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1、1氢氢原原子子理理论论玻玻尔尔的的2一、原子结构之谜一、原子结构之谜1、原子内部的正负电荷是如何分布的?、原子内部的正负电荷是如何分布的?1)原子的)原子的“葡萄干馅饼葡萄干馅饼”模模型型正电荷构成原子的主体,象果冻一正电荷构成原子的主体,象果冻一样,电子象黑芝麻一样镶嵌其中。样,电子象黑芝麻一样镶嵌其中。2)原子的)原子的“行星式行星式”模型模型 正电荷集中了原子的绝大多数质量,集中在原正电荷集中了原子的绝大多数质量,集中在原子中心极小的区域内,构成原子核,电子在外围绕子中心极小的区域内,构成原子核,电子在外围绕原子核运转,就象行星绕太阳一样。原子核运转,就象行星绕太阳一样。(下一页)(下一
2、页)3卢瑟福的卢瑟福的 粒子散射实验粒子散射实验 如何用实验来证明球体容器内的物质的质如何用实验来证明球体容器内的物质的质量是全部集中在中心极小的区域形成量是全部集中在中心极小的区域形成“硬心硬心”,还是均匀分布在球内,还是均匀分布在球内?用机关枪射击该球!用机关枪射击该球!1)若质量均匀分布:则子)若质量均匀分布:则子弹不会发生大角的偏离;弹不会发生大角的偏离;2)若质量集中中心:则绝)若质量集中中心:则绝大多数子弹不会发生偏离,大多数子弹不会发生偏离,但会有极少数子弹发生大角但会有极少数子弹发生大角度的偏离(散射),甚至会度的偏离(散射),甚至会有个别子弹反弹回来。有个别子弹反弹回来。(下
3、一页)(下一页)4卢瑟福的卢瑟福的 粒子散射实验结果:用粒子散射实验结果:用 粒子轰击粒子轰击金箔,发现有金箔,发现有1/8000的的 粒子发生了大角散粒子发生了大角散射,其中有个别的射,其中有个别的 粒子反射回来。粒子反射回来。卢瑟福的卢瑟福的“行星式行星式”原子模型原子模型(下一页)(下一页)52、“行星式行星式”原子模型的困原子模型的困惑惑1)原子如何能是稳定的?)原子如何能是稳定的?加速运动的电子要发射电磁波,其能量要不断加速运动的电子要发射电磁波,其能量要不断减小,轨道半径不断减小,最终降落到原子核上减小,轨道半径不断减小,最终降落到原子核上原子毁灭!原子毁灭!(下一页)(下一页)6
4、2)原子发光的光谱应该是连续的,怎能是线)原子发光的光谱应该是连续的,怎能是线状的?状的?做圆周运动的电子发射电磁波的频率等于其圆做圆周运动的电子发射电磁波的频率等于其圆周运动的频率。轨道半径连续减小,圆周运动的频周运动的频率。轨道半径连续减小,圆周运动的频率连续变化,光谱应是连续的。率连续变化,光谱应是连续的。(下一页)(下一页)7HHH H6562.84861.3 4340.5 3971.13645.6 H一、氢原子光谱的规律性一、氢原子光谱的规律性n=3,4,5,.nk=1,2,3,.式中B=3645.6(下一页)(下一页)8结论结论氢原子光谱规律如下:氢原子光谱规律如下:(1)氢原子光
5、谱是分立的线状光谱,各条谱线具)氢原子光谱是分立的线状光谱,各条谱线具有确定的波长;有确定的波长;(4)改变前项改变前项,就给出不同的谱系。就给出不同的谱系。(2)每一谱线的波数可用两个光谱项之差表示;)每一谱线的波数可用两个光谱项之差表示;(3)前项保持定值,后项改变,就给出同一谱)前项保持定值,后项改变,就给出同一谱线系的各条谱线的波长。线系的各条谱线的波长。(下一页)(下一页)91910年密立根用油滴实验精确地测定了电子年密立根用油滴实验精确地测定了电子的电荷。的电荷。1897年,汤姆孙从实验上确认了电子的存在。年,汤姆孙从实验上确认了电子的存在。1898年居里夫妇发现了放射性元素钋与镭
6、。年居里夫妇发现了放射性元素钋与镭。1895年伦琴在暗室做阴极散射管中气体放电年伦琴在暗室做阴极散射管中气体放电的实验时,发现了的实验时,发现了x 射线。射线。(下一页)(下一页)10(一)玻尔理论的基本假设(一)玻尔理论的基本假设(一)玻尔理论的基本假设(一)玻尔理论的基本假设 1.1.定态假设定态假设定态假设定态假设原子原子原子原子系统只存在一系列不连续系统只存在一系列不连续系统只存在一系列不连续系统只存在一系列不连续的能量状态,其电子只能的能量状态,其电子只能的能量状态,其电子只能的能量状态,其电子只能在一些特殊的圆轨道中运在一些特殊的圆轨道中运在一些特殊的圆轨道中运在一些特殊的圆轨道中
7、运动,在这些轨道中运动时动,在这些轨道中运动时动,在这些轨道中运动时动,在这些轨道中运动时不辐射电磁波。这些状态不辐射电磁波。这些状态不辐射电磁波。这些状态不辐射电磁波。这些状态称为定态,相应的能量取称为定态,相应的能量取称为定态,相应的能量取称为定态,相应的能量取不连续的量值不连续的量值不连续的量值不连续的量值 E E1 1、E E2 2、E E3 3.。123(下一页)(下一页)11 2.2.角动量量子化假设角动量量子化假设角动量量子化假设角动量量子化假设电子作圆轨道电子作圆轨道电子作圆轨道电子作圆轨道运动时,角动量只能取分立值:运动时,角动量只能取分立值:运动时,角动量只能取分立值:运动
