氢原子光谱和玻尔的量子论

1、电子的发现电子的发现 1858年年德国物理学家德国物理学家普鲁克普鲁克利用盖斯勒放电利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色辉光；出现了美丽的绿色辉光； 1876年年德国物理学家德国物理学家哥尔德斯坦哥尔德斯坦证实这种绿证实这种绿色辉光是由阴极上所产生的某种射线射到玻色辉光是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射阴极射线线”。 15-4 氢原子光谱和玻尔的量子论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一、原子的核型结构模型及其与经典理论的矛盾

2、 法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波，英国物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了一、二十年，促使许多物理学家进行很有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆逊解决了。 1897年，J. J. 汤姆逊发现，不管怎样改变放电管中的气体的种类，也不管怎样改变电极的材料，阴极射线粒子的荷质比始终保持不变，这就意味着阴极射线是一种荷质比完全确定的粒子流所组成的，由此断定，这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。 1897年8月，J. J. 汤姆逊把他的发现写成论文“阴极射线”，10月发表在哲学杂志上。1910年，密立根年，密立根(R. A. Millikan)精确测定电子

3、精确测定电子 的电荷值；的电荷值；e= -1.60217653(14) 10-19 Cme=9.1093826(16) 10-31 Kg电子质量电子质量原子质量原子质量 电子的发现再一次否定了原子不可分的观念，电子是第一个被发现的微观粒子，电子的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用。 J. J. 汤姆逊由于发现电子而于1906年荣获诺贝尔物理学奖，J. J. 汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。 电子的发现在科学技术上诱发了电子时代的来临，1904年，A.弗莱明发明了二极电子管，1906年，L.德弗莱斯特(L.de Forest)发明了三极管。真空管的发明，使电力通讯、

4、控制合自动化生产很快发展。晶体管集成电路的发明，使人类进入微电子科技时代。 J. J. 汤姆逊，1856年12月18日生于英国，1884年任卡文迪许实验室教授，这个实验室在他的领导下，成了全世界引人注目的物理实验中心，世界各地的科学家常来这里开展研究工作，其中有八位后来获得诺贝尔奖，如卢瑟福、威尔逊、巴克拉）、G. P. 汤姆逊等，如后表所示，这八位获奖者是他直接培养过的，卡文迪许实验室获得诺贝尔奖的共有25人次。 获奖者获奖者获奖时间和奖项获奖时间和奖项获奖原因获奖原因E. 卢瑟福卢瑟福1908化学奖化学奖研究元素蜕变和放射性化学研究元素蜕变和放射性化学W. H. 布拉格布拉格1915物理学

5、奖物理学奖用用X射线法分析晶体结构射线法分析晶体结构W. L. 布拉格布拉格C. G. 巴尔克拉巴尔克拉1917物理学奖物理学奖发现元素的特征发现元素的特征X射线辐射射线辐射F. W. 阿斯顿阿斯顿1922化学奖化学奖研究原子的结构和辐射研究原子的结构和辐射C. T. R. 威尔逊威尔逊1927物理学奖物理学奖用蒸汽凝聚使带电粒子可见的方法用蒸汽凝聚使带电粒子可见的方法O. W. 里查森里查森1928物理学奖物理学奖发现电子放射决定于温度的里查森发现电子放射决定于温度的里查森定律定律G. P. 汤姆逊汤姆逊1937物理学奖物理学奖用电子照射实验发现晶体内的干涉用电子照射实验发现晶体内的干涉现象

6、现象1903年年J.J.汤姆孙提出：原子中的汤姆孙提出：原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为在半径为10-10m的球体范围内，的球体范围内，而原子中的电子浸于此球中。而原子中的电子浸于此球中。1 1、原子的葡萄干蛋糕模型、原子的葡萄干蛋糕模型缺点：缺点：不能解释正负电荷不中和；不能解释正负电荷不中和；不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释不解释粒子大角度散射。粒子大角度散射。2 2、粒子散射实验粒子散射实验大部分大部分粒子穿过金箔后只偏转很小的角度；但是在实粒子穿过金箔后只偏转很小的角度；但是在实验中竟然发现有少量验中竟然发现有少

7、量粒子的偏转角度大于粒子的偏转角度大于900，甚至，甚至约有几万分之一的粒子被向后散射了。约有几万分之一的粒子被向后散射了。粒子大角度散射否定了汤姆孙的原子模型。粒子大角度散射否定了汤姆孙的原子模型。 3 3、卢瑟福的原子有核模型或行星模型卢瑟福的原子有核模型或行星模型1911年，年，卢瑟福卢瑟福提出原子提出原子有核模型有核模型或称或称行星模型行星模型：原子的中心有一个带正电的：原子的中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的大小与整个电子围绕这个核旋转，核的大小与整个原子相比是很小的。原子相比是很小的。原子的有核模型可以

8、原子的有核模型可以解释粒子的大角度散射问题。解释粒子的大角度散射问题。4 4、卢瑟福的原子有核模型的困难、卢瑟福的原子有核模型的困难行星式原子模型存在两大困难：行星式原子模型存在两大困难：经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的： 原子在正常情况下并不辐射能量；原子在正常情况下并不辐射能量； 原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。 原子的结构是稳定的。原子的结构是稳定的。经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的： 原子在正常情况下并不辐射能量；原子在正常情况下并不辐射能

9、量； 原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。 原子的结构是稳定的。原子的结构是稳定的。二、氢原子光谱的规律性二、氢原子光谱的规律性 氢原子的巴耳末线系照片氢原子的巴耳末线系照片 可见光范围内氢原子光谱的四条谱线的波长：可见光范围内氢原子光谱的四条谱线的波长： , 6 , 5 , 4 , 3 , 2222nnnBB=364.57 nm巴耳末系巴耳末系1222111nB2221212nB22121nRn=3,4,5,6,172m1050973731568. 12BR 为为里德伯常数里德伯常数1916年，年，莱曼系莱曼系 紫外光区紫外光区(), ,Rnn1112

10、 3221885年，年，巴耳末系巴耳末系 可见光区可见光区5 , 4 , 3 , )121(22nnR1908年，年，帕邢系帕邢系 红外光区红外光区(), ,Rnn1314 5221922年，年，布拉开系布拉开系 红外光区红外光区(), ,Rn，年，普丰德系普丰德系 红外光区红外光区(), ,Rnn1516 722将上述五个公式综合为一个公式：将上述五个公式综合为一个公式： )(2211nkRknk和和n都是正整数，且都是正整数，且 k n。( )( )knT kT n其中其中 22nRnTkRkT)(,)(光谱项光谱项 把对应于任意两个不同正整数的光谱项合并起来组把

11、对应于任意两个不同正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，成它们的差，便得到氢原子光谱中一条谱线的波数，这个规律称为里兹这个规律称为里兹组合原理组合原理。 经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的： 原子在正常情况下并不辐射能量；原子在正常情况下并不辐射能量； 原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。 原子的结构是稳定的。原子的结构是稳定的。1 1、巴耳末系、巴耳末系获得氢光谱在可见光范围获得氢光谱在可见光范围内有四条内有四条 H H H HH ：红色红色 656.210nmH ：深绿

12、深绿 486.074nmH ：青色青色 434.010nmH ：紫色：紫色 410.120nm瑞典的埃格斯特朗在瑞典的埃格斯特朗在1853年年首先观测到的，波长的单位首先观测到的，波长的单位就是以他的名字命名的。就是以他的名字命名的。18851885年，瑞士数学家年，瑞士数学家巴耳末巴耳末把氢原子的前四条谱线归纳把氢原子的前四条谱线归纳巴耳末巴耳末公式公式, 5 , 4 , 3 2222 nnnB nm57.364B1890年，里德伯采用波数年，里德伯采用波数/1, 5 , 4 , 3 12122nnR17m104 153 373 097. 1 R里德伯常量里德伯常量二、氢原子光谱的规律性二、

