氢原子光谱 +玻尔理论03.ppt

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1、赵言诚赵言诚77 氢氢氢氢原子线状光谱原子线状光谱原子线状光谱原子线状光谱 玻尔玻尔玻尔玻尔氢氢氢氢原子理论原子理论原子理论原子理论一、一、氢氢原子光谱的规律性原子光谱的规律性卢瑟福卢瑟福(ErnestRutherford,18711937)英国英国物理学家。物理学家。1871年年8月月30日生于日生于新西兰新西兰纳尔逊的一纳尔逊的一个手工业工人家庭。并在新西兰长大。他进入新西个手工业工人家庭。并在新西兰长大。他进入新西兰的坎特伯雷学院学习。兰的坎特伯雷学院学习。23岁时获得了三个学位岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）（文学学士、文学硕士、理学学士）1895年在新西年在新西兰大

2、学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生。文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生。1898年，在年，在汤姆孙汤姆孙的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教授。他在那儿呆了授。他在那儿呆了9年。于年。于1907年返回英国出任曼年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任。彻斯特大学的物理系主任。1919年接替退休的汤姆年接替退休的汤姆孙，担任卡文迪许实验室主任。孙，担任卡文迪许实验室主任。1925年当选为英国年当选为英国皇家学会主席。皇家学会主席。1931年受封为纳尔逊男爵，年受封为纳尔逊男爵，1

3、937年年10月月19日因病在剑桥逝世，与日因病在剑桥逝世，与牛顿牛顿和和法拉第法拉第并排安并排安葬，享年葬，享年66岁。岁。1908获诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖赵言诚赵言诚粒子粒子:质量是电子的质量是电子的7500倍；倍；电量是电子的电量是电子的2倍倍选其速度选其速度v=c/15RDFSM结果：大多数结果：大多数 粒子经过粒子经过金属箔后与原来运金属箔后与原来运动方向偏离不多，动方向偏离不多，较小；少数较小；少数 粒子粒子的的 角很大，有的角很大，有的近似近似1800，几乎被，几乎被弹回！弹回！R:粒子粒子源；源；D：狭缝；狭缝；F：金属箔；金属箔；S：可沿圆弧运动的可沿圆弧运动的荧光屏荧光

4、屏M：放大镜；放大镜；：散射角。：散射角。1、卢瑟福的核式模型或称行星模型卢瑟福的核式模型或称行星模型赵言诚赵言诚 卢瑟福原子有核模型卢瑟福原子有核模型原子中央是一个几乎占有原子中央是一个几乎占有全部原子质量的带有正电全部原子质量的带有正电的核，电子在核的周围绕的核，电子在核的周围绕核运动。核的半径比原子核运动。核的半径比原子半径小得多，约为半径小得多，约为10-1410-15m2、氢、氢原子光谱的规律原子光谱的规律1885年巴耳末在研究原子光谱规律时发现，氢原子光年巴耳末在研究原子光谱规律时发现，氢原子光谱在可见光波段的几条谱线呈规律性分布。如下图所示。谱在可见光波段的几条谱线呈规律性分布。

5、如下图所示。赵言诚赵言诚氢原子在可见光波段的线光谱氢原子在可见光波段的线光谱（实验测定）（实验测定）称称为里德伯常数为里德伯常数称为巴耳末系称为巴耳末系经验公式经验公式H H H HH656.3nm486.3nm434.0nm410.1nm364.6nm光谱光谱学中，经常用波数表示：学中，经常用波数表示：赵言诚赵言诚莱曼系莱曼系紫外紫外巴尔末系巴尔末系可见光可见光帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系普丰德系普丰德系汉弗莱系汉弗莱系红外红外从从20世纪初到世纪初到1924年，由赖曼等人相继发现了一系列谱线，其经验公式：年，由赖曼等人相继发现了一系列谱线，其经验公式：赵言诚赵言诚实验表明：氢原子光谱发波数

