大学物理学：19-1波尔的氢原子理论.ppt
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1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学引言：经典物理中要将光看成是电磁波，而光与引言：经典物理中要将光看成是电磁波，而光与原子的相互作用中却要将光看成一颗颗微粒原子的相互作用中却要将光看成一颗颗微粒---这这两种图象很难想像能将它们统一起来两种图象很难想像能将它们统一起来 但是量子力学却将它们统一了但是量子力学却将它们统一了起来，并且大大地扩充了人们的起来，并且大大地扩充了人们的眼界，量子力学的发展分为两个眼界，量子力学的发展分为两个阶段1、旧量子力学时代、旧量子力学时代1913年物理学家玻尔（年物理学家玻尔（N·Bohr））根据卢瑟福根据卢瑟福（（Rutherford））原子模型及氢原子光谱提出了原子模型及氢原子光谱提出了氢原子理论，初步奠定了原子物理基础氢原子理论，初步奠定了原子物理基础 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学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（De Broglie））提出了波粒二提出了波粒二象性，尔后由德国的薛定谔（象性，尔后由德国的薛定谔（S c h r¨d I n g e r））与海森伯（与海森伯（Heisenbeng））等建立了量子力学。
等建立了量子力学o 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学一、玻尔理论的实验基础一、玻尔理论的实验基础 1 、、汤姆姆逊葡萄干面包模型葡萄干面包模型------ 1903年，年，汤姆姆孙提出提出原子原子结构模型：原子里面构模型：原子里面带正正电的部分均匀地分布的部分均匀地分布在整个原子球体中，而在整个原子球体中，而带负电的的电子子镶嵌在嵌在带正正电的球体之中的球体之中带正正电的球的球体与体与带负电的的电子二者子二者电量相等，故原子不量相等，故原子不显电性 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学2、、卢瑟福的核式模型瑟福的核式模型 卢瑟福瑟福1871年年8月月13日出生在新西日出生在新西兰，，1894年年大学大学毕业，，1895年到英国年到英国剑桥大学学大学学习，成，成为J.J.汤姆姆孙的研究生的研究生1908年年卢瑟福荣瑟福荣获诺贝尔化学化学奖，，同年在曼切斯特大学任教，同年在曼切斯特大学任教，继续指指导他的学生他的学生进行行 粒粒子散射的子散射的实验研究。
研究 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学 卢瑟福不瑟福不仅是一位是一位伟大的科学家，而且是一大的科学家，而且是一位受学者尊敬的位受学者尊敬的导师，在他的学生中有十几位，在他的学生中有十几位获得了得了现代科学界最高荣誉代科学界最高荣誉――诺贝尔奖，其中包，其中包括玻括玻尔、、查德威克等德威克等 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学+ +- 粒子散射粒子散射1 / 8000被反射，大部分透被反射，大部分透过 粒子束射向金箔：粒子束射向金箔： 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学 原子由原子核和核原子由原子核和核外外电子构成，原子核子构成，原子核带正正电荷，占据整个原子荷，占据整个原子的极小一部分空的极小一部分空间，而，而电子子带负电，，绕着原子着原子核核转动，如同行星，如同行星绕太太阳阳转动一一样原子的核式模型：原子的核式模型：原子的核式模型：原子的核式模型： 1911年年卢瑟福提出原子瑟福提出原子的的“有核有核结构模型构模型” 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学二、氢原子光谱的实验规律二、氢原子光谱的实验规律 ②②综合经验公式：综合经验公式： HHHH6562.3Å4861.3Å 4340.5Å 4101.7Å①①氢原子光谱氢原子光谱 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学 2 3 4 5 612345mn光光 谱谱 系系区域区域日期日期赖曼（赖曼（Lyman）系）系巴尔末（巴尔末（Balmer）系）系帕邢（帕邢（paschen）系）系布喇开（布喇开（Brackett）系）系普芳德（普芳德（Pfund）系）系紫外紫外可见可见可见可见红外红外红外红外1906年年1880年年1908年年1922年年1924年年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 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学② ② 