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1、大学物理大学物理量子物理量子物理21 1、巴耳末系、巴耳末系氢气放电管获得氢光谱在氢气放电管获得氢光谱在可见光范围内有四条可见光范围内有四条 H H H HH ：红色红色 656.210nmH ：深绿深绿 486.074nmH ：青色青色 434.010nmH ：紫色：紫色 410.120nm18851885年，瑞士数学家年，瑞士数学家巴耳巴耳末末把氢原子的前四条谱线归把氢原子的前四条谱线归纳纳巴耳末巴耳末公式公式, 5 , 4 , 3 2222 nnnB 06 .3645AB 巴耳末巴耳末系系波长极限值波长极限值 1890年，里德伯采用波年，里德伯采用波数数/1, 5 , 4 , 3 121
2、22nnR17m10 097. 1/4BR里德伯常量里德伯常量一、氢原子光谱的实验规律一、氢原子光谱的实验规律玻尔（玻尔（Niels henrik David Bohr，1885-1962） 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篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础等三篇论文，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，从上的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。而圆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
3、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周年之周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。际，在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，表达了对中年，他来中国作学术访问，表达了对中国人民的友好情谊。国人民的友好情谊。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。二、氢二、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
4、）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2hnmrvL量子化条件：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，只的电子角动量只的电子角动量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
5、为发射能量为h 的光子：的光子：knEEh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 2202 mehnrn mmehr10220110529. 0 , 321 12， nrnrn波尔半径波尔半径 n=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r1原子能级原子能级 2220402218421nhmeremvEnnn eVhme
6、E58.13822041, 3 , 2 , 1 21 nnEEn1234 氢原子能级图氢原子能级图6 5n=1 正常状态正常状态n=2,3, 激发态激发态电子跃迁的辐射规律电子跃迁的辐射规律fiEEh fiifnnnnhme 118222204 fiifnnnnchme 118223204173204101.0973738mchmeR理论这与里德伯常量实验值这与里德伯常量实验值 R = 1.097107 m-1 非常接近非常接近赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系 帕邢系帕邢系 布喇开系布喇开系En=E1/n26 5E5=E1/25eV4E4=E1/16eV3E3=E1/9=-1.51eV2E2=E1
7、/4=-3.39eV1E1=-13.58eV氢原子的光谱图氢原子的光谱图3 3、玻尔氢原子理论的成绩玻尔氢原子理论的成绩 成功地解释了成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。从理论上计算了里德伯常量；解决了近从理论上计算了里德伯常量；解决了近30年之久的年之久的巴耳末巴耳末公公式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是些概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正确的。正确的。能对类氢原子的光谱给予说明。能对类氢原子
8、的光谱给予说明。4 4、玻尔氢原子理论的困难、玻尔氢原子理论的困难不能解释多电子原子的光谱；不能解释多电子原子的光谱；不能解释谱线的强度和宽度；不能解释谱线的强度和宽度；不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的；不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的；在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。*参考文献：参考文献： 弗兰克弗兰克-赫兹实验赫兹实验一、实验装置一、实验装置AV+-FP+-+-G管内充满低压汞蒸汽，电子从管内充满低压汞蒸汽，电子从加热的灯丝加热的灯
9、丝F发射，在加速电发射，在加速电压压U0作用下电子被加速，向栅作用下电子被加速，向栅极极G运动，在运动，在GP之间加反向电之间加反向电压压Ur (0.5V左右左右)，电子穿过栅，电子穿过栅极极G到达到达P，在电路中可看出电，在电路中可看出电流流IP。二、实验结果二、实验结果在起始阶段，在起始阶段，IP随随U0而增加，当而增加，当IP达到峰值后，随达到峰值后，随U0增加，增加，IP急剧急剧下降，然后下降，然后IP又随又随U0增加，出现增加，出现第一个波，此后，又出现第二个第一个波，此后，又出现第二个峰值与第二个波。峰值与第二个波。0510151002003004.99.813.7U0VIP三、解
10、释三、解释基态能量基态能量E1，第一激发态，第一激发态E2，第二激发态，第二激发态E3，电子能量电子能量Ek当当EkE2-E1，电子不能使汞原子激发，电子与原子间为弹性，电子不能使汞原子激发，电子与原子间为弹性碰撞，所以随碰撞，所以随U0的增加的增加Ip增加；增加；当当Ek E2-E1汞原子从基态跃迁到激发态，电子与原子为非弹汞原子从基态跃迁到激发态，电子与原子为非弹性碰撞，电子动能损耗，出现第一波谷；性碰撞，电子动能损耗，出现第一波谷；第二波谷：电子两次与汞原子相碰的结果。第二波谷：电子两次与汞原子相碰的结果。当汞原子从第一激发态跃迁到基态当汞原子从第一激发态跃迁到基态 12EEh mEEch71934812105 . 2106 . 19 . 41062. 6103 实验中观察实验中观察到该谱线到该谱线四、结果四、结果原子中离散能级确实是存在的。原子中离散能级确实是存在的。18 结束语结束语