波尔的氢原子理论PPT学习教案

1、会计学1 波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论PPT课件课件 2 2 新量子力学时代新量子力学时代 1924年，德布罗意年，德布罗意(L. V. de Broglie, 1892-1987) 提出了波粒二象性，尔后由德国的薛定谔提出了波粒二象性，尔后由德国的薛定谔(E. Schrodinger, 1887-1961)与海森堡与海森堡(W. Heisenberg, 19011976)等建立了等建立了 量子力学。量子力学。 第1页/共27页 3 1927 1927年，量子力学开始应用于固体物理，并导致了半年，量子力学开始应用于固体物理，并导致了半 导体、激光、超导研究的发展，此后由此又导致了半导体导体

2、、激光、超导研究的发展，此后由此又导致了半导体 集成电路、电子、通信、电子计算机的发展，使人类进入集成电路、电子、通信、电子计算机的发展，使人类进入 信息时代信息时代.。 19-1 波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论 量子物理起源于对原子物理的研究，人们从高能粒子的量子物理起源于对原子物理的研究，人们从高能粒子的 散射实验和原子光谱中获得原子内部信息。散射实验和原子光谱中获得原子内部信息。 第2页/共27页 4 第3页/共27页 5 一一 玻尔理论的实验基础玻尔理论的实验基础 1 汤姆逊葡萄干面包模型汤姆逊葡萄干面包模型 1903年，汤姆孙提出原子结构模年，汤姆孙提出原子结构模 型：原子里面带正

3、电的部分均匀地型：原子里面带正电的部分均匀地 分布在整个原子球体中，而带负电分布在整个原子球体中，而带负电 的电子镶嵌在带正电的球体之中。的电子镶嵌在带正电的球体之中。 带正电的球体与带负电的电子二者带正电的球体与带负电的电子二者 电量相等，故原子不显电性。电量相等，故原子不显电性。 第4页/共27页 6 2 卢瑟福的核式模型卢瑟福的核式模型 卢瑟福卢瑟福1871年年8月月13日出生在日出生在 新西兰，新西兰，1894年大学毕业，年大学毕业，1895年年 到英国剑桥大学学习，成为到英国剑桥大学学习，成为J.J.汤汤 姆孙的研究生。姆孙的研究生。1908年卢瑟福荣获年卢瑟福荣获 诺贝尔化学奖，同

4、年在曼切斯特大诺贝尔化学奖，同年在曼切斯特大 学任教，继续指导他的学生进行学任教，继续指导他的学生进行 粒子散射的实验研究。粒子散射的实验研究。 卢瑟福的卢瑟福的粒子散射验证了核式模型。粒子散射验证了核式模型。 第5页/共27页 7 粒子散射粒子散射 1 / 8000被反射，被反射， 大部分透过。大部分透过。 粒子束射向金箔：粒子束射向金箔： 4 2 ,2 ,47500 ee Hqemm 原子量为 ， (1)0 2 3 多数 （ ）少数 较大 （ ） 极少数， 反弹 第6页/共27页 8 原子由原子由原子核原子核和和核外电子核外电子 构成，原子核带正电荷，占构成，原子核带正电荷，占 据整个原子

5、的极小一部分空据整个原子的极小一部分空 间，而电子带负电，绕着原间，而电子带负电，绕着原 子核转动，如同行星绕太阳子核转动，如同行星绕太阳 转动一样。转动一样。 1911年，卢瑟福提出原子的年，卢瑟福提出原子的 “有核结构模型有核结构模型” 原子的核式模型原子的核式模型 核的线度为核的线度为10 15 10 14 m， ， 原子线度原子线度10 10m。 。 第7页/共27页 9 二二 氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 2 巴尔末公式巴尔末公式 - 瑞士中学教师瑞士中学教师 , 2, 1, ) 11 ( 1 22 mmn nm R 17 10096776. 1 mR 1 氢原子光谱氢原

6、子光谱 - 里德堡常量里德堡常量 (1) 谱线是分裂的，线状的；谱线是分裂的，线状的； (2) 原子光谱线的波数由光谱项之差确定。原子光谱线的波数由光谱项之差确定。 6562.34861.34340.5 4101.7 H H H H 第8页/共27页 10 此后又发现碱金属也有类似的规律。此后又发现碱金属也有类似的规律。 m确定那个谱线系确定那个谱线系 n确定哪条谱线确定哪条谱线 , 2, 1, ) 11 ( 1 22 mmn nm R mn光谱系光谱系区域区域日期日期 1 2赖曼（赖曼（Lyman）系）系紫外紫外1906年年 2 3巴尔末（巴尔末（Balmer）系）系可见可见1880年年 3