里兹并合原理里兹并合原理 式中：式中： 称为光谱项称为光谱项 氢原子光谱：谱线是分裂的，线状的；原子光谱线氢原子光谱：谱线是分裂的，线状的；原子光谱线的波数由光谱项之差确定的波数由光谱项之差确定 三、经典电磁理论遇到的困难三、经典电磁理论遇到的困难 卢瑟福原子模型＋经典的电磁理论，必将导出：卢瑟福原子模型＋经典的电磁理论，必将导出： 注意：经典理论解释不了注意：经典理论解释不了H原子光谱原子光谱按按1911年卢瑟福提出的原子的行星模型年卢瑟福提出的原子的行星模型--电子绕电子绕原子核（原子核（10-15m））高速旋转高速旋转 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学+2、原子是、原子是”短命短命“的的+电子绕核运动是加速运动电子绕核运动是加速运动必向外辐射能量，电子轨必向外辐射能量，电子轨道半径越来越小，直到掉到原子核道半径越来越小，直到掉到原子核与正电荷中和，这个过程时间与正电荷中和，这个过程时间<10-12秒，因此不可能有稳定的原子存在。
秒，因此不可能有稳定的原子存在然而事实不是这样，如果找不到一种理论说明，然而事实不是这样，如果找不到一种理论说明，巴尔末公式只不过是一种有趣的猜测游戏而已巴尔末公式只不过是一种有趣的猜测游戏而已1 1、光谱连续、光谱连续 因电磁波频率因电磁波频率 r-3/2，，半径的连续变化，必导半径的连续变化，必导致产生连续光谱致产生连续光谱 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学三、玻尔理论三、玻尔理论 ①① 承承认认卢卢瑟瑟福福的的原原子子天天文文模模型型②② 放放弃弃一一些些经经典典的的电电磁磁辐辐射射理理论论③ ③ 把把量量子子的的概概念念用用于于原原子子系系统统中中 1、基本思想、基本思想2 2、玻尔的三条假设、玻尔的三条假设 1913年英国剑桥大学的学生年英国剑桥大学的学生N·Bohr提出了一个假提出了一个假设，成功地解释了设，成功地解释了H原子光谱原子光谱 ① ① 原子系统只能存在于一系列不连续的能量状态中原子系统只能存在于一系列不连续的能量状态中（（E1、、 E2、、 E3···），），在这些状态中，电子绕核作加速运动而不在这些状态中，电子绕核作加速运动而不辐辐射能量，这种状态称这为原子系统的稳定状态（定态）射能量，这种状态称这为原子系统的稳定状态（定态） 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学 ②②频频率率条条件件：：当当原原子子从从一一个个定定态态跃跃迁迁到到另另一一个个定定态时，发出或吸收单色辐射的频率满足：态时，发出或吸收单色辐射的频率满足：只有当原子从一个较大的能量只有当原子从一个较大的能量En的稳定状态跃迁的稳定状态跃迁到另一较低能量到另一较低能量Em的稳定状态时，才发射单色光，的稳定状态时，才发射单色光，其频率：其频率： 反之，当原子在较低能量反之，当原子在较低能量En的稳定状态时的稳定状态时,吸收吸收了一个频率为了一个频率为 的光子能量就可跃迁到较大能的光子能量就可跃迁到较大能量量Em的稳定状态。
的稳定状态 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学③③处于稳定态中，电子绕核运动的角动量满足角动处于稳定态中，电子绕核运动的角动量满足角动量量子化条件量量子化条件 E2E1E2E1假设假设1 是经验性的，它解决了原子的稳定性问题；是经验性的，它解决了原子的稳定性问题；假设假设2 是从普朗克量子假设引申来的，因此是合理的，它是从普朗克量子假设引申来的，因此是合理的，它能解释线光谱的起源能解释线光谱的起源假设假设3 表述的角动量量子化原先是人为加进去的，后来知表述的角动量量子化原先是人为加进去的，后来知道它可以从德布罗意假设得出；道它可以从德布罗意假设得出； 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学3 3、讨论：、讨论： ①①轨道量子化轨道量子化, ,稳定轨道半径公式稳定轨道半径公式 +rnMmM>>mn=1、、2、、3、、4…... 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学②②能量量子化－能级（原子系统的总能量公式）能量量子化－能级（原子系统的总能量公式） 结论：电子轨道是量子化的。
