15-4 氢原子光谱和玻尔的量子论.ppt

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1、电子的发现电子的发现1858年年德国物理学家德国物理学家普鲁克普鲁克利用盖斯勒放电利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色辉光；出现了美丽的绿色辉光；1876年年德国物理学家德国物理学家哥尔德斯坦哥尔德斯坦证实这种绿证实这种绿色辉光是由阴极上所产生的某种射线射到玻色辉光是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射阴极射线线”。15-4 氢原子光谱和玻尔的量子氢原子光谱和玻尔的量子论论 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 法国

2、物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波，英国物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了一、二十年，促使许多物理学家进行很有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆逊解决了。1897年，J.J.汤姆逊发现，不管怎样改变放电管中的气体的种类，也不管怎样改变电极的材料，阴极射线粒子的荷质比始终保持不变，这就意味着阴极射线是一种荷质比完全确定的粒子流所组成的，由此断定，这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。1897年8月，J.J.汤姆逊把他的发现写成论文“阴极射线”，10月发表在哲学杂志上。1910年，密立根年，密立根(R.A.Millikan)精确测定电子精确测定电子 的电荷值

3、；的电荷值；e=-1.60217653(14)10-19 Cme=9.1093826(16)10-31 Kg电子质量电子质量原子质量原子质量 电子的发现再一次否定了原子不可分的观念，电子是第一个被发现的微观粒子，电子的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用。J.J.汤姆逊由于发现电子而于1906年荣获诺贝尔物理学奖，J.J.汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。电子的发现在科学技术上诱发了电子时代的来临，1904年，A.弗莱明发明了二极电子管，1906年，L.德弗莱斯特(L.de Forest)发明了三极管。真空管的发明，使电力通讯、控制合自动化生产很快发展。晶体管集成电路

4、的发明，使人类进入微电子科技时代。J.J.汤姆逊，1856年12月18日生于英国，1884年任卡文迪许实验室教授，这个实验室在他的领导下，成了全世界引人注目的物理实验中心，世界各地的科学家常来这里开展研究工作，其中有八位后来获得诺贝尔奖，如卢瑟福、威尔逊、巴克拉）、G.P.汤姆逊等，如后表所示，这八位获奖者是他直接培养过的，卡文迪许实验室获得诺贝尔奖的共有25人次。获奖者获奖者获奖时间和奖项获奖时间和奖项获奖原因获奖原因E.卢瑟福卢瑟福1908化学奖化学奖研究元素蜕变和放射性化学研究元素蜕变和放射性化学W.H.布拉格布拉格1915物理学奖物理学奖用用X射线法分析晶体结构射线法分析晶体结构W.L

5、.布拉格布拉格C.G.巴尔克拉巴尔克拉1917物理学奖物理学奖发现元素的特征发现元素的特征X射线辐射射线辐射F.W.阿斯顿阿斯顿1922化学奖化学奖研究原子的结构和辐射研究原子的结构和辐射C.T.R.威尔逊威尔逊1927物理学奖物理学奖用蒸汽凝聚使带电粒子可见的方法用蒸汽凝聚使带电粒子可见的方法O.W.里查森里查森1928物理学奖物理学奖发发现现电电子子放放射射决决定定于于温温度度的的里里查查森森定律定律G.P.汤姆逊汤姆逊1937物理学奖物理学奖用用电电子子照照射射实实验验发发现现晶晶体体内内的的干干涉涉现象现象1903年年J.J.汤姆孙提出：原子中的汤姆孙提出：原子中的正电荷和原子的质量均

6、匀地分布正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为在半径为10-10m的球体范围内的球体范围内，而原子中的电子浸于此球中。而原子中的电子浸于此球中。1 1、原子的葡萄干蛋糕模型、原子的葡萄干蛋糕模型缺点：缺点：不能解释正负电荷不中和；不能解释正负电荷不中和；不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释不解释粒子大角度散射。粒子大角度散射。2 2、粒子散射实验粒子散射实验大部分大部分粒子穿过金箔后只偏转很小的角度；但是在实粒子穿过金箔后只偏转很小的角度；但是在实验中竟然发现有少量验中竟然发现有少量粒子的偏转角度大于粒子的偏转角度大于900，甚至约，甚至约有几万分之一的粒子被向后散

7、射了。有几万分之一的粒子被向后散射了。粒子大角度散射否定了汤姆孙的原子模型。粒子大角度散射否定了汤姆孙的原子模型。3 3、卢瑟福的原子有核模型或行星模型卢瑟福的原子有核模型或行星模型1911年，年，卢瑟福卢瑟福提出原子提出原子有核模型有核模型或称或称行星模型行星模型：原子的中心有一个带正电的：原子的中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的大小与整个电子围绕这个核旋转，核的大小与整个原子相比是很小的。原子相比是很小的。原子的有核模型可以原子的有核模型可以解释粒子的大角度散射问题。解释粒子的大角度散射问题。4 4、卢瑟福的原

