14-4氢原子光谱和玻尔的量子论.ppt

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1、 15-4 氢原子光谱和玻尔的量子论氢原子光谱和玻尔的量子论量子理论发展进程中必须提及的贡献量子理论发展进程中必须提及的贡献首次把量子思想用到原子结构和原子光谱首次把量子思想用到原子结构和原子光谱 1.原子的核式原子的核式(行星行星)结构结构人们通过大量实验确认了人们通过大量实验确认了卢瑟福的原子核式模型卢瑟福的原子核式模型一、实验事实一、实验事实2.原子光谱原子光谱 离散的离散的线状谱线状谱1A即由此得来即由此得来。红红蓝蓝紫紫6562.84340.54861.31)氢原子的可见光光谱：氢原子的可见光光谱：。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom）测得氢可见光

2、光谱的红线测得氢可见光光谱的红线22)氢原子光谱的规律氢原子光谱的规律巴耳末公式巴耳末公式R称称为里德伯常量为里德伯常量则则巴耳末公式写成巴耳末公式写成3Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBrackett seriesLyman series紫外区紫外区红外区红外区可见光可见光后在后在实验上又进一步发现氢光谱的其他线系实验上又进一步发现氢光谱的其他线系需需进一步总结其光谱规律进一步总结其光谱规律4推广巴耳末公式推广巴耳末公式 得到广义巴耳末公式得到广义巴耳末公式Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBracke

3、tt seriesLyman series紫外区紫外区红外区红外区可可见见光光53)光谱项光谱项 里兹组合原理里兹组合原理 将氢原子光谱规律推广到一般发光将氢原子光谱规律推广到一般发光 得得称为光谱项称为光谱项二、经典物理的困难二、经典物理的困难 1.怎么解释原子是稳定的怎么解释原子是稳定的 按照经典理论按照经典理论 电子绕着原子核在高速旋转电子绕着原子核在高速旋转 将不断辐射电磁波将不断辐射电磁波 能量的不断减少能量的不断减少 最终最终 电子将电子将坍缩坍缩到原子核上到原子核上 2.怎么怎么解释原子的线状谱解释原子的线状谱 经典电动力学无能为力经典电动力学无能为力6三、玻尔的量子论三、玻尔的

4、量子论1.关于原子的三条假设关于原子的三条假设 以普朗克能量子和爱因斯坦光子概念为基础以普朗克能量子和爱因斯坦光子概念为基础 1)定态假设定态假设 原子系统只能处在一系列不连续的能量状态原子系统只能处在一系列不连续的能量状态 这些状态称为原子系统的稳定状态这些状态称为原子系统的稳定状态 简称简称定态定态 相应能量分别记为相应能量分别记为 E1,E2,E3,(E1E2E3)7 2)跃迁假设跃迁假设(频率条件频率条件)当原子从一个能量为当原子从一个能量为En的定态跃迁到另一个的定态跃迁到另一个 能量为能量为Em的定态时发射的定态时发射(或吸收或吸收)一个一个 频率为频率为 的光子的光子 频率条件是

5、频率条件是3)角动量量子化假设角动量量子化假设 定态时定态时 角动量取值是量子化的角动量取值是量子化的 量子化条件是量子化条件是8 定态假设定态假设跃迁假设跃迁假设角动量量子化假设角动量量子化假设 2.玻尔对氢原子的工作玻尔对氢原子的工作 根据三条假设根据三条假设 1)求出了氢原子的能级公式求出了氢原子的能级公式9电子轨道半径m rv库仑力向心力由 角动量量子化条件库仑力向心力hL=m v r=n =n h 2p联立解得n=1,2,3,时，为电子轨道的最小半径称为 玻尔半径 表成则氢原子的可能轨道半径为即玻尔氢原子理论中电子定态轨道半径 的计算10能量公式氢原子的能量公式电子在 轨道上运动具有

6、的总能量 是 之和动能势能设无穷远势能为零，则时，氢原子最低能态基 态能量量子化的各个定态，称为 激发态。欲将电子从基态电离，摆脱氢原子的束缚二变为自由态，外界至少要供给电子的能量为称为 电离能11氢光谱导出公式玻尔的氢原子理论导出的 氢原子光谱规律公式得波数为此理论值与里德伯常量 R 符合得相当好及 由n跃迁到m(n m)的频率条件由(eV)-13.6-3.39-1.51-0.54123458赖曼系巴耳末系帕邢系布喇开系普芳德系氢原子的能级跃迁及谱线系-0.8512算例氢原子受到能量为E=12.2eV 的电子轰击氢原子可能辐射的谱线波长(eV)-13.6-3.39-1.51-0.541234

7、58-0.85 氢原子吸收 E,从基态 E1可能跃迁至某激发态 EnE=En E1=E1 nE12=n1+E/E11 3=R(-)1/l1/l3232221321l l3232=6.56310 (m)-7可见l l2121=1.21510 (m)-7=R(-)1/l1/l2121121221紫外l l3131=1.02610 (m)-7=R(-)1/l1/l3131121321紫外132)氢原子光谱线的波数公式氢原子光谱线的波数公式 3.玻尔的贡献玻尔的贡献 1)成功地揭开了成功地揭开了“巴耳末公式之迷巴耳末公式之迷”2)首次打开了人们认识原子结构的大门首次打开了人们认识原子结构的大门 3)定