结论：电子轨道是量子化的M>>m+rnMm 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学结论：能量是量子化结论：能量是量子化 的注意：这种不连续的注意：这种不连续的 能量称为能级能量称为能级计算值：计算值：根据波尔理论计算根据波尔理论计算里德伯常数里德伯常数实验值：实验值： 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学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 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 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学③③氢原子光谱氢原子光谱 ④④当当n n很大时，量子化特征消失，玻尔结果与经典很大时，量子化特征消失，玻尔结果与经典结果同，即光谱线连续结果同，即光谱线连续 注意：原子的注意：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 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学四、四、 发射光谱和吸收光谱发射光谱和吸收光谱2 2、吸收光谱：连续光谱照射下，原子吸收光子，、吸收光谱：连续光谱照射下，原子吸收光子，明亮背景上出现了若干暗线明亮背景上出现了若干暗线 1 1、发射光谱：原子受激后又自动、发射光谱：原子受激后又自动“退激退激”而自发而自发发出的辐射发出的辐射五、玻尔理论的成功及局限五、玻尔理论的成功及局限 1、成功、成功 ①① 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； 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学③③能级间跃迁的频率条件。
能级间跃迁的频率条件 2 2、局限性、局限性 ①① 用用经经典典理理论论推推出出电电子子有有固固定定轨轨道道、、确确定定的的空间坐标和速度空间坐标和速度 ②② 人为引进量子条件，限制电子运动人为引进量子条件，限制电子运动不能自洽对稍微复杂些的系统，如氦和碱土金属不能自洽对稍微复杂些的系统，如氦和碱土金属的光谱（谱线的强度、宽度、偏振）等均无法解释的光谱（谱线的强度、宽度、偏振）等均无法解释 ②② 定态能级假设；定态能级假设；1922年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖③③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原子，也解释不了原子的精细结构 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学原因：它是半经典半量子理论的产物还应用了原因：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玻尔其人：玻尔其人：他是卢瑟福的学生，在其影响下具有严谨他是卢瑟福的学生，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。
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当有人问他，为什么能吸引那么多科学家来到他身边工作时，他回答说：来到他身边工作时，他回答说：“因为我因为我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢不怕在青年面前暴露自已的愚蠢”这种坦率和实事求是的态度是使当时他领导的坦率和实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，兴旺哥本哈根理论研究所永远充满活力，兴旺发达的原因爱因斯坦评价说：发达的原因爱因斯坦评价说： 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学“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” 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学习题：用习题：用13.0eV13.0eV的电子轰击基态的氢原子的电子轰击基态的氢原子1)(1)试确定氢试确定氢原子所能达到的最高能态；原子所能达到的最高能态；(2)(2)氢原子由上述最高能态跃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？迁到基态发出的光子可能的波长为多少？(3)(3)欲使处于基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？态的氢原子电离至少用多大能量的电子轰击氢原子？ n＝＝4（（2）可能的跃迁方式）可能的跃迁方式解：解：（（1））n=1n=2n=4 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学4－－33－－22－－1 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学4－－23－－14－－1的单位：的单位：Hz 1919– 1 1波尔的氢原子理论波尔的氢原子理论第第1919章章 量子力学量子力学（（3））氢原子电离能氢原子电离能所以至少要所以至少要13.6eV能量的电子能量的电子n=1n=2n=3n=4 。
