原子物理学概要.pptx

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1、一。玻尔量子理论一。玻尔量子理论三点假设：三点假设：1 1。经典轨道加定态条件；。经典轨道加定态条件；2 2。频率条件；。频率条件；3 3。对应原理；对应原理；电电子子只只能能处处在在一一些些分分立立轨轨道道上上绕绕原原子子核核转转动动，且不辐射电磁波，能量稳定。且不辐射电磁波，能量稳定。1 1。经典轨道加定态条件；。经典轨道加定态条件；回顾：当当电电子子从从一一个个定定态态轨轨道道（nn）跃跃迁迁到到另另一一个个定定态态轨轨道道(n)n)时时，会会以以电电磁磁波波（光光子子）形形式式放放出出（或或吸吸收收）能能量量h,h,其其值值由由下下式式决决定定：h=Eh=Enn -E-En n，2 2

2、。频率条件。频率条件 3.对应原理对应原理角动量量子化角动量量子化Ln=n,n=1,2,=h/2第1页/共29页主要公式主要公式a0:玻尔轨道第一半径玻尔轨道第一半径.第2页/共29页组合常数组合常数第3页/共29页第二章第二章实验验证之一：光谱实验验证之一：光谱用用三三个个光光谱谱：氢氢原原子子光光谱谱，类类氢氢离离子子光光谱谱，氘氘光谱来验证玻尔量子理论。光谱来验证玻尔量子理论。一一.氢原子光谱氢原子光谱1。先先验验证证里里德德伯伯常常数数R的的理理论论值值与与实实验验 值是否符合。值是否符合。R实验值：实验值：RH=109677.58cm-1二二者者符符合合很很好好，但但仍仍有有超超过过

3、万万分分之之五五的的差差别别，当当时时光光谱谱实实验验精精度度已已达达到到万万分分之之一一，光光谱学家福勒提出质疑。谱学家福勒提出质疑。第4页/共29页 波尔在波尔在19141914年对此作了回答，在原子理年对此作了回答，在原子理论中假定氢核是静止的，而实际当电子绕论中假定氢核是静止的，而实际当电子绕核运动时，核不是固定不动的，而是与电核运动时，核不是固定不动的，而是与电子绕共同的质心运动。子绕共同的质心运动。结束目录nextback玻尔作了解释：玻尔作了解释：第5页/共29页玻尔作了解释：玻尔作了解释：要要考考虑虑核核也也在在运运动动，R R公公式式中中m me e应应作作折折合合质量质量代

4、替。代替。R RA A与原子质量有关，原子与原子质量有关，原子质量质量M M越大，越大，R RA A越大。越大。第6页/共29页当当MM时时，R R=R=R，即即理理论论值值。从从实实验验可可获获得得R R=R=RA A（1+m1+me e/M/M）。将将各各原原子子或或离离子子的的R RA A值值（见见表表8-18-1）代代入入，得得R R的的平平均均值值为为：109737.31109737.31cmcm-1-1 与与理论值理论值109737.315109737.315cmcm-1-1有有7 7位有效数字一致。位有效数字一致。第7页/共29页2 2 氢原子能级图、氢原子能级图、5 5个线系与

5、能级跃迁对应。个线系与能级跃迁对应。赖曼系：赖曼系：n=2,3,n=1；帕邢系：帕邢系：n=4,5,n=3；巴耳末系：巴耳末系：n=3,4,n=2；布喇开系：布喇开系：n=5,6,n=4；普丰特系：普丰特系：n=6,7,n=5；第8页/共29页电子轨道能级能级基态基态激激发发态态第9页/共29页线系限：线系限：某线系中波数某线系中波数最大的光谱线，即在线最大的光谱线，即在线系公式中让系公式中让nn对应对应的谱线。的谱线。线系主线：线系主线：某线系中波数某线系中波数最小的光谱线，即某线系最小的光谱线，即某线系中第一条谱线中第一条谱线巴耳末线系限为巴耳末线系限为光谱项：因每一光谱项：因每一谱线波数

6、谱线波数为二项之差，这二项称为为二项之差，这二项称为光谱项。光谱项。这是这是E E与与T T普遍成立关系式。普遍成立关系式。第10页/共29页 类氢离子是原子核外边只有一个电子的原子体系，但原子核带有大于一个单元的正电荷比如一次电离的氢离子HeHe+，二次电离的锂离子LiLi+，三次电离的铍离子BeBe+，都是具有类似氢原子结构的离子。二、类氢离子光谱二、类氢离子光谱 18971897年，天文学家毕克林在船舻座星的光谱中发现了一个很象巴尔末系的线系。这两个线系的关系如下图所示，图中以较高的线表示巴尔末系的谱线：第11页/共29页我们注意到：1.1.毕克林系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线差不多重

7、合，但另外还有一些谱线位于巴尔末系两邻近线之间；2.2.毕克林系与巴尔末系差不多重合的那些谱线，波长稍有差别，起初有人认为毕克林系是外星球上氢的光谱线。第12页/共29页 然而玻尔从他的理论出发，指出毕克林系不是氢发出的，而属于类氢离子 。玻尔理论对类氢离子的巴尔末公式为：类类氢氢离离子子公公式式可可以以从从氢氢原原子子公公式式中中通通过过这这样样变变换换得得到到：只要将氢原子公式中含有只要将氢原子公式中含有e e2 2变为变为ZeZe2 2即可。即可。第13页/共29页对于He+，Z=2 与氢光谱巴尔末系比较若n=4，n=5，6，7.第14页/共29页 原来 HeHe+的谱线之所以比氢的谱线

8、多，是因为m m的取值比 nn的取值多，而由于原子核质量的差异，导致里德伯常量 R RHe He 与 R RH H 不同，从而使 m=nm=n的相应谱线的位置有微小差异。往哪边移？波数大的一边还是波数小的一边？往哪边移？波数大的一边还是波数小的一边？爱爱因因斯斯坦坦称称之之为为一一个个伟伟大大的的发发现现 第15页/共29页 里德伯常数随原子核质量变化的情况曾被用来证实氢的同位素氘的存在。1932年，尤雷在实验中发现，所摄液氢赖曼系的头四条谱线都是双线，双线之间波长差的测量值与通过里德伯常数 R 计算出的双线波长差非常相近，从而确定了氘的存在。起初有人从原子质量的测定问题估计有质量是2个单位的

9、中氢。结束目录nextback三三肯定氘的存在。肯定氘的存在。氢的氢的H H（656.279nm656.279nm）的旁边还有一条谱线的旁边还有一条谱线（656.100656.100nmnm），），尤雷假定这是氘的一条谱线。尤雷假定这是氘的一条谱线。如何验证？如何验证？第16页/共29页附 下面是美国物理学家尤雷观察到的含有氢。氘两种物质的混合体的光谱系双线，以及测量出的双线间的波长差。结束目录nextback第17页/共29页按照波尔理论：因为 R RD DRRH H，所以对于同一谱线，即对于同一条谱线，我们可以得到下面的关系式第18页/共29页而氢核的质量约是电子质量的18351835倍。

10、即。故有第19页/共29页四四.附注：非量子化轨道与里德伯原子。附注：非量子化轨道与里德伯原子。1.1.非量子化轨道。非量子化轨道。量子化轨道：电子束缚在量子化轨道：电子束缚在H H原子内的轨道，原子内的轨道，即即E En n00的量子化轨道。的量子化轨道。非量子化轨道：电子在无非量子化轨道：电子在无穷远处，有动能，运动到穷远处，有动能，运动到H H核附近，被核附近，被H H核暂时束缚的核暂时束缚的轨道。这是不封闭轨道，轨道。这是不封闭轨道，处此轨道电子能量处此轨道电子能量E Emvmv2 2/2/20 0，是连续的。电子处非是连续的。电子处非量子化轨道的量子化轨道的H H原子是不稳原子是不稳

11、定的。见图定的。见图8.58.5第20页/共29页电电子子在在量量子子化化轨轨道道之之间间跃跃迁迁发发射射光光谱谱线线是是分分立立的的，电电子子从从非非量量子子化化轨轨道道跃跃迁迁到到量量子子化化轨轨道道发发射射光光谱谱线是连续的。线是连续的。思思考考题题：稳稳定定H原原子子能能否否吸吸收收能能量量13.6ev的的光光子子，能否放出能量能否放出能量13.6ev的光子？的光子？第21页/共29页2.2.里德堡原子里德堡原子 -原子中一个电子被激发到高量子态（原子中一个电子被激发到高量子态（n n很大）很大）的激发原子。的激发原子。里德堡原子有许多奇特性能：里德堡原子有许多奇特性能：如，已制备出如

12、，已制备出n=105n=105的的H H原子，观察到原子，观察到n n5151的的钠里德堡态。钠里德堡态。1 1。可以按类氢原子处理，处理简单；。可以按类氢原子处理，处理简单；2 2。原子大；。原子大；3 3。寿命长，即不容易回到基态；。寿命长，即不容易回到基态；4 4。能级间隔小，容易发生能级跃迁；。能级间隔小，容易发生能级跃迁；5 5。外电磁场很容易影响里德堡原子。等。外电磁场很容易影响里德堡原子。等第22页/共29页各个重要公式各个重要公式（适合于类氢离子（适合于类氢离子,Ze,Ze2 2代替代替e e2 2）第23页/共29页1.28.若氢原子被激发到主量子数若氢原子被激发到主量子数n

13、的能级，当产生能的能级，当产生能级跃迁时，可能发射出的所有谱线的总条数应为：级跃迁时，可能发射出的所有谱线的总条数应为：A.(n-1)B.n(n-1)/2C.n(n+1)/2D.n1.29.光谱项光谱项T(n)与能级与能级En的关系是：的关系是：第24页/共29页1.30.氢原子光谱赖曼系和巴尔末系的系限波长分别氢原子光谱赖曼系和巴尔末系的系限波长分别是：是：A.R/4和和R/9B.R和和R/4C.4/R和和9/RD.1/R和和4/R1.31.氢原子所观测到的全部线光谱应理解为：氢原子所观测到的全部线光谱应理解为：A.处于某一状态的一个原子所产生的处于某一状态的一个原子所产生的B.处于相同状态

14、的少数原子所产生的处于相同状态的少数原子所产生的C.处于不同状态的足够多的原子所产生的处于不同状态的足够多的原子所产生的D.处于不同状态的少数原子所产生的处于不同状态的少数原子所产生的第25页/共29页1.33.根据波尔理论，若将氢原子激发到根据波尔理论，若将氢原子激发到n=5的状态，则的状态，则A.可能出现可能出现10条谱线，分别属于条谱线，分别属于4个线系个线系B.可能出现可能出现9条谱线，分别属于条谱线，分别属于3个线系个线系C.可能出现可能出现11条谱线，分别属于条谱线，分别属于5个线系个线系D.可能出现可能出现1条谱线，属于赖曼系条谱线，属于赖曼系1.34.欲使处于基态的氢原子能发出

15、欲使处于基态的氢原子能发出H 线，则至少需要给线，则至少需要给它多少能量：它多少能量：A.13.6eVB.12.09eVC.10.2eVD.3.4eV1.35.能量为的能量为的一群光子照射处于基态的氢原子，试问哪种能量的光子一群光子照射处于基态的氢原子，试问哪种能量的光子可被氢原子吸收？可被氢原子吸收？第26页/共29页1.43.对类氢原子当考虑核的运时，只须将电子质量对类氢原子当考虑核的运时，只须将电子质量换成约化质量，对类氢离子约化质量为：换成约化质量，对类氢离子约化质量为：1.44.某类氢原子，它的帕邢系第三条谱线和氢原子赖某类氢原子，它的帕邢系第三条谱线和氢原子赖曼系的第一条谱线的频率几乎一样，则该离子是：曼系的第一条谱线的频率几乎一样，则该离子是：（He+；Li+；Be+；D（氚原子）氚原子）1.45.一次电离的氦离子（一次电离的氦离子（He+）处于第一激发态时的）处于第一激发态时的能量和电子轨道半径：能量和电子轨道半径：(-13.6eV；-6.8eV；-27.2eV；-54.4eV)(0.53 10-10m;1.06 10-10m;2.12 10-10m;0.26 10-10m)第27页/共29页Class is Over!Thank you!Boys and girls!作业：作业：P 71 2-6 2-7 2-10第28页/共29页感谢您的观看！第29页/共29页