7、 4帕邢（帕邢（Paschen）系）系可见可见1908年年 4 5布喇开（布喇开（Brackett）系）系红外红外1922年年 5 6普芳德（普芳德（Pfund）系）系红外红外1924年年 3 里兹并合原理里兹并合原理 )()( nTmT 光谱项光谱项 ： 2 )( )( m R mT 2 )( )( n R nT 第9页/共27页 11 + 1 原子是原子是”短命短命“的的。电子绕核运动。电子绕核运动 是加速运动必向外辐射能量，电子轨是加速运动必向外辐射能量，电子轨 道半径越来越小，直到道半径越来越小，直到掉到掉到原子核与原子核与 正电荷中和，这个过程时间正电荷中和，这个过程时间m 2 22

8、 0 me nh rn 第13页/共27页 15 (2) 能量是量子化的能量是量子化的 - 能能 级级 ) 4 ( 2 1 0 2 2 n n r e mVE + rn M m Mm r V m r e 2 2 0 2 4 n r e mV 0 2 2 4 2 22 0 me nh rn ) 4 ( 42 1 0 2 0 2 nn n r e r e E n r e 0 2 8 222 4 1 8 0 nh me 原子系统的总能量公式：原子系统的总能量公式： 1 n eVE6 .13 1 2 n eVE4 . 5 2 eV nn E En 22 1 6 .13 第14页/共27页 16 (3)

9、 氢原子光谱氢原子光谱 h EE mn (4) 当当n很大时，量子化特征消失，玻尔结果与经典结果相同，很大时，量子化特征消失，玻尔结果与经典结果相同， 即光谱线连续。即光谱线连续。- 见例见例1 注意：注意：原子的原子的电离能电离能就是从基态跃进到就是从基态跃进到n= 大大 （En=0）状态时所需能量）状态时所需能量 eVEEE6 .13)6 .13(0 1 电电 与实验数据吻合得很好！与实验数据吻合得很好！ 第15页/共27页 17 氢原子的能级和轨道半径：氢原子的能级和轨道半径： 能能 态态 n E/eV rn(nm) 基基 态态 1 13.6 0.053 第一激发态第一激发态 2 3.4

10、 0.212 第二激发态第二激发态 3 1.51 0.476 电离状态电离状态 0 解释解释H H原子光谱原子光谱 第16页/共27页 18 1 2 2 22 0 rn me nh rn 2 1 2 2 2 0 4 1 8n E nh me En , 3 , 2 , 1 n (1)轨道是量子化的。轨道是量子化的。 (2)能量是量子化的。能量是量子化的。 (3)角动量是量子化的。角动量是量子化的。 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论 能级图能级图 基态基态 激激 发发 态态 n h nL 2 第17页/共27页 19 五五 氢原子光谱氢原子光谱 将将En代入频率条件代入频率条件 ) 11 ( 8 22

11、32 0 4 nmh me mn ) 11 ( 8 1 2232 0 4 nmCh me ) 1 2 1 ( 1 22 n R 对照：对照： Ch me R 32 0 4 8 计算值：计算值： 17 10097373.1 mR 17 10096776. 1 mR实验值：实验值： n=2、3、4 22 0 4 2 8 1 h me n En mn EEh 导出里德伯常数导出里德伯常数 经验公式经验公式 第18页/共27页 20 能级图能级图 基态基态 激激 发发 态态 发射发射光谱和光谱和吸收吸收光谱光谱 2 2 吸收吸收光谱：在连续光光谱：在连续光 谱照射下，原子吸收谱照射下，原子吸收 光子，

12、明亮背景上出光子，明亮背景上出 现了若干暗线现了若干暗线。 1 1 发射发射光谱：原子受激后光谱：原子受激后 又自动又自动“退激退激”而自发而自发 发出的辐射。发出的辐射。 第19页/共27页 21 2 局限性局限性 (1)用经典理论推出电子有固定轨道、确定的空间坐标和速度用经典理论推出电子有固定轨道、确定的空间坐标和速度 (2)人为引进量子条件，限制电子运动人为引进量子条件，限制电子运动 (3)只能解释只能解释H及类及类H原子，也解释不了原子的精细结构。原子，也解释不了原子的精细结构。 不不能能自洽自洽。对稍微复杂些的系统，如氦和碱土金属的。对稍微复杂些的系统，如氦和碱土金属的 光谱（谱线的

13、强度、宽度、偏振）等均无法解释。光谱（谱线的强度、宽度、偏振）等均无法解释。 (1)定态能级假设与原子的稳定性；定态能级假设与原子的稳定性；(2)能级间跃迁的频率条件能级间跃迁的频率条件 。 (3)能较好地解释氢原子光谱和类氢原子光谱。能较好地解释氢原子光谱和类氢原子光谱。 六六 玻尔理论的成功及局限玻尔理论的成功及局限 1 成功成功 - 1922年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖 原因原因：它是半经典半量子理论的产物。还应用了：它是半经典半量子理论的产物。还应用了 经典物理的轨道和坐标的概念。经典物理的轨道和坐标的概念。 第20页/共27页 22 玻尔其人：玻尔其人： 他是卢瑟福的学生，在其影响下具有

14、严他是卢瑟福的学生，在其影响下具有严 谨的科学态度，勤奋好学，平易近人，后来谨的科学态度，勤奋好学，平易近人，后来 很多的科学家都有纷纷来到他身边工作。当很多的科学家都有纷纷来到他身边工作。当 有人问他，为什么能吸引那么多科学家来到有人问他，为什么能吸引那么多科学家来到 他身边工作时，他回答说：他身边工作时，他回答说：“因为我不怕在因为我不怕在 青年面前暴露自已的愚蠢青年面前暴露自已的愚蠢”。这种坦率和实。这种坦率和实 事求是的态度是使当时他领导的哥本哈根理事求是的态度是使当时他领导的哥本哈根理 论研究所永远充满活力，兴旺发达的原因。论研究所永远充满活力，兴旺发达的原因。 爱因斯坦评价说：爱因

15、斯坦评价说： “作为一个科学的思想家玻尔具有那么惊人的吸作为一个科学的思想家玻尔具有那么惊人的吸 引力，在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的引力，在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的 结合结合” 第21页/共27页 23 例例1 计算计算H原子中电子从量子数原子中电子从量子数n的状态跃进迁到的状态跃进迁到k=n-1的状态的状态 时发射出光子的频率，证明：当时发射出光子的频率，证明：当n足够大时，这个频率就是电足够大时，这个频率就是电 子在量子数为子在量子数为n的轨道上旋转的频率（经典理论频率）。的轨道上旋转的频率（经典理论频率）。 解：解： ) 11 ( 8 2232 0 4 nkh me nk

16、当当n很大时：很大时： 332 0 4 32 0 4 3 48 2 nh me h me n nk 1 2 2 22 0 rn me nh rn , 3 , 2 , 1 n 2 1 2 2 2 0 4 1 8n E nh me En 32 0 4 22 8)1( )1(2 h me nn n k=n-1 第22页/共27页 24 依经典物理，电子在依经典物理，电子在n轨道上旋轨道上旋 转的频率（发射光的频率）为转的频率（发射光的频率）为 n n r V 2 22 4 n mr nh 2 2 0 2 2 2 )( 4hn me m nh 332 0 4 4nh me 证毕！证毕！ 这实质上是这实

17、质上是对应原理对应原理的必然结果！的必然结果！ 2 0 2 2 me h nrn + rn M m Mm 当当n很大时：很大时： 332 0 4 32 0 4 3 48 2 nh me h me n nk 22 2 2/ 2 nn nn mr nh mr rmV nk 第23页/共27页 25 例例2 用用12.5eV的电子轰击基态的氢原子。的电子轰击基态的氢原子。(1)试确定氢原子所试确定氢原子所 能达到的最高能态；能达到的最高能态；(2)氢原子由上述最高能态跃迁到基态发氢原子由上述最高能态跃迁到基态发 出的光子可能的波长为多少？出的光子可能的波长为多少？(3)欲使处于基态的氢原子电离欲使处于基态的氢原子电离 至少用多大能量的电子轰击氢原子？至少用多大能量的电子轰击氢原子？ 2 1 n E En 5 . 3 1 . 1 6 .13 1 n E E n n3 (2)可能的跃迁方式可能的跃迁方式 解：解：(1)eVEEn1 . 15 .12 1 eVE51. 1 3 eVE4 . 3 2 n=1 n=2 n=3 第24页/共27页 26 32 14 34 19 23 106 . 4 1063. 6 1060. 1)4 . 3(5 . 1 h EE 21 15 34 19 12