6、经验公式：实验表明：氢原子光谱发波数经验公式：对于确定的对于确定的组成一个线系。组成一个线系。对于不同的对于不同的m，则构成不同的线系。则构成不同的线系。1890年，里德伯、里兹等人，在研究了其他年，里德伯、里兹等人，在研究了其他元素后指出，光谱可分为若干系，波数可用两个元素后指出，光谱可分为若干系，波数可用两个函数的差值表示，即：函数的差值表示，即：T(m)、T(n)称为谱项。称为谱项。当当m一定时，由不同的一定时，由不同的n构成一个谱系；构成一个谱系；不同的不同的m构成不同的谱系。构成不同的谱系。3、里兹并合原理、里兹并合原理赵言诚赵言诚4、原子光谱的实验规律、原子光谱的实验规律（1）谱线

7、的波数由两个谱项的差值决定；）谱线的波数由两个谱项的差值决定；（2）如果前项的参变量为定值，当后一谱项的参）如果前项的参变量为定值，当后一谱项的参变量给出不同值时，将给出同一谱系的不同变量给出不同值时，将给出同一谱系的不同谱线。谱线。（3）改变前谱项的参变量数值时，将给出不同谱）改变前谱项的参变量数值时，将给出不同谱系。系。由此可见：每一谱系的谱线都是分立的、不连续！由此可见：每一谱系的谱线都是分立的、不连续！赵言诚赵言诚二、二、玻尔氢原子理论及其局限性玻尔氢原子理论及其局限性1、卢瑟福的有核模型与经典理论的矛盾卢瑟福的有核模型与经典理论的矛盾+根据经典电磁理论，电子绕核作匀速根据经典电磁理论

8、，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波辐射电磁波.原子不断地向外辐射能量，原子不断地向外辐射能量，能量逐渐减小，电子绕核旋转的能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，发射光谱应是频率也逐渐改变，发射光谱应是连续谱；连续谱；由于原子总能量减小，电子由于原子总能量减小，电子将逐渐的接近原子核而后相遇，将逐渐的接近原子核而后相遇，原子不稳定原子不稳定.赵言诚赵言诚玻尔，玻尔，N(NielsHenrikDavidBohr18851962)丹麦物理学丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。家，哥本哈根学派的创始人。1885年年10月月7日生于哥

9、本哈根，日生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。年入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。1907年年以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖章，并先后于章，并先后于1909年和年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习，先哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习，先在剑桥在剑桥JJ汤姆孙主持的汤姆孙主持的卡文迪什实验室卡文迪什实验室，几个月后转赴曼彻，几个月后转赴曼彻斯特，参加了以斯特，参加了以

10、E卢瑟福为首的科学集体，从此和卢瑟福建立卢瑟福为首的科学集体，从此和卢瑟福建立了长期的密切关系。了长期的密切关系。1913年玻尔任曼彻斯特大学物理学助教，年玻尔任曼彻斯特大学物理学助教，1916年任哥本哈根大学物理学教授，年任哥本哈根大学物理学教授，1917年当选为丹麦皇家科年当选为丹麦皇家科学院院士。学院院士。1920年创建哥本哈根理论物理研究所，任所长。年创建哥本哈根理论物理研究所，任所长。1922年年玻尔荣获诺贝尔物理学奖。玻尔荣获诺贝尔物理学奖。1923年接受英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位。年接受英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位。1937年年5、6月间，玻尔曾经到过我国访

11、问和讲学。月间，玻尔曾经到过我国访问和讲学。1939年任丹麦皇家科学院院长。第二次世界年任丹麦皇家科学院院长。第二次世界大战开始，丹麦被德国法西斯占领。大战开始，丹麦被德国法西斯占领。1943年玻尔为躲避纳粹的迫害，逃往瑞典。年玻尔为躲避纳粹的迫害，逃往瑞典。1944年玻年玻尔在美国参加了和原子弹有关的理论研究。尔在美国参加了和原子弹有关的理论研究。1947年丹麦政府为了表彰玻尔的功绩，封他为年丹麦政府为了表彰玻尔的功绩，封他为“骑象勋爵骑象勋爵”。1952年玻尔倡议建立欧洲原子核研究中心年玻尔倡议建立欧洲原子核研究中心(CERN)，并且自任主席。，并且自任主席。1955年年他参加创建北欧理论

12、原子物理学研究所，担任管委会主任。同年丹麦成立原子能委员会，他参加创建北欧理论原子物理学研究所，担任管委会主任。同年丹麦成立原子能委员会，玻尔被任命为主席。玻尔被任命为主席。赵言诚赵言诚2 2 玻尔理论的三个假设玻尔理论的三个假设（1）定态假设：定态假设：原子处于一系列不连续稳定态。电子只原子处于一系列不连续稳定态。电子只能在一定轨道上作圆周运动，且不辐射能在一定轨道上作圆周运动，且不辐射能量。能量。（2）角动量量子化假设：电子绕核作圆周运动的轨道只角动量量子化假设：电子绕核作圆周运动的轨道只能取决于能取决于（3）跃迁假设：）跃迁假设：原子从一稳定态过度到另一稳定态吸收原子从一稳定态过度到另一

13、稳定态吸收或发出单色电磁辐射。即由光子假说和或发出单色电磁辐射。即由光子假说和能量守恒定律有能量守恒定律有赵言诚赵言诚3、玻尔理论的局限性玻尔理论的局限性逻辑上：逻辑上：（1）为什么氢原子内核与电子的静电为什么氢原子内核与电子的静电作用是有效的，而加速电子在定作用是有效的，而加速电子在定态时辐射电磁波的能力消失了。态时辐射电磁波的能力消失了。（2）对稳定态间跃迁过程中发射和吸）对稳定态间跃迁过程中发射和吸收辐射的原因不清。收辐射的原因不清。实际上：实际上：（1）对复杂的碱金属谱线难以说明。对复杂的碱金属谱线难以说明。即使是氦原子理论计算与实验结即使是氦原子理论计算与实验结果差距较大。果差距较大

14、。（2）不能解释谱线具有的精细结构，）不能解释谱线具有的精细结构，即每一条谱线在磁场中分裂成若干即每一条谱线在磁场中分裂成若干很近的谱线。很近的谱线。赵言诚赵言诚（1 1）正确地指出正确地指出原子能级原子能级的存在（原子能量量子化）；的存在（原子能量量子化）；（2 2）正确地指出正确地指出定态定态和和角动量量子化角动量量子化的概念；的概念；（3 3）正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；总结：总结：氢原子玻尔理论的意义和困难氢原子玻尔理论的意义和困难（4 4）无法解释无法解释比氢原子更复杂的原子；比氢原子更复杂的原子；（5 5）把微观粒子的运动视为有确定的把微观粒

15、子的运动视为有确定的轨道轨道是不正确的；是不正确的；（6 6）是是半半经典经典半半量子量子理论，存在逻辑上的缺点，即把理论，存在逻辑上的缺点，即把 微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又 赋予它们量子化的特征赋予它们量子化的特征.赵言诚赵言诚将角动量量子化将角动量量子化三、三、氢原子光谱规律的玻尔理论解释氢原子光谱规律的玻尔理论解释1、氢原子轨道半径和能量的计算氢原子轨道半径和能量的计算（1）轨道半径的计算轨道半径的计算核外电子的最小轨道半径称为核外电子的最小轨道半径称为玻尔半径玻尔半径相邻两轨道半径差：相邻两轨道半径差：赵言诚赵言诚氢原子的能级公

16、式氢原子的能级公式：（2）能量的计算能量的计算基态能量基态能量：赵言诚赵言诚2、氢原子光谱波数的公式推导氢原子光谱波数的公式推导里德伯常数里德伯常数的理论值：的理论值：赵言诚赵言诚n=4n=3n=2n=1r=r1r=4r1r=9r1r=16r1赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系赵言诚赵言诚En=hcR/n2hcR/25hcR/16hcR/9=-1.51eVhcR/4=-3.39eVhcR=-13.6eV126534赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系T=R/n2109677cm-12741cm-112186cm-16855cm-14387cm-1氢原子能级图氢原子能级

17、图赵言诚赵言诚 对玻尔理论的评价对玻尔理论的评价：成功地解释成功地解释了大小及氢原子光谱的规律性。大小及氢原子光谱的规律性。为人们认识微观世界和建立近代量子理论认识微观世界和建立近代量子理论打下了基础。对应原理：对应原理：当量子数当量子数n趋于趋于无限大时，量无限大时，量子理论得出的子理论得出的结果与经典理结果与经典理论的结果相一论的结果相一致，这是玻尔致，这是玻尔提出的。提出的。玻尔理论是经典与量子的混合物，玻尔理论是经典与量子的混合物，它保留了经典的确定性轨道，另它保留了经典的确定性轨道，另一方面又假定量子化条件来限制一方面又假定量子化条件来限制电子的运动。它不能解释稍微复电子的运动。它不

18、能解释稍微复杂的问题，正是这些困难，迎来杂的问题，正是这些困难，迎来了物理学的大革命了物理学的大革命。赵言诚赵言诚1914年，弗兰克（年，弗兰克（Franck.J.18821964）和赫兹在研究中发现电子）和赫兹在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明，与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持4.9eV，即汞原子只接，即汞原子只接收收4.9eV的能量。的能量。这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种

19、“完全确定的、完全确定的、互相分立的能量状态互相分立的能量状态”，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。由于他们的工作对原子物理学的发展起了重要作用，曾共同获得证据。由于他们的工作对原子物理学的发展起了重要作用，曾共同获得1925年的物理学诺贝尔奖。年的物理学诺贝尔奖。在本实验中可观测到电子与汞蒸汽原子碰撞时的能量转移的量子化在本实验中可观测到电子与汞蒸汽原子碰撞时的能量转移的量子化现象，测量汞原子的第一激发电位，从而加深对原子能级概念的理解。现象，测量汞原子的第一激发电位，从而加深对原子能级概念的理解。3、弗兰克弗兰克-赫兹实验赫兹实验赵言诚

20、赵言诚（1）弗兰克弗兰克-赫兹实验装置赫兹实验装置IpGvU0Ur赵言诚赵言诚（2）弗兰克弗兰克-赫兹实验结果赫兹实验结果U0 (V)IP 4.9 (eV)4.9 (eV)赵言诚赵言诚（3）弗兰克弗兰克-赫兹实验的理论分析赫兹实验的理论分析设汞原子的基态能量为设汞原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为，第一激发态的能量为E2,当当动能为动能为Ek的电子和汞原子相撞时：的电子和汞原子相撞时：1）若：若：电子不能使汞原子激发，电子的动能没有损失，电子不能使汞原子激发，电子的动能没有损失，在这种情况下，板极电流随加速电压而增加。在这种情况下，板极电流随加速电压而增加。2）若：若：汞原子可以从电子获得汞原子可以从电子获得E2-E1能量，汞原子由基态跃迁到激能量，汞原子由基态跃迁到激发态，电子把动能给了汞原子，在这种情况下，板极电流随发态，电子把动能给了汞原子，在这种情况下，板极电流随加速电压而急剧降低。加速电压而急剧降低。赵言诚赵言诚3）在实验中，我们得到两个数据）在实验中，我们得到两个数据从从实验中我们进一步证明：原子的能级确实存在，实验中我们进一步证明：原子的能级确实存在，而这些能级是不连续的，量子化的。而这些能级是不连续的，量子化的。