8、时,角动量只能取分立值:其中其中 n 为正整数,称为量子数。为正整数,称为量子数。m经典力学的角动量:经典力学的角动量:令:令:称为称为“约化普朗克常数约化普朗克常数”(下一页)(下一页)12 3.3.频率假设频率假设频率假设频率假设原子从一个定态跃迁到另一定态原子从一个定态跃迁到另一定态原子从一个定态跃迁到另一定态原子从一个定态跃迁到另一定态时,将辐射电磁波,电磁波的频率由下式决定时,将辐射电磁波,电磁波的频率由下式决定时,将辐射电磁波,电磁波的频率由下式决定时,将辐射电磁波,电磁波的频率由下式决定:123原子的能级跃迁!原子的能级跃迁!(下一页)(下一页)13从上两式可得到第从上两式可得到
9、第从上两式可得到第从上两式可得到第 n n 个轨道的半径与电子运动的速个轨道的半径与电子运动的速个轨道的半径与电子运动的速个轨道的半径与电子运动的速度为:度为:度为:度为:(二二二二)氢原子轨道半径和能量的计算氢原子轨道半径和能量的计算氢原子轨道半径和能量的计算氢原子轨道半径和能量的计算mee电子受力为:电子受力为:电子受力为:电子受力为:由牛顿定律由牛顿定律由牛顿定律由牛顿定律:(下一页)(下一页)由角动量量子化假设由角动量量子化假设由角动量量子化假设由角动量量子化假设:14因为因为 n 只能取正整数,所以电子的轨道是只能取正整数,所以电子的轨道是不连续的,称为不连续的,称为轨道量子化轨道量
10、子化。以以n=1代入上式得到氢原子最小轨道半代入上式得到氢原子最小轨道半径径 r1 ,称为玻尔半径。称为玻尔半径。(下一页)(下一页)即即 r2=4r1、r3=9r1 、r4=16r1 、由轨道的半径由轨道的半径由轨道的半径由轨道的半径15氢原子系统的能量等于这一带电系统的静氢原子系统的能量等于这一带电系统的静电势能和电子的动能之和:电势能和电子的动能之和:将将 rn 和和 vn 的表达的表达式代入上式得到:式代入上式得到:(下一页)(下一页)16因为因为n只能取正整数,所以原子系统的能量只能取正整数,所以原子系统的能量是量子化的,这种量子化的能量值称为能级。是量子化的,这种量子化的能量值称为
11、能级。n n 1 1 的各定态称为受激态。的各定态称为受激态。13.6eV=1当当n=1时为氢原子的最低能级,称为基态能时为氢原子的最低能级,称为基态能级。级。能量为:能量为:(下一页)(下一页)17-13.6-3.40-1.51-0.8504 48 81 1n=2 2n=3 3n=氢原子能级图基态基态激激发发态态电离态电离态当当 时,时,称为电离态,称为电离态 氢原子从各态变成氢原子从各态变成电离态所需的能量电离态所需的能量电离能电离能为:为:当当n=1时,称为基态时,称为基态(下一页)(下一页)18由玻尔的频率假设:由玻尔的频率假设:由玻尔的频率假设:由玻尔的频率假设:将玻尔的能级将玻尔的
12、能级将玻尔的能级将玻尔的能级公式代入得到:公式代入得到:公式代入得到:公式代入得到:将此式和里德伯公式比较得到:将此式和里德伯公式比较得到:将此式和里德伯公式比较得到:将此式和里德伯公式比较得到:里德伯常数的实验值为:里德伯常数的实验值为:里德伯常数的实验值为:里德伯常数的实验值为:比较两个比较两个比较两个比较两个 值可见玻尔理论和实验符合得相当好。值可见玻尔理论和实验符合得相当好。值可见玻尔理论和实验符合得相当好。值可见玻尔理论和实验符合得相当好。三、玻尔氢原子理论值和实验值的比较三、玻尔氢原子理论值和实验值的比较三、玻尔氢原子理论值和实验值的比较三、玻尔氢原子理论值和实验值的比较(下一页)
13、(下一页)19n n氢原子光谱中的不同谱线 6562.796562.794861.334861.334340.474340.474101.744101.741215.681215.681025.831025.83972.54972.5418.7518.7540.5040.50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-13.6-3.40-1.51-0.850EeVeV1 12 23 34 48 8连续区连续区 n=n=n=(下一页)(下一页)20 四、玻尔理论的缺陷四、玻尔理论的缺陷 1.把电子看作是一经典粒子把电子看作是一经典粒子,推导中应,推导中应用了牛顿定律,使用了轨道的概
