

ác s

c số

ố l

lượ

ượng t

ng tử

ử bao g

bao gồ

ồ

cả

cả s

và

àm

Modern Physics 16

Trạng thái lượng tử của điện tử trong nguyên tử

hydro hay

bất kỳ nguyên tử khác nào đề

đều ho

u hoà

àn to

n toà

àn đ

n đượ

ược đ

c đặ

ặ

c trưng

bở

ởi

i bộ năm số lượng tử.



M

Mộ

ột

t lớp đ

đượ

ược t

c tạ

ạo nên b

o nên bở

ởi t

i tấ

ất c

t cá

ác c

c cá

ác t

c trạ

rạng th

ng thá

ái c

i có

ócùng

giá trị n.



B

Bằ

ằng c

ng cá

ách t

ch tí

ính c

nh cá

ác gi

c giá

á trị

trị đ

đượ

ược ph

c phé

ép c

p củ

ủa

a ℓ

ℓv

và

àm

mℓ

ℓsau đ

sau đó

nhân đôi

nhân đôi để

để t

tí

ính cho hai gi

nh cho hai giá

á trị

trị đ

đượ

ược ph

c phé

ép c

p củ

ủa

a m



M

Mộ

ột l

t lớ

ớp đ

p đượ

ược x

c xá

ác đ

c đị

ịnh b

nh bở

ởi s

i số

ố l

lượ

ượng t

ng tử

ử n

có

ó2n2 trạ

trạ

thá

ái.



M

Mộ

ột

ttiểu lớpđ

đượ

ược t

c tạ

ạo th

o thà

ành b

nh bở

ởi t

i tấ

ất c

t cả

ả c

cá

ác t

c trạ

rạng th

ng thá

ái v

i vớ

ới

cù

ùng m

ng mộ

ột b

t bộ

ộ gi

giá

á trị củ

trị của

a nv

và

àℓv

và

àcó cùng giá trị năng

lượng.



Ti

Tiể

ểu l

u lớ

ớp đ

p đượ

ược x

c xá

ác đ

c đị

ịnh b

nh bằ

ằng s

ng số

ố l

lượ

ượng t

ng tử

ử ℓ

ℓc

có

ó2(2ℓ+ 1)

trạ

trạng th

ng thá

ái.

Modern Physics 17

3.4 C

4 Cá

ác moment g

c moment gó

óc v

c và

à moment l

moment lưỡ

ưỡng c

ng cự

ực t

c từ

ừ

Từng trạng thái lượng tử của điện tử trong

nguyên tử luôn đi v

luôn đi vớ

ới

i moment góc quỹ đạo

và

àmoment lưỡng cực từ quỹ đạo tương

tương

ứ

ứng

ng.

Từng đi

điệ

ện t

n tử

ử,

,cho d

cho dù

ù bị

bị b

bẫ

ẫy trong nguyên

y trong nguyên

tử

ử hay l

hay là

à t

tự

ự do, c

do, có

ómoment góc spin v

và

moment lưỡng cực từ spin tương

tương ứ

ứng

ng.

Modern Physics 18

Moment

Moment g

gó

óc q

c quỹ

uỹ đ

đạ

ạo v

o và

à t

từ

ừ t

tí

ính

Độ

Độ l

lớ

ớn

n L

L củ

của

a moment góc quỹ đạo củ

của đi

a điệ

ện t

n tử

ử trong

trong

nguyên t

nguyên tử

ử bị

bị l

lượ

ượng t

ng tử

ử h

hó

óa;

a; nghĩ

nghĩa l

a là

à, n

, nó

ó chỉ

chỉ c

có

ó th

thể

ể c

có

ó nh

nhữ

ững gi

ng giá

trị

trị x

xá

ác đ

c đị

ịnh. N

nh. Nh

hữ

ững gi

ng giá

á trị

trị n

nà

ày b

y bằ

ằng

ng:



 )1( L





-

- Số lượng tử quỹ đạo

=

= 0, 1, 2, 3

0, 1, 2, 3…

…(

n -

-1)

Lưỡ

ưỡng c

ng cự

ực t

c từ

ừ c

có

ómoment lưỡng cực từ quỹ đạo , v

, vố

ố

liên quan t

liên quan tớ

ới moment g

i moment gó

óc q

c quỹ

uỹ đ

đạ

ạo b

o bở

ởi:

orb





orb







 

 1



orb



Modern Physics 19

Ta hãy tưởng tượng rằng nguyên tử đang nằm trong từ trường

B; giả thiết rằng trục z mở rộng theo hướng của các đường sức

tại vị trí của nguyên tử. Tiếp đó ta có thể đo thành phần z của

µorb và L dọc theo trục này. Thành phần µorb,z được tính bằng:



Bzorb











mLz









= 9,274 . 10-24 J /T =5,788 . 10-5 eV /T

mℓ

ℓ-

-s

số

ố l

lượ

ượng t

ng tử

ử t

từ quỹ

ừ quỹ đ

đạ

ạo

µB

B–

–Bohr magneton

Bohr magneton

Thành phần Lz của moment góc cũng bị lượng tử hóa, và được

tính bằng:



 ,....2,1,0m

Lượng tử hóa

không gian Modern Physics 20

Fig.

g. (a) C

(a) Cá

ác gi

c giá

á trị

trị đ

đượ

ược ph

c phé

ép c

p củ

ủa

a L

z đ

đố

ối v

i vớ

ới đi

i điệ

ện t

n tử

ử trong tr

trong trạ

ạng th

ng thá

ái

vớ

ới

i ℓ

ℓ= 2

= 2.

.Đố

Đối v

i vớ

ới t

i từ

ừng vector c

ng vector củ

ủa moment g

a moment gó

óc q

c quỹ

uỹ đ

đạ

ạo

o L

Ltrong

trong

hì

ình,

nh, t

tồ

ồn t

n tạ

ại m

i mộ

ột vector c

t vector chỉ

hỉ theo h

theo hướ

ướng ng

ng ngượ

ược l

c lạ

ại,

i, th

thể

ể hi

hiệ

ện đ

n độ

ộ

lớ

ớn v

n và

à h

hướ

ướng c

ng củ

ủa moment l

a moment lưỡ

ưỡng c

ng cự

ực t

c từ quỹ

ừ quỹ đ

đạ

ạo

o µ

µorb

orb. (b) C

. (b) Cá

ác h

c hì

ình

côn c

côn củ

ủa c

a cá

ác h

c hướ

ướng c

ng có

ó th

thể củ

ể của





mLz





cos







Chapter 3: Nguyên tử

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi