02第二章 氢原子的光谱与能级(乙型).ppt
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1、第二章 氢原子的光谱与能级,原子的光谱 氢原子的光谱线系 Bohr模型 类氢离子的光谱,Niels Henrik David Bohr,18851962 1913年提出氢原子的Bohr模型,2.1 氢原子的光谱,一、光谱 光谱是光强按频率或波长的分布。用函数表示为I=I(),或者I=I()。,Nitrogen Spectrum,Solar Spectrum,光谱的测量,用棱镜色散或光栅衍射,可以进行照相记录 或利用光电探测器记录,High Resolution Solar Spectrum,元素的光谱,1859年,德国科学家基尔霍夫和本生研究了各种火焰和火花的光谱,注意到每种元素都有其独特的光
2、谱,他们发明了光谱分析法,并用这种方法发现了新元素铯和铷。 1852年,瑞典物理学家埃格斯特朗 (A. J. ngstrm)发表了一篇论文,列出了一系列物质的特征光谱,现在常用的波长单位埃(1=10-10m)就是以其姓氏而命名。,光谱的分类,根据物质的发光机制,可以将光谱分为热辐射谱、荧光(发光)光谱,等等。,根据实验方法,可以分为发射光谱、吸收光谱、激发光谱,等等。,单色仪,激发,发光材料,发射谱,入射光,吸收谱,吸收材料,波长可调激发光,固定波长光强,发光材料,根据光谱的分布特征,可以分为线状光谱、带状光谱、连续光谱。,吸收光谱与发射光谱,原子受到激发后,会发光,光谱由其特性决定 原子也会
3、吸收光,从而在透射光谱中出现一系列的暗线 吸收光谱与发射光谱是对应的,氢原子的发射光谱,氢原子的吸收光谱,二、氢原子的光谱,1、氢原子受到激发后,可以发出线状光谱。 其中最著名的光谱线有以下四条,2、氢的Balmer线系,Balmer发现,对于已知的14条氢的光谱线,可以用一个简单的公式表示其波长分布(1885年),Balmer公式,其中,线系限波长,连续光谱区,Balmer线系,Balmer公式也可以改写为如下形式,波数,Rydberg常数,Rydberg方程,Johannes Robert Rydberg Sweden ,1854-1919,3、氢原子的其它谱线系,Lyman系,Balme
4、r系,Paschen系,Brackett系,Pfund系,Humphreys 系,巴尔末系,赖曼系,帕邢系,可以用通式表示为,对于其中的每一个m,n=m+1,m+2, 可以构成一个谱线系,上述方法称为“组合法则”,即每一条光谱线的波数可以表示为两个与整数有关的函数项的差。,T(m)、T(n)称为光谱项,如此简单的物理规律之后必定隐藏着简单的物理本质!,2.2 Bohr的氢原子模型,一、经典理论的困难 核外电子在核的库仑场中运动,受有心力作用,轨道运动频率,按经典电磁学理论,带电粒子做加速运动,将向外辐射电磁波,其电磁辐射频率等于带电粒子运动频率。 则原子的光谱应当为连续谱。 由于向外辐射能量,
5、原子的能量将不断减少,电子的轨道半径将不断缩小,最终将会落到核上,即所有原子将“崩塌”。 这与事实是矛盾的。 无法用经典的理论解释原子中核外电子的运动。,二、Bohr的氢原子模型(1913年),根据氢原子的光谱和量子思想,提出三个基本假设 1、定态条件(分立轨道假设) 核外电子只能处于一系列分立的轨道上,绕核转动; 电子在固定的轨道上运动时,不辐射电磁波,即原子处于一系列的定态。,定态能量,能级,2、频率条件 电子可以在不同的轨道之间跃迁,或者说原子可以在不同的能级之间跃迁,并以电磁波的形式辐射或吸收能量,而Rydberg方程为,与两个整数有关,两者有相同的形式,至此,Bohr的假设已经能够解
6、释氢原子的光谱规律。 但其中的一些数值,如轨道半径、能量(能级)、Rydberg常数等还无法确定,说明该理论还不完备 还需要有进一步的假设,3、角动量量子化假设 电子轨道运动的角动量是量子化的,只能取一些特定的数值。,可以由此导出诸如轨道半径、能量(能级)、 Rydberg常数,等等,第一Bohr半径,角动量量子化,分立定态轨道,理论值,实验值,符合得出人意料地好!,与Rydberg方程联系起来,可以得到Rydberg常数,Niels Bohr Institute,常用的组合常数,三、Rydberg常数理论值与实验值的偏差,前面的推导是在假设核静止不动的前提下得到的,但核并非静止的,所以应当采
7、用质心坐标系,在有心力场的两体问题中,只需要用折合质量代替电子的质量,则上述结论就对应于质心系,对于氢原子,me/M=1/1836.15,与实验值完全吻合,Balmer,Lyman,Paschen,Brackett,n=1,n=2,n=3,n=4,n=5,n=6,n=7,电子在轨道间跃迁时,原子在不同的能级间跃迁,基态,激发态,轨道模型,原子能级图,四、氢原子的连续谱,Balmer线系之外还有一个连续光谱区。 这是由非量子化轨道的电子跃迁而产生的。,当原子的能量较高时,体系的能量为正值。,电子距核较远时,只有动能;靠近时,同时有动能和势能。,向量子化轨道跃迁时,发出连续谱,2.3 类氢离子的光
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