8、态和频率假设在原子结构和分子结构定态和频率假设在原子结构和分子结构 的现代理论中仍是重要概念的现代理论中仍是重要概念 4)为量子力学的建立奠定了基础为量子力学的建立奠定了基础 但他的但他的 理论理论是是半经典的半经典的 仍保留了仍保留了“轨道轨道”概念概念144.能级分立的实验验证能级分立的实验验证 -夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验 1)原理原理 利用电子碰撞基态水银原子利用电子碰撞基态水银原子 若原子能量是一份一份的若原子能量是一份一份的(能级能级)则电子损失能量也是一份一份的则电子损失能量也是一份一份的激发态激发态基态基态152)物理图像物理图像若电子动能若电子动能 EKE2-E1 则电子

9、损失则电子损失一部分一部分能量能量 电子将走得慢些电子将走得慢些若电子动能若电子动能 EKE2-E1 则电子可能会则电子可能会 连续损失几个的连续损失几个的E2-E1能量能量163)实验装置及实验结果实验装置及实验结果174)实验过程实验过程 观察电流变化观察电流变化 如果电流下降如果电流下降 说明电子损失能量说明电子损失能量 所以要所以要单调地升电压单调地升电压 观察全过程观察全过程 中电压在什么中电压在什么值值时电流下降时电流下降(电子损失能量电子损失能量)发现电流下降对应的相邻电压值差为发现电流下降对应的相邻电压值差为4.9V18根据发光的频率条件可知根据发光的频率条件可知水银原子的基态

10、和第水银原子的基态和第1激发态的能量差是激发态的能量差是从而证明了能级分立从而证明了能级分立19 玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很大的贡献大的贡献-1922年玻尔获诺贝尔物理奖年玻尔获诺贝尔物理奖玻尔正在讲解他的玻尔正在讲解他的互补原理互补原理 玻尔（左）和玻尔（左）和 海森伯（中）海森伯（中）泡利（右）在一起泡利（右）在一起20 玻尔与五子玻尔与五子玻尔研究所玻尔研究所哥本哈根学派哥本哈根学派 在玻尔研究所里学术空气在玻尔研究所里学术空气 很浓，很浓，玻玻 尔演讲后与听众踊跃讨论尔演讲后与听众踊跃讨论(左上图左上图)。玻尔婉拒卢瑟福和普朗克的邀请，

11、留在丹玻尔婉拒卢瑟福和普朗克的邀请，留在丹 麦工作。麦工作。21总结：总结：氢原子光谱和玻尔的量子论氢原子光谱和玻尔的量子论 一、原子的核型结构模型及其与经典理论的矛盾一、原子的核型结构模型及其与经典理论的矛盾 汤姆孙汤姆孙模型模型卢瑟福的核型结构模型卢瑟福的核型结构模型经典物理学理论的两点结论：经典物理学理论的两点结论：(1)原子不断地向外辐射电磁波，原子不断地向外辐射电磁波，随着电子运动轨道半径的不断减随着电子运动轨道半径的不断减小，辐射的电磁波的频率将发生小，辐射的电磁波的频率将发生连续变化；连续变化；(2)原子的核型结构是不稳定结构，绕核旋转的电子原子的核型结构是不稳定结构，绕核旋转的

12、电子最终将落到原子核上。最终将落到原子核上。经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的。原子发光经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的。原子发光的光谱是线光谱，而不是经典物理学理论所预示的连续谱。的光谱是线光谱，而不是经典物理学理论所预示的连续谱。22二、氢原子光谱的规律性二、氢原子光谱的规律性 为里德伯常数为里德伯常数称为巴耳末系称为巴耳末系见光范围内氢原子光谱的四条谱线见光范围内氢原子光谱的四条谱线 波数波数紫外区、红外区和远红外区的谱线的波数紫外区、红外区和远红外区的谱线的波数 莱曼系莱曼系 23帕邢系帕邢系 布拉开系布拉开系 普丰德系普丰德系 将上述五个公式综合为一个公式：将上述五

13、个公式综合为一个公式：也可以写为也可以写为 其中其中 光谱项光谱项 把对应于任意两个不同整数的光谱项合并起来组成把对应于任意两个不同整数的光谱项合并起来组成它们的差，便得到氢原子光谱中一条谱线的波数，它们的差，便得到氢原子光谱中一条谱线的波数，这个规律称为这个规律称为组合原理组合原理。24三、玻尔的量子论三、玻尔的量子论 玻尔量子论的三个假设：玻尔量子论的三个假设：1 定态假设定态假设：原子处于一系列不连续的原子处于一系列不连续的稳定状态稳定状态。具有一定的能量、不辐射电磁波。具有一定的能量、不辐射电磁波。3 跃迁假设跃迁假设2 角动量量子化角动量量子化对于氢原子，对于氢原子，由库仑定律和牛顿

14、第二定律，得由库仑定律和牛顿第二定律，得轨道半径和运动速率轨道半径和运动速率为为25玻尔玻尔半径半径氢原子系统的总能量氢原子系统的总能量 电子由电子由n跃迁到跃迁到k(n)时，发出光子的频率为时，发出光子的频率为 对应的波数为对应的波数为 26式中式中 代入数据，得代入数据，得R=1.097373 107 m-1 此理论值与里德伯常量的实验值符合得很好。此理论值与里德伯常量的实验值符合得很好。尽管玻尔的量子理论在氢原子问题上取得了很大尽管玻尔的量子理论在氢原子问题上取得了很大 成功，但是由于这个理论是经典力学与量子化条件成功，但是由于这个理论是经典力学与量子化条件 相结合的产物，必然存在自身无法克服的局限性。相结合的产物，必然存在自身无法克服的局限性。所以，它必定要被另一新的理论所以，它必定要被另一新的理论 量子力学量子力学所取代。所取代。27点击深色键返回原处点击深色键返回原处(N.H.Bohr ,18851962)28