(7.5.1)--17.4氢原子光谱.pdf

氢原子光谱氢原子光谱 原子光谱是研究和了解原子内部结构的重要方法原子光谱是研究和了解原子内部结构的重要方法 研究原子结构规律有两条途径：研究原子结构规律有两条途径：1 1 利用高能粒子轰击原子利用高能粒子轰击原子轰出未知粒子来研究轰出未知粒子来研究(高能物理高能物理)；2 2 通过在外界激发下，原子的发射光谱来研究通过在外界激发下，原子的发射光谱来研究(光谱分析光谱分析)。一、一、氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律,A 4340.5 0 =H ,A 4861.3 0 =H ,A 6562.8 0 =H c=规律一：氢原子光谱是彼此分裂的规律一：氢原子光谱是彼此分裂的线状光谱线状光谱，每一条谱线具每一条谱线具有确定的波长有确定的波长 （或频率（或频率 ）c光速光速 规律二：每一条谱线的波数都可以表示为两项之差规律二：每一条谱线的波数都可以表示为两项之差)()(nTkT=)11(122nkR=)(kT)(nT或或 就被称为就被称为光谱项光谱项,nk 里德伯常数里德伯常数 17100967761=mR里兹并合原理里兹并合原理 1=令：令：称为称为波数波数 即单位长度内完整波的个数即单位长度内完整波的个数 1=k、3的谱线系叫赖曼线系；（紫外）的谱线系叫赖曼线系；（紫外）2=n2=k3=k5=k、4的谱线系叫巴尔末线系；（可见）的谱线系叫巴尔末线系；（可见）3=n、5的谱线系叫帕邢线系的谱线系叫帕邢线系 4=n、7的谱线系叫普芳德线系的谱线系叫普芳德线系 6=n规律三：规律三：取一定值时，取一定值时，取大于取大于 的各整数所对应的各条的各整数所对应的各条谱线构成一谱线构成一谱线系谱线系，每一谱线系都有一极限波长每一谱线系都有一极限波长 nkk)11(122nkR=4=k5、6的谱线系叫布拉开线系的谱线系叫布拉开线系 =n224nBn=nmB47.365=巴尔末系巴尔末系 当当n=3,4,5,n=3,4,5,时时，分别为，分别为H H ,H H ,H H ,等等谱线的波长谱线的波长 )121(422nBcc=)121(4122nB=18851885年，氢原子光谱在可见光部分的规律年，氢原子光谱在可见光部分的规律 二、二、卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型 1897年，年，JJ汤姆逊发现了汤姆逊发现了电子电子，人们认识到，人们认识到原子是有内部结构的原子是有内部结构的 1904年，汤姆逊提出了原子的一种模型（原子的年，汤姆逊提出了原子的一种模型（原子的实心球模型实心球模型）原子有核模型原子有核模型 1911年，卢瑟福为了证实汤姆逊的原子模型，做了年，卢瑟福为了证实汤姆逊的原子模型，做了 粒子散射实验粒子散射实验 原子的全部正电荷和几乎全部质量，都集中原子的全部正电荷和几乎全部质量，都集中在原子的中心，叫做原子核，核的半径大约在原子的中心，叫做原子核，核的半径大约为为 ，电子围绕原子核做圆周运动，电子围绕原子核做圆周运动 m1510 按照经典电磁理论，电子绕核做加速运动时，要辐射电磁波，电磁按照经典电磁理论，电子绕核做加速运动时，要辐射电磁波，电磁波的频率就是电子绕核旋转的频率。由于辐射电磁波，电子的能量不断波的频率就是电子绕核旋转的频率。由于辐射电磁波，电子的能量不断地减少，转动频率不断地改变地减少，转动频率不断地改变 辐射电磁波的光谱是连续的辐射电磁波的光谱是连续的 问题问题 电子最终要塌缩到原子核上电子最终要塌缩到原子核上？三、三、玻尔氢原子量子论玻尔氢原子量子论 玻尔玻尔（Bohr）（1）定态假设：）定态假设：原子系统只能处在一系列具有不连续能量原子系统只能处在一系列具有不连续能量的状态，在这些状态上电子虽然绕核做圆的状态，在这些状态上电子虽然绕核做圆周运动但并不向外辐射电磁波周运动但并不向外辐射电磁波。这些状态这些状态称为原子系统的稳定状态（简称定态）。称为原子系统的稳定状态（简称定态）。nEEE,21这些定态的能量：这些定态的能量：1、基本假设、基本假设（2）跃迁假设：）跃迁假设：电子电子从一个能量为从一个能量为En 稳定态跃迁稳定态跃迁 到另一能量为到另一能量为Ek稳稳定态时，要吸收或发射一个频率为定态时，要吸收或发射一个频率为 的光子，有：的光子，有：hEEknkn=辐射频率公式辐射频率公式 称为普朗克常数称为普朗克常数 knnkhEE=346.63 10hJ s=轨道半径r)3,2,1(2=nnhnmvrL（3）量子化条件：）量子化条件：在这些稳定状态下电子绕核运动的轨道角动量的值，在这些稳定状态下电子绕核运动的轨道角动量的值，必须为必须为 h/2 的整数倍，是不连续的，即有：的整数倍，是不连续的，即有：2）氢原子轨道半径的计算）氢原子轨道半径的计算=2hnmvr由量子化条件及牛顿定律：由量子化条件及牛顿定律：42202rmvre=3,2,1=n轨道量子化轨道量子化 1=n)9r ,4r ,(r 11112rnrn=2202mehnrn=角动量量子化角动量量子化 库仑力库仑力=向心力向心力 玻尔半径玻尔半径 11015 3 10 0 53rmA=r1 4r1 9r1 16r1 m vrn=4 n=3 n=2 n=1 3）能量的计算）能量的计算 电子在量子数为电子在量子数为n的轨道上运动时，的轨道上运动时，原子系统总能量是：原子系统总能量是：eVn613E,11=时=时基态能量基态能量 其它激发态：其它激发态：21nEEn=421022nnnremvE=能量是量能量是量子化的子化的 2204281hmenEn=)3,2,1(=n3 氢原子光谱的理论解释氢原子光谱的理论解释)11(8223204nkhmekn=1732041009737318=mchmeR 从其它能级到同一能级的跃从其它能级到同一能级的跃迁属于同一谱线系。迁属于同一谱线系。-13.6eV13.6eV -3.39eV3.39eV -1.5eV1.5eV -0.85eV0.85eV 2204281hmenEn=hEEknkn=1=n2345莱曼系莱曼系 巴耳末系巴耳末系 帕邢系帕邢系 布拉开系布拉开系 三三 玻尔理论意义与的局限性玻尔理论意义与的局限性 1、玻尔的贡献玻尔的贡献 玻尔氢原子理论完美符合了氢原子光谱的实验规律，玻尔氢原子理论完美符合了氢原子光谱的实验规律，关于“定态”关于“定态”和“能级跃迁决定谱线频率”的假设和“能级跃迁决定谱线频率”的假设是两个重要的基本概念，在量子力学理论中占有重要是两个重要的基本概念，在量子力学理论中占有重要的地位，使物理学理论前进了一大步。的地位，使物理学理论前进了一大步。（1 1）对稍复杂的原子光谱，定性、定量都不能解释）对稍复杂的原子光谱，定性、定量都不能解释 （2 2）对氢原子谱线的强度、宽度、偏振等问题遇到困难。）对氢原子谱线的强度、宽度、偏振等问题遇到困难。2 2、玻尔理论的局限性、玻尔理论的局限性 （3 3）玻尔理论的出发点是经典力学，但又加上一些与经）玻尔理论的出发点是经典力学，但又加上一些与经 典理论不相容的量子化条件来限定稳定状态。这些典理论不相容的量子化条件来限定稳定状态。这些 条件又不能从经典理论中给出解释，引此理论内部条件又不能从经典理论中给出解释，引此理论内部 就存在矛盾，是一种不自洽的理论。这本身就决定就存在矛盾，是一种不自洽的理论。这本身就决定 了理论本身的局限性。了理论本身的局限性。