14、念,用了牛顿定律,使用了轨道的概念,所以玻所以玻尔理论不是彻底的量子论。尔理论不是彻底的量子论。2.角动量量子化的假设以及电子在稳定角动量量子化的假设以及电子在稳定轨道上运动时不辐射电磁波的是十分生硬的。轨道上运动时不辐射电磁波的是十分生硬的。3.无法解释光谱线的精细结构。无法解释光谱线的精细结构。4.不能预言光谱线的强度。不能预言光谱线的强度。(下一页)(下一页)21试计算氢原子中巴耳末系的最短波长和最试计算氢原子中巴耳末系的最短波长和最长波长各是多少?长波长各是多少?解:解:巴耳末系是巴耳末系是n2的各能级向的各能级向n=2的能级跃迁所产生。的能级跃迁所产生。最短波长应是最短波长应是n=n
15、=2跃迁的光子,即跃迁的光子,即其最长波长对应于其最长波长对应于n=3n=2的跃迁,即的跃迁,即(下一页)(下一页)22(1)将一个氢原子从基态激发到将一个氢原子从基态激发到n=4的激发态的激发态需要多少能量?需要多少能量?(2)处于处于n=4的激发态的氢原的激发态的氢原子可发出多少条谱线?其中多少条为可见光谱子可发出多少条谱线?其中多少条为可见光谱线,其光波波长各多少?线,其光波波长各多少?解:解:(1)使一个氢原子从基态激发到使一个氢原子从基态激发到 n=4 激发激发态需提供能量为态需提供能量为(下一页)(下一页)23(2)在某一瞬时,处于某一能级的一个氢原子只在某一瞬时,处于某一能级的一
16、个氢原子只能发射一定频率的一个光子。但处于某一能级的大能发射一定频率的一个光子。但处于某一能级的大量氢原子同时存在时,可在一段时间内发出多种频量氢原子同时存在时,可在一段时间内发出多种频率的多个光子。如图所示。率的多个光子。如图所示。共可有共可有6条谱线。条谱线。(下一页)(下一页)24 将可能的将可能的n与与m的值代入上式可知:可见光的谱线为的值代入上式可知:可见光的谱线为m=4和和m=3跃迁到跃迁到n=2的两条,辐射出光子相应的波数的两条,辐射出光子相应的波数和波长为:和波长为:,19-6 德布罗意波德布罗意波u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3
17、B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYm
18、VjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G
19、4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL5D2A+x*u$qZnW
20、kShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5
21、E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#p
22、XmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3
23、B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYm
24、VjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQfNbK8G1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C
25、0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnW
26、kShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1
27、A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4Dw&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThP
28、eMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXiQeNbJ8G5D1A-x*
29、t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQf
30、NbK8Gz-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%
31、rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8
32、H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7Fy(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeNbJ4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNc