14-4氢原子光谱和玻尔的量子论.ppt

1、1,15-4 氢原子光谱和玻尔的量子论 量子理论发展进程中必须提及的贡献 首次把量子思想用到原子结构和原子光谱,1.原子的核式(行星)结构,人们通过大量实验确认了 卢瑟福的原子核式模型,一、实验事实,2.原子光谱 离散的线状谱,2,测得氢可见光光谱的红线,3,2) 氢原子光谱的规律,巴耳末公式,R称为里德伯常量,则巴耳末公式写成,4,后在实验上又进一步发现氢光谱的其他线系,需进一步总结其光谱规律,5,推广巴耳末公式 得到广义巴耳末公式,6,3)光谱项 里兹组合原理 将氢原子光谱规律推广到一般发光 得,称为光谱项,二、经典物理的困难 1.怎么解释原子是稳定的 按照经典理论 电子绕着原子核在高速旋

2、转 将不断辐射电磁波 能量的不断减少 最终 电子将坍缩到原子核上 2.怎么解释原子的线状谱 经典电动力学无能为力,7,三、玻尔的量子论,1.关于原子的三条假设 以普朗克能量子和爱因斯坦光子概念为基础,1)定态假设 原子系统只能处在一系列不连续的能量状态 这些状态称为原子系统的稳定状态 简称定态 相应能量分别记为 E1, E2, E3 ,(E1E2E3 ),8,2) 跃迁假设(频率条件) 当原子从一个能量为En的定态跃迁到另一个 能量为Em的定态时发射(或吸收) 一个 频率为的光子 频率条件是,3)角动量量子化假设 定态时 角动量取值是量子化的 量子化条件是,9,2.玻尔对氢原子的工作 根据三条

3、假设 1)求出了氢原子的能级公式,10,电子轨道半径,11,能量公式,12,氢光谱导出公式,13,算例,可能幅射的谱线波长,14,2)氢原子光谱线的波数公式,3. 玻尔的贡献 1)成功地揭开了“巴耳末公式之迷” 2)首次打开了人们认识原子结构的大门 3)定态和频率假设在原子结构和分子结构 的现代理论中仍是重要概念 4)为量子力学的建立奠定了基础 但他的 理论是半经典的 仍保留了“轨道”概念,15,4. 能级分立的实验验证 - 夫兰克-赫兹实验 1) 原理 利用电子碰撞基态水银原子 若原子能量是一份一份的(能级) 则电子损失能量也是一份一份的,激发态 基态,16,2) 物理图像 若电子动能 EK

4、E2 - E1 则电子损失一部分能量 电子将走得慢些 若电子动能 EKE2 - E1 则电子可能会 连续损失几个的E2-E1能量,17,3)实验装置及实验结果,18,4)实验过程 观察电流变化 如果电流下降 说明电子损失能量 所以要单调地升电压 观察全过程 中电压在什么值时电流下降(电子损失能量) 发现电流下降对应的相邻电压值差为4.9V,19,根据发光的频率条件可知 水银原子的基态和第1激发态的能量差是,从而证明了能级分立,20,玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很大的贡献- 1922年玻尔获诺贝尔物理奖,玻尔正在讲解他的 互补原理,玻尔（左）和 海森伯（中） 泡利（右）在一起,21,哥本

5、哈根学派 在玻尔研究所里学术空气 很浓，玻 尔演讲后与听众踊跃讨论(左上图)。 玻尔婉拒卢瑟福和普朗克的邀请，留在丹 麦工作。,22,总结： 氢原子光谱和玻尔的量子论,一、原子的核型结构模型及其与经典理论的矛盾,汤姆孙模型,卢瑟福的核型结构模型,经典物理学理论的两点结论：,(1) 原子不断地向外辐射电磁波，随着电子运动轨道半径的不断减小，辐射的电磁波的频率将发生连续变化；,(2) 原子的核型结构是不稳定结构，绕核旋转的电子最终将落到原子核上。,经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的。原子发光的光谱是线光谱，而不是经典物理学理论所预示的连续谱。,23,二、氢原子光谱的规律性,为里德伯常数,见

6、光范围内氢原子光谱的四条谱线,波数,紫外区、红外区和远红外区的谱线的波数,莱曼系,24,帕邢系,布拉开系,普丰德系,将上述五个公式综合为一个公式：,也可以写为,把对应于任意两个不同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，这个规律称为组合原理。,25,三、玻尔的量子论,玻尔量子论的三个假设：,1 定态假设：原子处于一系列不连续的稳定状态。具有一定的能量、不辐射电磁波。,3 跃迁假设,2 角动量量子化,对于氢原子，由库仑定律和牛顿第二定律，得,轨道半径和运动速率为,26,玻尔半径,氢原子系统的总能量,电子由n跃迁到k(n)时，发出光子的频率为,对应的波数为,27,式中,此理论值与里德伯常量的实验值符合得很好。,尽管玻尔的量子理论在氢原子问题上取得了很大 成功，但是由于这