原子物理学第二原子的量子态ppt课件

1、第二章原子的量子态第二章原子的量子态第二章原子的量子态第二章原子的量子态基基本本内内容容2.1 2.1 量子假说的根据：黑体辐射和光电效应量子假说的根据：黑体辐射和光电效应2.2 2.2 玻尔模型玻尔模型2.3 2.3 实验验证之一实验验证之一: :氢光谱及其实际解释、类氢光谱氢光谱及其实际解释、类氢光谱2.4 2.4 实验验证之二实验验证之二: :夫兰克夫兰克- -赫兹实验赫兹实验2.5 2.5 玻尔模型的推行玻尔模型的推行目的与要求目的与要求(1)(1)掌握玻尔的原子模型及原子实际掌握玻尔的原子模型及原子实际. .(2)(2)掌握氢原子光谱规律掌握氢原子光谱规律, ,能解释氢原子及类氢原子

2、光谱的产能解释氢原子及类氢原子光谱的产生生, ,能熟练画出能级跃迁图能熟练画出能级跃迁图. .(3)(3)掌握证明原子能级的实验思想和方法掌握证明原子能级的实验思想和方法. .(4)(4)了解玻尔实际并认识它的局限性了解玻尔实际并认识它的局限性. .(5)(5)了解激光的产生原理了解激光的产生原理. .TT一、量子假说根据之一：黑体辐射一、量子假说根据之一：黑体辐射第二章原子的量子态第二章原子的量子态2-1背景知识背景知识从实际上分析，黑体腔壁可以为是由大量作谐振动的谐从实际上分析，黑体腔壁可以为是由大量作谐振动的谐振子振子( (作谐振动的电偶极矩作谐振动的电偶极矩) )组成组成 振动的固有频

3、率可从振动的固有频率可从(0-)(0-)延续分布，谐振子经过发射延续分布，谐振子经过发射与吸收电磁波，与腔中辐射场不断交换能量。与吸收电磁波，与腔中辐射场不断交换能量。黑体辐射达平衡时，辐射能量密度黑体辐射达平衡时，辐射能量密度 随随 的变化曲线只与黑体的的变化曲线只与黑体的T有关，而与空腔的有关，而与空腔的外形及组成资料无关。外形及组成资料无关。E1859年，基年，基尔霍夫证明尔霍夫证明: 辐射能量密度最大值所对应的频率与辐射能量密度最大值所对应的频率与 平衡时黑体的绝对温度平衡时黑体的绝对温度T成正比，即：成正比，即： 由此得维恩位移律公式：由此得维恩位移律公式： 为最大波长：为最大波长：

4、c.Tm28980mmmc 第二章原子的量子态第二章原子的量子态辐射身手辐射身手 辐射身手：单位时间内黑体单位面积在单位频率内辐射身手：单位时间内黑体单位面积在单位频率内(频率频率附近附近)辐射的能量。辐射的能量。 设黑体内腔达热平衡时的辐射场设黑体内腔达热平衡时的辐射场 的能量密度为的能量密度为 ，那么其辐射身手：，那么其辐射身手： E),(4),(TEcTR 黑体总的辐射身手黑体总的辐射身手 dTEcdTRTR 00),(4),()(由此可得等式：由此可得等式： dTEcdTR),(4),( 第二章原子的量子态第二章原子的量子态瑞利原名约翰瑞利原名约翰威廉威廉斯斯特拉特，世袭勋爵，尊称特拉

5、特，世袭勋爵，尊称瑞利男爵三世。主要因发瑞利男爵三世。主要因发现了惰性气体氩而获现了惰性气体氩而获1904年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖此公式在低频部分与实验相符，但在此公式在低频部分与实验相符，但在高频部分与实验的偏向很大。高频部分与实验的偏向很大。当时当时, 即在高频时是发散的，即在高频时是发散的，这就是当时著名的这就是当时著名的“紫外灾难。紫外灾难。表示频率在表示频率在 间的辐射密度。间的辐射密度。此公式在高频部分与实验相符，但在低频此公式在高频部分与实验相符，但在低频部分与实验有显著偏向。部分与实验有显著偏向。),(d第二章原子的量子态第二章原子的量子态瑞利瑞利L. Raylei

