氢原子光谱的规律性巴尔末公式课件.ppt

15-4 15-4 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论1、 氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性巴尔末公式：巴尔末公式： 氢原子光谱中可见光范围内，谱线按波长分布形氢原子光谱中可见光范围内，谱线按波长分布形成谱线系，称为成谱线系，称为巴尔末系巴尔末系（18851885）计算值计算值实验值实验值巴尔末系波长的极限值巴尔末系波长的极限值656.3nm486.1nm 434.1nm 410.2nmHHHH一、近代氢原子观的回顾一、近代氢原子观的回顾巴巴尔尔末末像像Johann Jakob Balmer (1825-1898)巴尔末巴尔末 瑞士的一位中学数学瑞士的一位中学数学教师从氢的可见光部分教师从氢的可见光部分的四条谱线波长中巴尔末的四条谱线波长中巴尔末提出了一个共同因子：提出了一个共同因子：B=364.56nm B=364.56nm ，将，将氢光光谱的的规律总结出来并于规律总结出来并于18841884年正式发表由于巴尔末年正式发表由于巴尔末公式的发现，光谱成因的公式的发现，光谱成因的神秘大门被打开此后光神秘大门被打开此后光谱规律不断被揭示，一门谱规律不断被揭示，一门新的系统的科学新的系统的科学原子原子光谱形成了。

光谱形成了波数：波数：里德伯常量里德伯常量(n m) 谱线的波数可以表示为两光谱项之差谱线的波数可以表示为两光谱项之差光谱项：光谱项：里德伯里德伯- -里里兹并合原并合原则巴尔末系巴尔末系 （可见光可见光）赖曼系赖曼系（1916）（紫外光紫外光）帕邢系帕邢系（1908）（）（红红外光外光）布喇开系布喇开系（1922）（红外光红外光）普芳德系普芳德系（1924）（）（红外光红外光）氢原子光谱中的其他谱线系：氢原子光谱中的其他谱线系：汉弗莱系汉弗莱系（1953） （红外光红外光）2、 卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型1.1.汤姆姆逊葡萄干蛋糕模型（葡萄干蛋糕模型（19031903）- 整个原子呈胶冻状的球整个原子呈胶冻状的球体，正电荷和原子质量均匀体，正电荷和原子质量均匀分布于球体内，而电子镶嵌分布于球体内，而电子镶嵌在此球体中，在各自的平衡在此球体中，在各自的平衡位置作简谐振动并发射同频位置作简谐振动并发射同频率的电磁波率的电磁波 2.2.卢瑟福的核式模型瑟福的核式模型粒子粒子放射源镭放射源镭金箔金箔探测器探测器+ +- 粒子散射粒子散射 卢瑟福的原子有核模型（卢瑟福的原子有核模型（1911） 原子由原子核和核外电子构成，原子核带正原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，它几乎集中了原子的全部质量，占据整个电荷，它几乎集中了原子的全部质量，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。

子核转动，如同行星绕太阳转动一样卢卢瑟瑟福福像像(1871-1937)(1871-1937)E.RufherfordE.Rufherford卢瑟福卢瑟福 英国物理学家，生于英国物理学家，生于新西兰，后来到英国剑桥新西兰，后来到英国剑桥大学留学他是大学留学他是J.J.J.J.汤姆汤姆孙的研究生，孙的研究生，18951895年成为年成为卡文迪许实验室主任他卡文迪许实验室主任他18991899年年发现 和和 射线，并射线，并提出天然放射性元素的衰提出天然放射性元素的衰变理论，为此于变理论，为此于19081908年获年获诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖学生们很学生们很敬仰卢瑟福，给他起了一敬仰卢瑟福，给他起了一个外号叫鳄鱼表示一往个外号叫鳄鱼表示一往无前，吞食一切的意思无前，吞食一切的意思 卢瑟福卢瑟福 19111911年年卢瑟福根据卢瑟福根据 粒子散射理论提出原子有粒子散射理论提出原子有核模型他对镭的放射性核模型他对镭的放射性进行了研究，和助手用镭进行了研究，和助手用镭放射出来的放射出来的 粒子轰击氮粒子轰击氮原子核，实现了人类历史原子核，实现了人类历史上第一次原子核的人工蜕上第一次原子核的人工蜕变。

