15-4 氢原子光谱和玻尔的量子论

1、电子的发现1858年德国物理学家普鲁克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出现了美丽的绿色辉光；1876年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿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“阴极射线”。 15-4 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 1 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。 2 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

2、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。31910年，密立根(R. A. Millikan)精确测定电子 的电荷值；e= -1.60217653(14) 10-19 Cme=9.1093826(16) 10-31 Kg电子质量原子质量4 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

3、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、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。 5 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.

4、 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。 6获奖者获奖时间和奖项获奖原因E. 卢瑟福1908化学奖研究元素蜕变和放射性化学W. H. 布拉格1915物理学奖用X射线法分析晶体结构W. L. 布拉格C. G. 巴尔克拉1917物理学奖发现元素的特征X射线辐射F. W. 阿斯顿1922化学奖研究原子的结构和辐射C. T. R. 威尔逊1927物理学奖用蒸汽凝聚使带电粒子可见的方法O. W. 里查森1928物理学奖发现电子放射决定于温度的里查森定律G. P. 汤姆逊1937物理学奖用电子照射实验发现晶体内的干涉现象71903年J.J.汤姆

5、孙提出：原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为10-10m的球体范围内，而原子中的电子浸于此球中。1、原子的葡萄干蛋糕模型缺点：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；不解释粒子大角度散射。82、粒子散射实验大部分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粒子的偏转角度大于900，甚至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。93、卢瑟福的原子有核模型或行星模型1911年，卢瑟福提出原子有核模型或称行星模型：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，电子围绕这个核旋转，核的大小与整个原子相比是很小的。原子的有核

6、模型可以解释粒子的大角度散射问题。4、卢瑟福的原子有核模型的困难10行星式原子模型存在两大困难：2、是在坍塌前原子连续辐射，应得连续的原子光谱。实际上，原子没有发生坍塌；实验上，原子光谱是分立的线光谱。1、原子坍塌，电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射能量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要10-8秒，电子就会落到核上，发生坍塌；11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； 原子发光的光谱是线光谱，而不是连续谱。 原子的结构是稳定的。二、氢原子光谱的规律性 氢原子的巴耳末线系照片 12可见光范围内氢原子光谱的

7、四条谱线的波长： B=364.57 nm巴耳末系n=3,4,5,6, 为里德伯常数131916年，莱曼系 紫外光区1885年，巴耳末系 可见光区1908年，帕邢系 红外光区1922年，布拉开系 红外光区1924年，普丰德系 红外光区14将上述五个公式综合为一个公式： k和n都是正整数，且 k n。其中 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，这个规律称为里兹组合原理。 15三、氢原子的玻尔理论1、玻尔的基本假设定态假设：原子存在一系列不连续的稳定状态，即定态。处于定态中的电子虽然作相应的圆周轨道运动，但不辐射电磁波。角动量量子化假设：n 主量子数量子化条件：电子以速度在半径为r的圆周上绕核运动时，只有电子角动量L等于h/(2p )的整数倍的那些轨道才是稳定的16跃迁假设：原子中的电子从一个轨道跳跃到另一个轨道时，对应于原子系统从一个定态跃迁到另一个定态；只有在此时原子才辐射或吸收一个光子，光子的能量为：172、氢原子的轨道和能量：轨道半径运动速率18玻尔半径n=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r119氢原子系统的总能量 原子的一系列定态的能量是不连续的，即原子能量状态的量子化。每