6、gh 英英1842-1919第二章原子的量子态第二章原子的量子态普朗克普朗克(德德)(1858-1947)黑体辐射引发的黑体辐射引发的“紫外灾难紫外灾难迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验1887年的年的“零结零结果果第二章原子的量子态第二章原子的量子态普朗克公式普朗克公式普朗克系基尔霍夫的学生普朗克系基尔霍夫的学生普朗克普朗克(德德)(1858-1947)346.6260755(40) 10J sh23800,kTuTc0h 第二章原子的量子态第二章原子的量子态获获19201920年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖1900年用内插法年用内插法得到阅历公式得到阅历公式普朗克公式完美地解释了黑体

7、辐射问题普朗克公式完美地解释了黑体辐射问题不情愿的不情愿的革命者革命者 “ 总而言之，我们可以说，在近代物理学结出硕果的总而言之，我们可以说，在近代物理学结出硕果的那些艰苦问题中，很难找到一个问题是爱因斯坦没有做过那些艰苦问题中，很难找到一个问题是爱因斯坦没有做过重要奉献的，在他的各种推测中，他有时能够也曾经没有重要奉献的，在他的各种推测中，他有时能够也曾经没有射中标的，例如，他的光量子假设就是如此，但是这确实射中标的，例如，他的光量子假设就是如此，但是这确实并不能成为过分责怪他的理由，由于即使在最精细的科学并不能成为过分责怪他的理由，由于即使在最精细的科学中中, ,也不能够不偶尔冒点风险去引

8、进一个根本上全新的概念也不能够不偶尔冒点风险去引进一个根本上全新的概念 第二章原子的量子态第二章原子的量子态普朗克公式涉及到能量交换呈量子化，与经典物理严重普朗克公式涉及到能量交换呈量子化，与经典物理严重背叛，故公式提出后的背叛，故公式提出后的5年内无人理睬，普朗克本人也年内无人理睬，普朗克本人也“懊悔，试图将其纳入经典物理范畴。懊悔，试图将其纳入经典物理范畴。虽然爱因斯坦对光电效应的解释是对普朗克量子概念的极虽然爱因斯坦对光电效应的解释是对普朗克量子概念的极大支持，但普朗克不赞同爱因斯坦的光子假设，这一点流露大支持，但普朗克不赞同爱因斯坦的光子假设，这一点流露在普朗克引荐爱因斯坦为普鲁士科学

9、院院士的引荐信中。在普朗克引荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士的引荐信中。在爱因斯坦发表狭义相对论后，普朗克还以为爱因斯坦在爱因斯坦发表狭义相对论后，普朗克还以为爱因斯坦“迷失了方向迷失了方向 。第二章原子的量子态第二章原子的量子态“作用量子这一发现成为世纪作用量子这一发现成为世纪物理学研讨的根底，从那时起几乎物理学研讨的根底，从那时起几乎完全决议了物理学的发现。完全决议了物理学的发现。而且，而且，它还粉碎了古典力学和电动力学的它还粉碎了古典力学和电动力学的这个框架，并给科学提出了一项新这个框架，并给科学提出了一项新义务：为全部物理学找出一个新的义务：为全部物理学找出一个新的概念根底。概念根底。 在

10、普朗克犹疑彷徨甚至倒退的时候在普朗克犹疑彷徨甚至倒退的时候,量子论却量子论却有了很大的开展有了很大的开展.1905年，爱因斯坦提出光量子年，爱因斯坦提出光量子假说假说,胜利地解释了光电效应胜利地解释了光电效应;1906年年,他又将量他又将量子实际运用到固体比热问题子实际运用到固体比热问题,获得胜利获得胜利;1912年年,玻尔将量子实际引入到原子构造实际中玻尔将量子实际引入到原子构造实际中,抑制了抑制了经典实际解释原子稳定性的困难经典实际解释原子稳定性的困难,建立了他的原建立了他的原子构造模型子构造模型,获得了原子物理学划时代的进获得了原子物理学划时代的进展展;1922年年,康普顿经过实验最终使

11、物理学家们康普顿经过实验最终使物理学家们确认光量子图景的真实性确认光量子图景的真实性,从而使量子实际得到从而使量子实际得到科学界的普遍成认科学界的普遍成认. 普朗克虽然发现了能普朗克虽然发现了能量子量子,但他不能了解这一但他不能了解这一发现的意义发现的意义.他曾在散步他曾在散步时对儿子说：时对儿子说：“我如今我如今做的事情，要么毫无意做的事情，要么毫无意义义,要么能够成为牛顿以要么能够成为牛顿以后物理学上最大的发现。后物理学上最大的发现。普朗克当时得到的普朗克当时得到的h和同时导出和同时导出的的k较准确值略小，但已相当准确。较准确值略小，但已相当准确。第二章原子的量子态第二章原子的量子态由当时

12、的由当时的h、k求出的求出的NA及电子电量及电子电量e也很准确，在约也很准确，在约20年后才由实验独立地丈量得到年后才由实验独立地丈量得到h、e的准确值。的准确值。叶企孙师生谱系叶企孙师生谱系叶企孙叶企孙18981977叶企孙是我国近代物理学奠基人之一。与协作者一同利用射线短波叶企孙是我国近代物理学奠基人之一。与协作者一同利用射线短波限与加速电压的关系测定普朗克常数，获得当时该方法最准确的实验数限与加速电压的关系测定普朗克常数，获得当时该方法最准确的实验数据。其结果被国际物理学界沿用达据。其结果被国际物理学界沿用达1616年。兴办清华大学物理系、北京大年。兴办清华大学物理系、北京大学磁学专门组

13、。为我国高等教育事业和科学事业做出杰出奉献，培育出学磁学专门组。为我国高等教育事业和科学事业做出杰出奉献，培育出一大批著名科学家。一大批著名科学家。 第二章原子的量子态第二章原子的量子态二、量子假说的根据之二：光电效应二、量子假说的根据之二：光电效应 1.光电效应的发现光电效应的发现 1887年赫兹在莱顿瓶放电实验中发现电磁波，从而验证年赫兹在莱顿瓶放电实验中发现电磁波，从而验证了麦克斯韦电磁实际。了麦克斯韦电磁实际。 赫兹发现当紫外光照在火花隙的负极上时易发生放电，赫兹发现当紫外光照在火花隙的负极上时易发生放电，这种景象被称为光电效应。次年起，一些科学家对此景这种景象被称为光电效应。次年起，

14、一些科学家对此景象进一步研讨，发现受紫外光照射的金属会发射电子。象进一步研讨，发现受紫外光照射的金属会发射电子。 光电效应的实验规律不能用动摇说解释。光电效应的实验规律不能用动摇说解释。 直至直至1905年爱因斯坦用光量子假说才得到完美的解释。年爱因斯坦用光量子假说才得到完美的解释。 1916年密立根经过实验，丈量了光的频率和逸出电子能年密立根经过实验，丈量了光的频率和逸出电子能量之间的关系，验证了爱因斯坦的光量子公式，并准确量之间的关系，验证了爱因斯坦的光量子公式，并准确测定了测定了h。第二章原子的量子态第二章原子的量子态2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律e赫兹在莱顿瓶放电实验中发现紫

15、外光照射的阴极赫兹在莱顿瓶放电实验中发现紫外光照射的阴极容易放电容易放电林纳实验证明光照导致金属外表逸出电子林纳实验证明光照导致金属外表逸出电子第二章原子的量子态第二章原子的量子态1光电流与入射光强度的关系光电流与入射光强度的关系以一定强度的单色光照射阴以一定强度的单色光照射阴极极K，光电流强度随加速电压，光电流强度随加速电压U的增大而增大，当的增大而增大，当U达一定达一定值时，光电流达最大值饱和值时，光电流达最大值饱和电流，它与入射光的强度成电流，它与入射光的强度成正比。正比。 由右图知由右图知,U0光阴电光阴电流不为流不为0,当反向电压达当反向电压达Ua遏止电压光阴电遏止电压光阴电流才为流

16、才为0. 光电子的最大初动能为：光电子的最大初动能为：aUOamUemv 221第二章原子的量子态第二章原子的量子态 IS的存在反映了在一定强度的光照射下，的存在反映了在一定强度的光照射下，K在单位时间内在单位时间内激发的光电子数有一最大值。当激发的光电子数有一最大值。当U较小时，光电子不一定较小时，光电子不一定构成光电流，当构成光电流，当U增大至一定值时，光电子全被加速而光增大至一定值时，光电子全被加速而光电流达最大值电流达最大值IS。这时再增大。这时再增大U，因无更多的光电子，故，因无更多的光电子，故光电流不再增大。光电流不再增大。光强较强光强较强光强较弱光强较弱UIsI2光电子初动能与入

17、射光频率呈线性关系，而与光电子初动能与入射光频率呈线性关系，而与入射光强度无关入射光强度无关 实验阐明：实验阐明： 其中其中Ua由阴极资料决议，由阴极资料决议，K是与是与 资料无关的普适常数。由此有：资料无关的普适常数。由此有： 由于光电子初动能由于光电子初动能 故入射光的频率必需满足的条件为：故入射光的频率必需满足的条件为： 红限红限:产生光电效应的最小频率。产生光电效应的最小频率。0UkUa 0212 mmvkU0 第二章原子的量子态第二章原子的量子态 当入射光的当入射光的 ，无论入射光多强均不会产生光电效应；，无论入射光多强均不会产生光电效应； 当入射光的当入射光的 ，无论入射光多弱均会

18、产生光电效应；，无论入射光多弱均会产生光电效应； 实验阐明实验阐明,从光开场照射至产生光电子历时不超越从光开场照射至产生光电子历时不超越 0 0 s910 第二章原子的量子态第二章原子的量子态)(00A金属金属铯铯钾钾钠钠锂锂锌锌钨钨金金铁铁银银铂铂665566555500550054005400 50005000372037202700270026502650262026202610261023102310某些金属的红限通常用表示：某些金属的红限通常用表示：0 光照强度和时间决议光电子能量光照强度和时间决议光电子能量光强很小，电子需较长时间吸收足够能量才干逸出光强很小，电子需较长时间吸收足够

19、能量才干逸出h 2hpchk 第二章原子的量子态第二章原子的量子态3.光电效应的量子解释光电效应的量子解释图中直线可由实验得出，从图中直线可由实验得出，从直线的斜率可直接测得直线的斜率可直接测得h第二章原子的量子态第二章原子的量子态 hA221mmvOE0 光电效应的爱因斯坦解释光电效应的爱因斯坦解释Ahmvm 221 h光子光子Ah Ah 三、光谱三、光谱:电磁辐射的频率和强度分布图电磁辐射的频率和强度分布图第二章原子的量子态第二章原子的量子态光谱是研讨原子构造的重要途径之一。光谱是研讨原子构造的重要途径之一。光谱是用光谱仪丈量的，光谱仪种类光谱是用光谱仪丈量的，光谱仪种类虽多，但原理相近，

20、大致由三部分组成：虽多，但原理相近，大致由三部分组成：光源、分光器光源、分光器 (棱镜或光栅棱镜或光栅)、记录仪。、记录仪。不同的光源有不同的光谱。不同的光源有不同的光谱。假设要了解物质假设要了解物质的内部情况的内部情况,只需只需看其光谱就可以看其光谱就可以了了.II第二章原子的量子态第二章原子的量子态1.实验规律实验规律HHHH0A从氢气放电管获得的氢光从氢气放电管获得的氢光谱是很有规律的线状谱谱是很有规律的线状谱谱线谱线波 长波 长 ( )( )6562.106562.104860.744860.744340.104340.104101.204101.20颜色颜色红红深绿深绿青青紫紫谱线的

21、间隔和强度都谱线的间隔和强度都向着短波方向递减向着短波方向递减在可见光在可见光范围内的范围内的4 4条谱线：条谱线：此表的谱线波长来源于褚圣麟此表的谱线波长来源于褚圣麟，与上图所标波长略有出入，与上图所标波长略有出入第二章原子的量子态第二章原子的量子态 研讨原子时，卢瑟福所用的是“碰撞的实验方法，另一类方法是光谱方法。这是由于原子发射和吸收特定波长电磁波的行为与原子内部的运动过程相联络，从而可从光谱的规律性中得到原子内部构造的信息。 四、氢原子光谱四、氢原子光谱 在在1885从某些星体的光谱中察看到的氢光谱已达从某些星体的光谱中察看到的氢光谱已达14条。条。同年巴耳末提出同年巴耳末提出“巴耳末

22、公式：巴耳末公式： 令波数令波数 ,那么那么 当当 时，时， ，到达此线系的极限，这时二相，到达此线系的极限，这时二相邻波长的差别趋近邻波长的差别趋近0。 当当 时，时， 为线系限的波数。为线系限的波数。063645A.B 1 nB nB4第二章原子的量子态第二章原子的量子态里德伯方程里德伯方程1889年提出，普适于氢光谱年提出，普适于氢光谱 2)(mRmT 2)(nRnT 里德伯常数里德伯常数光谱项光谱项氢的任一条谱线都可表示为二个光谱项之差。氢的任一条谱线都可表示为二个光谱项之差。171009677581B4m.R)()(nnTT 也称为里兹并合原理也称为里兹并合原理第二章原子的量子态第二

23、章原子的量子态氢原子光谱的线系氢原子光谱的线系氢原子光谱的三个特点阅历规律氢原子光谱的三个特点阅历规律第二章原子的量子态第二章原子的量子态2-2 玻尔实际模型玻尔实际模型1913玻尔丹麦玻尔丹麦1885-1962第二章原子的量子态第二章原子的量子态经过对光谱学资料的调查经过对光谱学资料的调查,使玻尔写出了使玻尔写出了“论原子构造和分子构造的长篇论著论原子构造和分子构造的长篇论著,提提出了量子不延续性出了量子不延续性,胜利地解释了氢原子和胜利地解释了氢原子和类氢原子的构造和性质类氢原子的构造和性质.1921年年,玻尔发表了玻尔发表了“各元素的原子构各元素的原子构造及其物理性质和化学性质的长篇演讲

24、造及其物理性质和化学性质的长篇演讲,论述了光谱和原子构造实际的新开展论述了光谱和原子构造实际的新开展,诠释诠释了元素周期表的构成了元素周期表的构成,对周期表中从氢开场对周期表中从氢开场的各种元素的原子构造作了阐明的各种元素的原子构造作了阐明,同时对周同时对周期表上的第期表上的第72号元素的性质作了预言号元素的性质作了预言1922年年,发现了这种元素铪发现了这种元素铪,证明了玻尔证明了玻尔预言的正确预言的正确.获获19221922年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖一、玻尔实际一、玻尔实际(三个假设三个假设)1.定态假设经典轨道及定态条件定态假设经典轨道及定态条件为处理原子的稳定问题而设第二章原

25、子的量子态第二章原子的量子态 如图示，质量为如图示，质量为m的电子的电子 绕核作半径为绕核作半径为r的圆周运动：的圆周运动： 由力学知，氢原子是个两体问题，由力学知，氢原子是个两体问题， 相当于一个折合质相当于一个折合质量为量为 的电子绕静止核运动的电子绕静止核运动 的体系，但这里不作此思索的体系，但这里不作此思索 电子的能量为：电子的能量为： 电子作圆周运动的频率：电子作圆周运动的频率：rvmrek222 mMMm rkerekmvEEEpk221222 322212mrkemrkerrvf 第二章原子的量子态第二章原子的量子态r-ev氢原子的电子经典轨道氢原子的电子经典轨道2.跃迁假设辐射

26、的频率法那么跃迁假设辐射的频率法那么or辐射条辐射条件件mEnEhhnnEThc (为处理原子辐射的光谱问题而设为处理原子辐射的光谱问题而设.此假设意味着原子此假设意味着原子内部能量是守恒的内部能量是守恒的) hEE 12hcEEc12 ( (小诗小诗) ) 电子的电子的“跃迁跃迁 “他，匆匆地去，犹如他匆匆地他，匆匆地去，犹如他匆匆地来。来。 去时乘着一片云彩，来时去时乘着一片云彩，来时将她化成一声长叹！来去匆匆，将她化成一声长叹！来去匆匆，不粘半点尘埃。不粘半点尘埃。 第二章原子的量子态第二章原子的量子态3.电子轨道角动量量子化假设电子轨道角动量量子化假设第二章原子的量子态第二章原子的量子

27、态由对应原理得出由对应原理得出对应原理：微观范围内与对应原理：微观范围内与宏观范围内的景象遵照各自宏观范围内的景象遵照各自的规律；但将微观范围内的的规律；但将微观范围内的规律延伸到经典范围时，所规律延伸到经典范围时，所得结果应与经典规律所得到得结果应与经典规律所得到的相一致。的相一致。即电子轨道角动量满足上即电子轨道角动量满足上式的那些轨道才是电子实践式的那些轨道才是电子实践的运动轨道。的运动轨道。二、玻尔模型运用于氢原子二、玻尔模型运用于氢原子 将频率法那么与里德伯公式将频率法那么与里德伯公式 比较，即可得出比较，即可得出 当当n很大时很大时,思索两个相邻之间的跃迁思索两个相邻之间的跃迁(

28、) 那么频那么频率率:1 nn322222)(11nRcnnnnnnRccnnRcc )nT(T(n)nnR2211第二章原子的量子态第二章原子的量子态 据对应原理，此式应与电子作圆周运动的频率据对应原理，此式应与电子作圆周运动的频率 由经典方法得出由经典方法得出 一致。一致。 由此可得：由此可得： 进一步可得出里德伯常数进一步可得出里德伯常数 所以：所以：32mrkef 2312222)16(nmcRker 第二章原子的量子态第二章原子的量子态1.氢原子中电子的轨道半径氢原子中电子的轨道半径 令令 那么那么 所以，氢原子中电子能够的轨道半径是所以，氢原子中电子能够的轨道半径是 氢原子中电子的

29、最小半径即第一玻尔半径：氢原子中电子的最小半径即第一玻尔半径： 这与实验相符实验阐明，原子半径的数量级这与实验相符实验阐明，原子半径的数量级 nmmmkea053. 01053. 010221 111116,9 ,4 ,aaaarn m1010 第二章原子的量子态第二章原子的量子态2.氢原子的能级 氢原子的能量氢原子的能量 其中，精细构造常数：其中，精细构造常数： 重要的无量纲常数重要的无量纲常数 氢原子的基态氢原子的基态n1能量：能量： 氢原子的电离能：把氢原子基态氢原子的电离能：把氢原子基态 的电子移到无限远处所需能量。的电子移到无限远处所需能量。 显然，显然， ， 当当 时，时， 可见只

30、需电子处于束缚态，原子的能量就是量子化的。可见只需电子处于束缚态，原子的能量就是量子化的。第二章原子的量子态第二章原子的量子态2nr 21nE n0, Er n1称基态，称基态，n1称激发态，称激发态，n=2时称第一激发态或共时称第一激发态或共振态。振态。 一个一个n值对应着一个定态和一个轨道，也对应着一个确定值对应着一个定态和一个轨道，也对应着一个确定的能量，又称为能级能量。的能量，又称为能级能量。 由由 可得可得 也可由电子圆轨道运动的关系也可由电子圆轨道运动的关系 导出与其一致导出与其一致的结论此略的结论此略 显见，显见， 阐明电子绕核运动的速度不大阐明电子绕核运动的速度不大,普通可不思

31、索相对论效应。普通可不思索相对论效应。 2121)(21nEEcmEn 222nnnrekrvm 第二章原子的量子态第二章原子的量子态小结：玻尔氢原子模型小结：玻尔氢原子模型基态：能量最低的定态；基态：能量最低的定态；激发态：能量较高的定态。激发态：能量较高的定态。电子的轨道半径和能量：电子的轨道半径和能量：(1)(1)电子绕核按圆轨道运动定态。不同电子绕核按圆轨道运动定态。不同轨道定态有不同的能量，这些不延续的轨道定态有不同的能量，这些不延续的能量值称能级。能量值称能级。原子接受能量后，由一定态原子接受能量后，由一定态(E1)(E1)激发到另一定态激发到另一定态E2E2。激发态不。激发态不稳

32、定，瞬时稳定，瞬时“跃迁到基态跃迁到基态( (或能量或能量较低的定态较低的定态)，同时辐射出光子。，同时辐射出光子。光子能量为二定态能量之差：光子能量为二定态能量之差：第二章原子的量子态第二章原子的量子态12EEh 附：数值计算法 为便于计算而引入组合常数 组合常数组合常数 和和的物理意义：的物理意义：联络两种能联络两种能量表达方式量表达方式的桥梁。的桥梁。chc第二章原子的量子态第二章原子的量子态2-3 实验验证之一：光谱实验验证之一：光谱1.氢光谱氢光谱1) 玻尔实际对里德伯常数的解释玻尔实际对里德伯常数的解释R的实际值的实际值R的实验值的实验值二者比较相差二者比较相差0.054%，而当光

33、阴谱学的实验精度已达万分之一，英，而当光阴谱学的实验精度已达万分之一，英国光谱学家福勒提出质疑。国光谱学家福勒提出质疑。玻尔于玻尔于1914年作了解释：其差值的缘由在于在计算原子体系的能量年作了解释：其差值的缘由在于在计算原子体系的能量时略去了原子核的运动。实践上，电子绕核的运动是一个两体问题，时略去了原子核的运动。实践上，电子绕核的运动是一个两体问题，将之前实际中的电子质量以折合质量将之前实际中的电子质量以折合质量替代，那么实际值与实验值相替代，那么实际值与实验值相符。符。 阐明实际胜利地提示了原子内部的情况。阐明实际胜利地提示了原子内部的情况。173422100973731. 12 mch

34、emkR 171009677581B4 m.R第二章原子的量子态第二章原子的量子态氢核氢核轴线轴线-e质质心心核外电子与原子核绕其核外电子与原子核绕其“质心运动质心运动mMMm 2)玻尔实际对氢原子光谱的解释玻尔实际对氢原子光谱的解释 据玻尔的跃迁假设，当据玻尔的跃迁假设，当n1的原子向的原子向n=1的基态跃迁时，的基态跃迁时，所辐射的光的全体就构成赖曼系，依次类推。所辐射的光的全体就构成赖曼系，依次类推。 能级能量与光谱项的关系为：能级能量与光谱项的关系为： 可见光谱项在本质上就是原子能级能量的反映。一条光谱可见光谱项在本质上就是原子能级能量的反映。一条光谱线之所以表示为两光谱项之差，在本质

35、上反映的是原子跃线之所以表示为两光谱项之差，在本质上反映的是原子跃迁前后两能态的能量差。迁前后两能态的能量差。 由此得氢原子的波数：由此得氢原子的波数： 例如当电子从例如当电子从n=2跃迁到跃迁到n=1 能级时，电子辐射的能量为：能级时，电子辐射的能量为： 须留意，在任何时辰，一个氢原子中只需一个轨道的电子须留意，在任何时辰，一个氢原子中只需一个轨道的电子运动，原子只具有与此对应的一个能量，即只需一个能级。运动，原子只具有与此对应的一个能量，即只需一个能级。)11(12221nnRc )(nhcTE 第二章原子的量子态第二章原子的量子态RhcEEh4312 n123n1234第二章原子的量子态