13、氢原子光谱的规律性巴耳末巴耳末系系波长极限值波长极限值2 2、氢原子光谱规律、氢原子光谱规律, 4 , 3 , 2 )111(22nnR, 6 , 5 , 4 )131(22nnR, 7 , 6 , 5 )141(22nnR, 8 , 7 , 6 )151(22nnR赖曼系赖曼系(1916)紫外部分紫外部分帕邢系帕邢系(1908)可见光可见光布喇开系布喇开系(1922)近红外部分近红外部分普丰德系普丰德系(1924)红外部分红外部分, 9 , 8 , 7 )161(22nnR汉弗莱系汉弗莱系(1953)远红外部分远红外部分当当k一定时，由不同的一定时，由不同的n构成一个谱系；不同的构成一个谱系

14、；不同的k构成不同的谱系。构成不同的谱系。)11(22nkRkn统一公式统一公式k和和n都是正整数，且都是正整数，且 k n。( )( )knT kT n其中其中 22nRnTkRkT)(,)(光谱项光谱项 任意两个不同整数的光谱项合并起来组成它们的差任意两个不同整数的光谱项合并起来组成它们的差,就得到氢就得到氢原子光谱中一条谱线的波数原子光谱中一条谱线的波数, 这是里兹在这是里兹在1908年发现的。年发现的。里兹组合原理：里兹组合原理：实验表明：实验表明：原子具有线光谱；原子具有线光谱；各谱线间具有一定的关系各谱线间具有一定的关系;每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。每一谱线的波数都可表

15、达为两个光谱项之差。在在1913年发表了年发表了论原子结构与分子结构论原子结构与分子结构等三等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地解释了氢原子的光谱规律。满地解释了氢原子的光谱规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子物理的形成，具有划时代的意义。量子物理的形成，具有划时代的意义。玻尔于玻尔于1922年年12月月10日诺贝尔诞生日诺贝尔诞生100周年之际，周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。在

16、瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。1937年，他来中国作学术访问，表达了对中国人年，他来中国作学术访问，表达了对中国人民的友好情谊。民的友好情谊。丹麦理论物丹麦理论物理学家，现理学家，现代物理学的代物理学的创始人之一。创始人之一。 1885-1962三、氢三、氢原子的玻尔理论原子的玻尔理论定态假说：定态假说：电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动，电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动，而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态）并具有一定而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态）并具有一定的能量。的能量。其中其中n=1,2,3,.称称为主量子数为主量子数nhnmrvL 2量子化

17、条件：量子化条件：电子以速度电子以速度v在半径为在半径为r的圆周上绕核运动时，的圆周上绕核运动时，只有电子角动量只有电子角动量L等于等于h/(2 )的整数倍的那些轨道才是稳定的的整数倍的那些轨道才是稳定的1 1、玻尔的基本假设玻尔的基本假设跃迁假设：跃迁假设：当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，即电子从高能量即电子从高能量Ei的轨道跃迁到低能量的轨道跃迁到低能量Ef的轨道上时，要的轨道上时，要发射能量为发射能量为h 的光子：的光子：fiEEh 卢瑟福的原子核模型卢瑟福的原子核模型氢原子光谱的巴尔末公式氢原子光谱的巴尔末公式普朗克能量子概念普朗克能量子概念2 2、玻尔的、玻尔的氢原子图象氢原子图象电子轨道半径电子轨道半径电子在半径为电子在半径为rn的轨道上以速率的轨道上以速率vn运动运动20224nnnrervm 2hnrmvnn nnmrnhv 2 2202 mehnrn mmehr10220110529. 0 , 321 12， nrnrn玻尔半径玻尔半径n=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r1原子能级原子能级2220402218421nhmeremvEnnn eVhm