8、子有核模型的困难、卢瑟福的原子有核模型的困难行星式原子模型存在两大困难：行星式原子模型存在两大困难：2 2、是在坍塌前原子连续辐射，应得、是在坍塌前原子连续辐射，应得、是在坍塌前原子连续辐射，应得、是在坍塌前原子连续辐射，应得连续的原子光谱连续的原子光谱连续的原子光谱连续的原子光谱。实际上，原子没有发生坍塌；实际上，原子没有发生坍塌；实际上，原子没有发生坍塌；实际上，原子没有发生坍塌；实验上，原子光谱是分实验上，原子光谱是分实验上，原子光谱是分实验上，原子光谱是分立的线光谱立的线光谱立的线光谱立的线光谱。1 1、原子坍塌原子坍塌原子坍塌原子坍塌，电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运，电子绕核做椭

9、圆运动，这是一种加速运，电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运，电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射能动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射能动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射能动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射能量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要1010-8-8秒，电子就会落到核上，发生坍塌；秒，电子就会落到核上，发生坍塌；秒，电子就会落到核上，发生坍塌；秒，电子就会落到核上，发生

10、坍塌；经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的：原子在正常情况下并不辐射能量；原子在正常情况下并不辐射能量；原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。原子的结构是稳定的。原子的结构是稳定的。二、氢原子光谱的规律性二、氢原子光谱的规律性 氢原子的巴耳末线系照片氢原子的巴耳末线系照片 可见光范围内氢原子光谱的四条谱线的波长：可见光范围内氢原子光谱的四条谱线的波长：B=364.57 nm巴耳末系巴耳末系n=3,4,5,6,为为里德伯常数里德伯常数1916年，年，莱曼系莱曼系 紫外光区紫外光区1885年，年，巴耳末系巴耳末系

11、 可见光区可见光区1908年，年，帕邢系帕邢系 红外光区红外光区1922年，年，布拉开系布拉开系 红外光区红外光区1924年，年，普丰德系普丰德系 红外光区红外光区将上述五个公式综合为一个公式：将上述五个公式综合为一个公式：k和和n都是正整数，且都是正整数，且 k n。其中其中 光谱项光谱项 把对应于任意两个不同正整数的光谱项合并起来组把对应于任意两个不同正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，成它们的差，便得到氢原子光谱中一条谱线的波数，这个规律称为里兹这个规律称为里兹组合原理组合原理。三、氢三、氢原子的玻尔理论原子的玻尔理论1 1、玻尔的基本假设玻尔的基本假设

12、定态假设定态假设：原子存在一系列原子存在一系列不连续不连续的的稳定状态，稳定状态，即即定态定态。处于定态中的电子虽然作相应的。处于定态中的电子虽然作相应的圆周圆周轨道轨道运动，但不辐射电磁波。运动，但不辐射电磁波。角动量量子化假设角动量量子化假设：n 主量子数主量子数量子化条件：量子化条件：电子以速度电子以速度在半径为在半径为r的圆周上绕核运的圆周上绕核运动时，只有电子角动量动时，只有电子角动量L等于等于h/(2p p)的整数倍的那些的整数倍的那些轨道才是稳定的轨道才是稳定的跃迁假设跃迁假设：原子中的电子从一个轨道跳跃到另一个轨道时，对原子中的电子从一个轨道跳跃到另一个轨道时，对应于原子系统从

13、一个定态跃迁到另一个定态；只有应于原子系统从一个定态跃迁到另一个定态；只有在此时原子才辐射或吸收一个光子，光子的能量为：在此时原子才辐射或吸收一个光子，光子的能量为：2、氢原子的轨道和能量：、氢原子的轨道和能量：轨道半径轨道半径运动速率运动速率玻尔半径玻尔半径n=1r=r1n=2r=4r1n=3r=9r1n=4r=16r1氢原子系统的总能量氢原子系统的总能量 原子的一系列定态的能量是不连续的，即原子的一系列定态的能量是不连续的，即原子能原子能量状态的量子化量状态的量子化。每一个能量值称为。每一个能量值称为原子的能级原子的能级。氢原子的能级公式氢原子的能级公式基态能量，亦即氢原子基态能量，亦即氢原子的电离能的电离能1234氢原子能级图氢原子能级图65n=1 基态基态n=2,3,激发态激发态将玻尔的氢原子理论应用于光谱实验将玻尔的氢原子理论应用于光谱实验电子由电子由n级激发态跃迁到级激发态跃迁到k级激发态（或基态）级激发态（或基态）(k5.6 eV碰撞是完全弹性的。碰撞是完全弹性的。