卢瑟福被誉为原子物变卢瑟福被誉为原子物理之父，又是开创原子核理之父，又是开创原子核物理学的奠基人物理学的奠基人卢卢瑟瑟福福像像E.RufherfordE.Rufherford(1871-1937)(1871-1937)在在独独创创的的科科学学研研究究中中，我我从从未未见见过过有有比比卢卢瑟瑟福福先先生生更更加加热热情情和和干干练练有有为为的的学学生生 J JJ J汤汤姆姆逊逊卢瑟福和盖革在实验室卢瑟福和盖革在实验室二、氢原子的玻尔理论及其困难二、氢原子的玻尔理论及其困难 1.1.经典核模型的困难：经典核模型的困难：+（1 1）电子绕核作加速运动，）电子绕核作加速运动，不不断地向外辐射能量，断地向外辐射能量，能量逐渐能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，发射光谱应是连续逐渐改变，发射光谱应是连续光谱 （2 2）由于原子总能量减小，电）由于原子总能量减小，电子子将逐渐的接近原子核而后相将逐渐的接近原子核而后相遇，原子不稳定遇，原子不稳定 原子中的电子只能在一些特定圆轨道上运动而不原子中的电子只能在一些特定圆轨道上运动而不 辐射电磁波，这时原子处于稳定能量状态（定态）。

辐射电磁波，这时原子处于稳定能量状态（定态） 当原子从一个能量为当原子从一个能量为E En n的定态跃迁到能量为的定态跃迁到能量为E Em m的定态时，要发射或吸收一个频率为的定态时，要发射或吸收一个频率为的的光子 电子在稳定圆轨道运动，轨道角动量呈量子化电子在稳定圆轨道运动，轨道角动量呈量子化2.2.玻玻尔理理论的假的假设：量子化条件量子化条件即即主量子数主量子数由玻尔量子化条件：由玻尔量子化条件：电子的轨道半径：电子的轨道半径：33氢原子能原子能级公式公式玻尔半径玻尔半径(n=1):(n=1):轨道能量：轨道能量：氢原子的基态能量氢原子的基态能量(n=1):(n=1):氢原子能级：氢原子能级：氢原子能级公式氢原子能级公式: : 氢原子能级图氢原子能级图基态基态激激发发态态自自由由态态r r1 1n=1n=1r2=4r r1 1n=2r3=9r1n=3n=4r4=16r1基态能量（基态能量（=1=1）电离能电离能 激激发态发态能量（能量（11）EE2 2，E E3 3，E E4 4（n ni in nf f）与里德伯常量接近与里德伯常量接近4 4. .玻尔理论对氢原子光谱的解释玻尔理论对氢原子光谱的解释赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系普芳德系普芳德系 -13.58-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)12354氢氢原原子子能能级级跃跃迁迁与与光光谱谱系系（1 1）正确地指出原子能级的存在（原子能量量子化）；）正确地指出原子能级的存在（原子能量量子化）； （2 2）正确地指出定态和角动量量子化的概念；）正确地指出定态和角动量量子化的概念； （3 3）正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；）正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；四四 氢原子玻尔理论的意义和困难氢原子玻尔理论的意义和困难（4 4）无法解释比氢原子更复杂的原子；）无法解释比氢原子更复杂的原子； （5 5）把微观粒子的运动视为有确定的轨道是不正确的；）把微观粒子的运动视为有确定的轨道是不正确的； （6 6）是半经典半量子理论，存在逻辑上的缺点，即把）是半经典半量子理论，存在逻辑上的缺点，即把 微微观粒子看成是遵守粒子看成是遵守经典力学的典力学的质点，同点，同时，又，又 赋予它予它们量子化的特征量子化的特征 . .玻玻尔尔像像N.H.D.BohrN.H.D.Bohr(1885-1962)(1885-1962) 玻尔玻尔 丹麦物理学家。

