原子物理第2讲第二章氢原子光谱详解 (2).ppt
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1、原子物理第2讲第二章氢原子光谱详解 行星模型的困难行星模型的困难行星模型的困难行星模型的困难困难:原子的再生性 4 4、原子线状光谱问题、原子线状光谱问题1 1、原子稳定性问题、原子稳定性问题2 2、原子的同一性问题、原子的同一性问题3 3、原子的再生性问题、原子的再生性问题原子的结原子的结构到底如构到底如何?何?第二章 原子量子态 玻尔模型2.1 背景知识2.2 玻尔模型2.3 玻尔理论的修正和推广2.4 夫兰克赫兹实验2.1 背景知识2.1.2 黑体辐射2.1.3.光电效应2.1.1.光谱2.1.1 光谱光谱-研究原子结构的重要手段研究原子结构的重要手段一光谱及其分类一光谱及其分类一光谱及
2、其分类一光谱及其分类光谱光谱光谱光谱(spectrumspectrum)电磁辐射频率成分和强度分布的关系图电磁辐射频率成分和强度分布的关系图电磁辐射频率成分和强度分布的关系图电磁辐射频率成分和强度分布的关系图光源光源光源光源分光器(棱镜或光栅)分光器(棱镜或光栅)分光器(棱镜或光栅)分光器(棱镜或光栅)纪录仪纪录仪纪录仪纪录仪(感光(感光(感光(感光底片或底片或底片或底片或光电纪光电纪光电纪光电纪录器)录器)录器)录器)光谱仪光谱仪光谱仪光谱仪将混合光按不同波长成分展开成光谱的仪器。按光谱结构分类按光谱结构分类按光谱结构分类按光谱结构分类连续光谱连续光谱连续光谱连续光谱固体热辐射固体热辐射固体
3、热辐射固体热辐射线光谱线光谱线光谱线光谱原子发光原子发光原子发光原子发光第二章第二章 原子的能级和辐射原子的能级和辐射带光谱带光谱带光谱带光谱分子发光分子发光分子发光分子发光按光谱机制分类按光谱机制分类按光谱机制分类按光谱机制分类发射光谱发射光谱发射光谱发射光谱样品光源样品光源样品光源样品光源分光器分光器分光器分光器纪录仪纪录仪纪录仪纪录仪吸收光谱吸收光谱吸收光谱吸收光谱连续光源连续光源连续光源连续光源样品样品样品样品分光器分光器分光器分光器纪录仪纪录仪纪录仪纪录仪光谱由物质内部运动决定,包含内部结构信息光谱由物质内部运动决定,包含内部结构信息光谱由物质内部运动决定,包含内部结构信息光谱由物质
4、内部运动决定,包含内部结构信息最简单的原子光谱最简单的原子光谱?二氢原子光谱的线系二氢原子光谱的线系二氢原子光谱的线系二氢原子光谱的线系1.1.巴尔末系巴尔末系巴尔末系巴尔末系 (可见光区可见光区可见光区可见光区)光谱的研究从光谱的研究从光谱的研究从光谱的研究从18531853年年年年Angstron Angstron 发现发现发现发现 开始。开始。开始。开始。18851885年,已观察年,已观察年,已观察年,已观察到到到到1414条谱线,条谱线,条谱线,条谱线,BalmerBalmer经验公式经验公式经验公式经验公式线系限系限Hn=3H H Hn=4 n=5 n=6 记住!记住!189018
5、90年年年年里德堡(里德堡(里德堡(里德堡(RydbergRydberg)用波数改写)用波数改写)用波数改写)用波数改写:氢原子的氢原子的氢原子的氢原子的RydbergRydberg常数常数常数常数巴尔末线系限:巴尔末线系限:巴尔末线系限:巴尔末线系限:2.H2.H原子光谱的其它线系原子光谱的其它线系原子光谱的其它线系原子光谱的其它线系记住!记住!巴尔末系:巴尔末系:巴尔末系:巴尔末系:可可见见光光1914年 赖曼发现 赖曼系:赖曼系:1908年 帕邢发现 帕邢系:帕邢系:1922年布喇开发现 布喇开系布喇开系:1924年普芳德发现 普丰特系数:普丰特系数:普丰特系数:普丰特系数:紫紫外外区区
6、红红外外区区 线系的一般表示:线系的一般表示:线系的一般表示:线系的一般表示:3、里德伯公式、里德伯公式m=1,2,3,4,5.n=m+1,m+2,m+3 m=1 莱曼系莱曼系m=2 巴尔末系巴尔末系m=3 帕邢系帕邢系.记住!记住!结论:结论:(1)氢光谱中任何一条谱线的波数,都可以写成两)氢光谱中任何一条谱线的波数,都可以写成两个整数决定的函数之差。个整数决定的函数之差。(2)取)取m一定的值,一定的值,nm,可得到同一线系中各光谱,可得到同一线系中各光谱的波数值。的波数值。(3)改变公式中的)改变公式中的m值,就可得到不同的线系。值,就可得到不同的线系。令:令:令:令:光谱项光谱项光谱项
7、光谱项并合原则:并合原则:并合原则:并合原则:每一谱线的波数差都可表达为二光谱项之差每一谱线的波数差都可表达为二光谱项之差每一谱线的波数差都可表达为二光谱项之差每一谱线的波数差都可表达为二光谱项之差4、光谱项,并合原则光谱项,并合原则 记住!记住!综上所述,氢原子光谱有如下规律:综上所述,氢原子光谱有如下规律:(1)谱线谱线的波数由两个光的波数由两个光谱项谱项之差决定:之差决定:(2)当)当m保持定值,保持定值,n取大于取大于m的正整数时,可给的正整数时,可给出同一光谱系的各条谱线的波数。出同一光谱系的各条谱线的波数。(3)改变)改变m数值,可给出不同的光谱线系。数值,可给出不同的光谱线系。以
8、后将会看到,这三条规律对所有原子光谱都适以后将会看到,这三条规律对所有原子光谱都适用,所不同的只是各原子的光谱项的具体形式各用,所不同的只是各原子的光谱项的具体形式各有不同而已。有不同而已。这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性?这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性?这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性?这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性?5、经典理论的困难、经典理论的困难经典理论(行星模型)对原子体系的描述经典理论(行星模型)对原子体系的描述库仑力提供电子绕核运动的向心力:原子体系的能量:电子轨道运动的频率:经典理论的困难!原子稳定性原子稳定性困难困难:电子加速运动辐
9、射电磁波,能量不断损失,电子回转半径电子加速运动辐射电磁波,能量不断损失,电子回转半径不断减小,最后落入核内,原子塌缩。不断减小,最后落入核内,原子塌缩。原子寿命原子寿命!光谱分立性光谱分立性困难困难:电子绕核运动频率电子绕核运动频率电磁波频率等于电子回转频率,发射光谱为连续谱。电磁波频率等于电子回转频率,发射光谱为连续谱。描述宏观物体运动规律的经典理论描述宏观物体运动规律的经典理论,不能随意地推广到原子不能随意地推广到原子这样的微观客体上。这样的微观客体上。必须另辟蹊径!新理论?有哪些?必须另辟蹊径!新理论?有哪些?十九世纪末的物理学十九世纪末的物理学经典物理学经典物理学Gibbs-Bolt
10、zman统计力学统计力学Newton力学力学Maxwell电磁理论电磁理论物理学的大厦已经完成,今后物理学家的任务只是把实验做得更精确些。自然界的一切现象是否全部自然界的一切现象是否全部可以凭借经典物理学来理解可以凭借经典物理学来理解开尔文开尔文十九世纪末的物理学十九世纪末的物理学 经典物理学无法解释的代经典物理学无法解释的代表性实验有表性实验有黑体辐射黑体辐射、光电效光电效应应和和氢原子的线状光谱氢原子的线状光谱等等以太漂移 黑体辐射谱 三个著名实验导致三个著名实验导致“量子量子”概念的引入和应用概念的引入和应用 2.1 背景知识背景知识第二章:原子的量子态:玻尔模型第二章:原子的量子态:玻
11、尔模型 到了十九世纪末期到了十九世纪末期,物理学晴朗的天空出,物理学晴朗的天空出现了几朵令人不安的现了几朵令人不安的“乌云乌云”,在物理学中,在物理学中出现了一系列令人费解的实验现象。物理学出现了一系列令人费解的实验现象。物理学遇到了严重的困难,其中两朵最黑的云分别遇到了严重的困难,其中两朵最黑的云分别是:是:前者前者导致了相对论的诞生后,导致了相对论的诞生后,后者后者导致了量导致了量子论的诞生。子论的诞生。麦克尔逊麦克尔逊-莫雷实验莫雷实验和和黑体辐射实验黑体辐射实验 黑体辐射黑体辐射 光电效应光电效应(了解!了解!)2.1.2 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射1、热辐射、热辐射热辐射现象:热辐射
12、现象:任何温度下,宏观物体都要向外辐射电磁波。任何温度下,宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少,以及电磁波按波长的分布都与温度有电磁波能量的多少,以及电磁波按波长的分布都与温度有关,故称为关,故称为热辐射热辐射。热平衡现象:热平衡现象:辐射和吸收的能辐射和吸收的能量恰相等时称为量恰相等时称为热平衡热平衡。此时。此时温度恒定不变。温度恒定不变。2、黑体黑体定义:定义:如果一个物体在任何温度下,对任何波长的电如果一个物体在任何温度下,对任何波长的电磁波都完全吸收,而不反射与透射,则称这种物体为磁波都完全吸收,而不反射与透射,则称这种物体为绝绝对黑体对黑体,简称,简称黑体黑体。说明:说明:(
13、1)黑体是个理想化的模型。黑体是个理想化的模型。(2)对于黑体,在相同温度下的辐射规律是相同的。对于黑体,在相同温度下的辐射规律是相同的。一、量子假说根据之一:黑体辐射一、量子假说根据之一:黑体辐射 事实上用不透明的材料制成一个开小孔的空腔就可看作是一个实际的黑体。空腔内的热平衡辐射称黑体辐射。测量从空腔小孔泻流出来的电磁能流,就可以获得空腔内热平衡辐射的信息黑体辐射的能量密度.测量得到的黑体辐射能量密度E(,t)随波长的变化曲线如图所示如何解释 实验曲线?维恩定律辐射能量分布定律维恩定律辐射能量分布定律维恩位移律维恩位移律 4 4、瑞利金斯定律和紫外灾难、瑞利金斯定律和紫外灾难 从经典能量按
14、自由度均分定律普朗克普朗克凑数据!凑数据!5、普朗克假说、普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947)德国物理学家,量子物理学的开创者和奠基德国物理学家,量子物理学的开创者和奠基人。人。普朗克的伟大成就,就是创立了量子理论,普朗克的伟大成就,就是创立了量子理论,1900年年12月月14日他在德国物理学会上,宣读日他在德国物理学会上,宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文,提出了能量的量子化假设,为题的论文,提出了能量的量子化假设,并导出了黑体辐射的能量分
15、布公式。这是物并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量量子论的诞生日子论的诞生日”。1918年普朗克由于创立了量子理论而获得年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。了诺贝尔奖金。而这一公式是普朗克根据实验数据猜出来的。由此公式当而这一公式是普朗克根据实验数据猜出来的。由此公式当v-0v-0和和v-v-时分别都可得到与瑞利时分别都可得到与瑞利-金斯和维恩公式相同的形金斯和维恩公式相同的形式。此公式虽然符合实验事实但其在公布时仍没有理论根据式。
16、此公式虽然符合实验事实但其在公布时仍没有理论根据,就就在普朗克公式公布当天,另一位物理学家鲁本斯将普朗克的结在普朗克公式公布当天,另一位物理学家鲁本斯将普朗克的结果与他的最新测量数据进行核对,发现两者以惊人的精确性相果与他的最新测量数据进行核对,发现两者以惊人的精确性相符合。第二天鲁本斯就把这一喜讯告诉了普朗克符合。第二天鲁本斯就把这一喜讯告诉了普朗克,从而使普朗克从而使普朗克决心:决心:“不惜一切代价,找到一个理论解释。不惜一切代价,找到一个理论解释。”经过近二个月的经过近二个月的努力,普朗克在同年努力,普朗克在同年1212月月1414日的一次德国物理学会议上提出:日的一次德国物理学会议上提
17、出:电子辐射能量的假设电子辐射能量的假设E=nhvE=nhv(n=1,2,3,n=1,2,3,)?这一概念严重偏这一概念严重偏离了经典物理;因此,这一假设提出后的离了经典物理;因此,这一假设提出后的5 5年时间内,没有引起年时间内,没有引起人的注意,并且在这以后的十多年时间里,普朗克很后悔当时人的注意,并且在这以后的十多年时间里,普朗克很后悔当时的提法,在很多场合他还极力的掩饰这种不连续性是的提法,在很多场合他还极力的掩饰这种不连续性是“假设量子假设量子论论”。Planck对量子论态度对量子论态度(1)能量子纯粹是一种形式上的假设能量子纯粹是一种形式上的假设,对它对它没有想得太多没有想得太多.
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- 原子物理第2讲第二章氢原子光谱详解 2 原子 物理 第二 氢原子 光谱 详解
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