大学物理氢原子的玻尔理论

1、 十九世纪末二十世纪初，一些实验现十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现，如电子、象相继发现，如电子、 X 射线和放射性元射线和放射性元素的发现表明原子是可以分割的，它具有素的发现表明原子是可以分割的，它具有比较复杂的结构，原子是怎样组成的？原比较复杂的结构，原子是怎样组成的？原子的运动规律如何？对这些问题的研究形子的运动规律如何？对这些问题的研究形成了原子的量子理论。成了原子的量子理论。 1897年，年，J.J.汤姆逊发现电子以后，汤姆逊发现电子以后，人们就知道原子中除有电子以外，一定还人们就知道原子中除有电子以外，一定还存在着带正电的部分。而且原子内正、负存在着带正电的部分。而且原子内

2、正、负电荷相等。电子和正电荷是如何分布的呢？电荷相等。电子和正电荷是如何分布的呢？4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 一、原子结构的探索一、原子结构的探索 1903年年 J. .J. .汤姆逊汤姆逊提出，原子中的正电荷提出，原子中的正电荷和原子质量均匀地分布和原子质量均匀地分布在半径为在半径为10-10m的球体的球体内，电子浸于此球体中，内，电子浸于此球体中，即即“葡萄干蛋糕模型葡萄干蛋糕模型”。卢瑟福是卢瑟福是J. .J. .汤姆逊的汤姆逊的学生，提出了原子的有学生，提出了原子的有核模型。核模型。4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 一、原子结构的探索一、原子结构的

3、探索 原子很小，只有原子很小，只有10-11m，无法直接观，无法直接观察，只有通过实验现象去分析研究。察，只有通过实验现象去分析研究。.利用原子发光谱线规律。利用原子发光谱线规律。.用高能粒子轰击物质中的原子，使高能用高能粒子轰击物质中的原子，使高能粒子穿到原子内部发生作用，从观察到的粒子穿到原子内部发生作用，从观察到的现象解释原子内部结构。现象解释原子内部结构。4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 一、原子结构的探索一、原子结构的探索 卢瑟福用卢瑟福用 粒子轰击原子，探索原子粒子轰击原子，探索原子内部结构，并提出原子的有核模型。内部结构，并提出原子的有核模型。 粒子为氦核粒子为氦

4、核He24以以c/15轰击金箔，轰击金箔，在原子中带电物质的电场力作用下，使它在原子中带电物质的电场力作用下，使它偏离原来的入射方向，从而发生散射现象。偏离原来的入射方向，从而发生散射现象。氦核质量是电子质量的氦核质量是电子质量的 7500倍，倍， 粒子粒子运动不受电子影响。运动不受电子影响。4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 二、卢瑟福的原子有核模型二、卢瑟福的原子有核模型绝大部分粒子经金绝大部分粒子经金箔散射后，散射角箔散射后，散射角很小很小23，1/8000的粒子偏转大于的粒子偏转大于90 041071090180粒子相对数4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / /

5、二、卢瑟福的原子有核模型二、卢瑟福的原子有核模型. .原子的中心是原子核，几乎占有原子的原子的中心是原子核，几乎占有原子的全部质量，集中了原子中全部的正电荷。全部质量，集中了原子中全部的正电荷。. .电子绕原子核旋转。电子绕原子核旋转。. .原子核的体积比原原子核的体积比原子的体积小得多。子的体积小得多。原子半径原子半径10-10m原子核半径原子核半径10-14 10-15m4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 二、卢瑟福的原子有核模型二、卢瑟福的原子有核模型 按经典理论电子绕核按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，将不断向四周辐射电

6、磁波，它的能量不断减小，从而它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。落入原子核中。轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，率也是连续的， 原子光谱应是连续的光谱。原子光谱应是连续的光谱。实验表明原子相当稳定，这一结论与实验实验表明原子相当稳定，这一结论与实验不符。实验测得原子光谱是不续的谱线。不符。实验测得原子光谱是不续的谱线。4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 二、卢瑟福的原子有核模型二、卢瑟福的原子有核模型 粒子散射实验确定了原子有核结构，粒子散射实验确定了原子有核结构，但它对核外电子并没提

7、供什么信息，原子但它对核外电子并没提供什么信息，原子光谱提供了这方面的信息。光谱提供了这方面的信息。 每种原子光谱有固定分布，可根据光每种原子光谱有固定分布，可根据光谱分析物质的元素组成。谱分析物质的元素组成。 1885年，瑞士数学家巴尔末首先发现年，瑞士数学家巴尔末首先发现氢原子的线光谱在可见光部分的谱线。氢原子的线光谱在可见光部分的谱线。4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 三、氢原子光谱的规律性三、氢原子光谱的规律性4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 三、氢原子光谱的规律性三、氢原子光谱的规律性2222-nnB)6 ,5 ,4 ,3(n常数常数 nm56.364

8、B当当 n= =3，4，5，6，为四条可见光谱线，为四条可见光谱线H、H、H、H 。当当n= =7，8，9，10，为四条紫外部分谱线，为四条紫外部分谱线HH3 .6563nH3 .4864H5Hnm56.364氢原子巴尔末线系氢原子巴尔末线系4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 三、氢原子光谱的规律性三、氢原子光谱的规律性1896年里德伯（瑞士）用波数年里德伯（瑞士）用波数1来表示，现用于光谱学中。来表示，现用于光谱学中。波数：波数：单位长度中所包含的波形数目。单位长度中所包含的波形数目。12241nnB-221214nB-22121nR,5 ,4 ,3n里德伯常数里德伯常数17m

9、10097373.1-R4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 三、氢原子光谱的规律性三、氢原子光谱的规律性光谱在紫外区域的谱线光谱在紫外区域的谱线-莱曼线系。莱曼线系。-22111nR,4 ,32，n在红外区还有三个线系在红外区还有三个线系帕邢系帕邢系-22131nR,6 ,5 ,4n4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 三、氢原子光谱的规律性三、氢原子光谱的规律性布拉开系布拉开系-22141nR，7 ,6 ,5n普丰特系普丰特系-22151nR， 87 ,6n4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 三、氢原子光谱的规律性三、氢原子光谱的规律性-2211nkR

10、5 ,4 ,3 ,2 ,1k,3,21kkkn，莱莱曼曼系系巴巴尔尔末末系系帕帕邢邢系系布布拉拉开开系系普普丰丰特特系系4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 三、氢原子光谱的规律性三、氢原子光谱的规律性 光谱的产生是由于原子吸收能量后跃光谱的产生是由于原子吸收能量后跃迁到高能态，由于不稳定又跳回低能态，迁到高能态，由于不稳定又跳回低能态，以释放光子形式来释放能量，形成不同波以释放光子形式来释放能量，形成不同波长的光谱线。长的光谱线。低能级低能级E1高能级高能级E2光子光子能级跃迁辐射能级跃迁辐射4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 三、氢原子光谱的规律性三、氢原子光谱的

11、规律性4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 四、氢原子的玻尔理论四、氢原子的玻尔理论4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 四、氢原子的玻尔理论四、氢原子的玻尔理论 玻尔认为电子绕核作圆周运动不发射玻尔认为电子绕核作圆周运动不发射电磁波，并保持原子结构的稳定。在原子电磁波，并保持原子结构的稳定。在原子有核基础上应用量子化概念，提出三个基有核基础上应用量子化概念，提出三个基本假设，该理论是经典理论和普朗克量子本假设，该理论是经典理论和普朗克量子化概念的混合。为半经典理论或早期氢原化概念的混合。为半经典理论或早期氢原子的量子理论。子的量子理论。4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的

12、玻尔理论 / / 四、氢原子的玻尔理论四、氢原子的玻尔理论 电子在原子中，可以在一些特定的圆电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动而不辐射电磁波，这时原子处轨道上运动而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（简称定态），并具有一定的于稳定状态（简称定态），并具有一定的能量。能量。 电子以速度电子以速度 v 在半径为在半径为 r 的圆周上绕的圆周上绕核运动时，只有电子的角动量核运动时，只有电子的角动量 L 等于等于h/ /2 的整数倍的那些轨道才是稳定的，即的整数倍的那些轨道才是稳定的，即mvrL2/nh4 ,3 ,2 ,1n4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 四、氢原子的玻尔理论

13、四、氢原子的玻尔理论n 为主量子数，上式叫量子化条件。为主量子数，上式叫量子化条件。 当原子从定态当原子从定态 Ei 跃迁到定态跃迁到定态 Ef 要发要发射或吸收频率为射或吸收频率为 的光子，的光子， |fiEEh-hEEfi|-当当 Ei Ef 原子发射光子。原子发射光子。当当 Ei 1 的为激发态。的为激发态。4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 四、氢原子的玻尔理论四、氢原子的玻尔理论2122EEeV4 .3-2133EEeV51.1-2144EEeV85.0-赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系eV6 .13-1neV40.3-2neV51.1-3neV

14、85.0-4n0En. .氢原子的电离能氢原子的电离能当当n原子被电离原子被电离-自由态，电子自由态，电子不受原子核束缚。不受原子核束缚。4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 四、氢原子的玻尔理论四、氢原子的玻尔理论电离能：电离能：把电子从氢原子第一玻尔轨道移把电子从氢原子第一玻尔轨道移到无穷远所需能量。到无穷远所需能量。1EEE-eV6 .13例例1：计算氢原子基态电子的轨道角动量、计算氢原子基态电子的轨道角动量、线速度。线速度。解：解： 基态基态 n = = 121hnLsJ10055.134-2106 .634-4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 四、氢原子的玻

15、尔理论四、氢原子的玻尔理论111rmLve10313410529.01011.910055.1-m/s1019.26例例2：用用 12.6eV 的电子轰击基态原子，这的电子轰击基态原子，这些原子所能达到最高态。些原子所能达到最高态。解：解：如果氢原子吸收电子全部能量它所具如果氢原子吸收电子全部能量它所具有能量有能量4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 四、氢原子的玻尔理论四、氢原子的玻尔理论6 .121EE6 .126 .13-eV0 .1-轨道能量轨道能量21nEEn26 .13n-eV0 .1-6 .13n69.33n取取 由玻尔第三假设电子从高能态跳到低由玻尔第三假设电子从高能态跳到低能态发射单色光频率能态发射单色光频率4.4.氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论 / / 四、氢原子的玻尔理论四、氢原子的玻尔理论)(1fiEEh-原子辐射单色光波数原子辐射单色光波数c)(1fiEEch-由由-2204281hmenEn-223204118