丹麦物理学家 19131913年玻年玻尔分三次在英国分三次在英国哲学杂志哲学杂志 上发表被称上发表被称为为 “伟大的三部曲伟大的三部曲”的长的长篇论著篇论著 论原子构造和分论原子构造和分子构造子构造， 从而完满的解从而完满的解释了氢原子光谱的实验规释了氢原子光谱的实验规律，律， 使量子力学取得重大使量子力学取得重大的进展，具有划时代的意的进展，具有划时代的意义为此，玻尔于义为此，玻尔于19221922年年2 2月月1010日诺贝尔诞生日诺贝尔诞生100100周年周年之际，获诺贝尔物理奖之际，获诺贝尔物理奖 玻尔玻尔 1885年年10月月7日出生于丹麦首都哥本日出生于丹麦首都哥本哈根父亲是哥本哈根大学的生理学教授父亲是哥本哈根大学的生理学教授1903年进入哥本哈根大学攻读物理年进入哥本哈根大学攻读物理 丹麦最高学术机构丹麦皇家科学院每年都公丹麦最高学术机构丹麦皇家科学院每年都公布有奖征文题目年轻的玻尔勇敢的应试了布有奖征文题目年轻的玻尔勇敢的应试了1905年的物理课题，和另一位比他大年的物理课题，和另一位比他大11岁的后来成为岁的后来成为哥本哈根大学校长的彼得森，同时获这一征文金哥本哈根大学校长的彼得森，同时获这一征文金质奖。

质奖 1911赴剑桥学习和工作，先在赴剑桥学习和工作，先在J.J汤姆森指导汤姆森指导下作阴极射线试验，下作阴极射线试验，1912年年3月到曼彻斯特卢瑟月到曼彻斯特卢瑟福实验室求学和工作，参加了福实验室求学和工作，参加了 散射实验，坚信散射实验，坚信卢瑟福有核模型后卢瑟福有核模型后参加了原子弹的研制工作参加了原子弹的研制工作15-5 15-5 弗兰克弗兰克- -赫兹实验赫兹实验证实原子中存在分立的能级证实原子中存在分立的能级IP Uo 15510204.9栅极栅极灯丝灯丝板极板极弗兰克弗兰克 赫兹实验装置赫兹实验装置 低压水银蒸汽低压水银蒸汽+- 极板电流与极板电流与 加速电压间的关系加速电压间的关系4.9一一 德布罗意假设德布罗意假设 实物粒子和光子一样，具有波粒二象性用能实物粒子和光子一样，具有波粒二象性用能量量E E和动量和动量p p表征实物粒子的粒子性，用频率表征实物粒子的粒子性，用频率 和波长和波长 表示实物粒子的波动性这种波叫德布罗意波，或表示实物粒子的波动性这种波叫德布罗意波，或物质波德布罗意关系式：德布罗意关系式：即即(2)(2)宏宏观物体的德布物体的德布罗意波意波长小到小到实验难以以测量量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性 . .若若 则则(1)(1)若若 则讨论：讨论：15156 6 德布德布罗罗意波意波 实物粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性 德布罗意德布罗意 法国物理学家，原来法国物理学家，原来从事历史研究，后改学物从事历史研究，后改学物理。

第一次世界大战期间理第一次世界大战期间在军队服役退伍后，跟在军队服役退伍后，跟随郎之万攻读物理学博士随郎之万攻读物理学博士学位19241924年在他的博士年在他的博士论文论文关于量子理论的研关于量子理论的研究究中提出德布罗意波，中提出德布罗意波，19291929年年获诺贝尔物理物理奖 19321932年任巴黎大学物理教年任巴黎大学物理教授，授，19331933年被选为法国科年被选为法国科学院院士学院院士1892 1987 )Louis Victor de Broglie德布罗意像德布罗意像 德布罗意的思想方法：德布罗意的思想方法： 自然界在许多方面都明显地对称，他采用类自然界在许多方面都明显地对称，他采用类比方法提出物质波假设比方法提出物质波假设 . 德布罗意说：德布罗意说： “整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于我们关于粒子粒子的图象想得太多，而过分地忽的图象想得太多，而过分地忽略了波的图象呢？略了波的图象呢？” 二德布罗意波的实验证明二德布罗。