36、第二章原子的量子态 氢原子能够的轨道和能级氢原子能够的轨道和能级( (临近轨道的间距随临近轨道的间距随n n的添加而添加的添加而添加) ) 实践察看大量原子的光谱时实践察看大量原子的光谱时,各种轨道的电子运动可在不同各种轨道的电子运动可在不同的原子中分别实现的原子中分别实现,继续察看一段时间继续察看一段时间,各种能级间的电子跃各种能级间的电子跃迁都可察看到迁都可察看到,所以各种光谱线看起来是同时出现的。所以各种光谱线看起来是同时出现的。 至此至此,玻尔模型胜利地解释了氢光谱玻尔模型胜利地解释了氢光谱,解开了近解开了近30年的年的“巴尔巴尔末公式之谜。末公式之谜。图示中，每一横线表示一个能级；两

37、相邻能级的间隔表示能量的差别；图示中，每一横线表示一个能级；两相邻能级的间隔表示能量的差别；能级间隔随能级间隔随n的添加而渐减，趋近于的添加而渐减，趋近于0。第二章原子的量子态第二章原子的量子态2.类氢离子的光谱类氢离子的光谱2e2ZeHHHHH第二章原子的量子态第二章原子的量子态玻尔实际可胜利地用于类氢离子，描画很简单，只需在玻尔实际可胜利地用于类氢离子，描画很简单，只需在原有公式中出现原有公式中出现 时乘以时乘以Z使之为使之为 即可。即可。由此知，类氢离子的谱线较氢要多，位置也不同。由此知，类氢离子的谱线较氢要多，位置也不同。爱因斯坦称玻尔实际是一个爱因斯坦称玻尔实际是一个“伟大的发现。伟

38、大的发现。4.一定氘一定氘(D)的存在的存在 尤雷发现氢的尤雷发现氢的 线线6562.79 旁有一条与之很旁有一条与之很近的谱线近的谱线6561.00 ，两者仅差，两者仅差1.79 。他认定。他认定这是氢的同位素氘，以为这是氢的同位素氘，以为 经过计算两者的里德伯常数进而算出相应的波长，结果经过计算两者的里德伯常数进而算出相应的波长，结果与实验甚符，从而一定了氘的存在。与实验甚符，从而一定了氘的存在。0A H0A21 DHmmNoImage0A第二章原子的量子态第二章原子的量子态2-4实验验证之二：实验验证之二：夫兰克赫兹实验夫兰克赫兹实验 玻尔实际的要点：原子内部存在稳定的量子态，电子在量玻

39、尔实际的要点：原子内部存在稳定的量子态，电子在量子态间的跃迁伴随着电磁辐射。子态间的跃迁伴随着电磁辐射。 光谱分析：从电磁辐射的分立特征证明了量子态的存在。光谱分析：从电磁辐射的分立特征证明了量子态的存在。 玻尔实际发表的第二年即玻尔实际发表的第二年即1914年，夫兰克和赫兹用电年，夫兰克和赫兹用电子束碰撞原子的方法使原子从低能级被激发到高能级，从子束碰撞原子的方法使原子从低能级被激发到高能级，从而证明了量子态的存在即能级的存在。而证明了量子态的存在即能级的存在。第二章原子的量子态第二章原子的量子态假设电子在假设电子在KG空间与原子碰撞，原子获得能量被激发，空间与原子碰撞，原子获得能量被激发，电子能量减小以致达不到电子能量减小以致达不到AKGAVA0.5 VHg第二章原子的量子态第二章原子的量子态4.9 V1, 2,3,Unn电流突降的电压相差都是电流突降的电压相差都是4.9V第二章原子的量子态第二章原子的量子态3002001000510154.99.81