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2.经典理论的困难 注意:经典理论解释不了H原子光谱 按1911年卢瑟福提出的原子的行星模型--电子 绕原子核(10-12m)高速旋转 对此经典物理势必得出如下 结论: 1)原子是”短命“的 + 电子绕核运动是加速运动必向外辐射能量,电子轨道半径越来越小,直到掉到原子核与正电荷中和,这个过程时间10-10秒,因此不可能有稳定的原子存在。 2)原子光谱是连续光谱 因电磁波频率?? r-3/2,半径的连续变化,必导 致产生连续光谱。 1913年2月玻尔看到 巴尔末公式时说: “我一看到巴尔末公式,整个问题对我 来说就全都清楚了。” 三、 玻尔的氢原子理论 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 玻尔理论的基本假设 (1) 定态假设——原子系统只存在一系 列不连续的能量状态,其电子只能在一些特 殊的圆轨道中运动,在这些轨道中运动时不 辐射电磁波。这些状态称为定态,相应的能 量取不连续的量值 E1、E2、E3...。 (2)跃迁假设 只有当原子从一个较大的能量En的稳定状态跃迁到另一较低能量Ek的稳定状态时,才发射单色光,其频率: 反之,当原子在较低能量Ek的稳定状态时, 吸收了一个频率为?nk的光子能量就可跃迁到; 较大能量E的稳定状态。 (3)轨道角动量量子化假设 电子作圆轨道运动时,角动量只能取h/2?的整数。 其中n为正整数,称为轨道量子数。 1)电子轨道半径的量子化 由: (1)、(2)式 联立解之 n=1、2、3、4…... 结论:电子轨道是量子化的。 + rn M m Mm 玻尔氢原子理论 n=2、3、4…... 注意:?n=1的轨道r1称为玻尔半径。 ?量子数为n的轨道半径 玻尔氢原子理论 1)电子轨道半径的量子化 n=1、2、3、4… 2)定态能量是量子化的 原子处在量子数为n的状态,其能量: 由(1)式: (6)代入(5)式 将r代入: n=2、3、4… 结论:能量是量子化的。 注意:这种不连续的能量称为能级 ?n=1 n 1 的各定态称为受激态。 当n =1时为氢原子的最低能级,称为基态能级。 -13.6 -3.39 -1.51 -0.85 0 4 8 1 n = 2 n = 3 n = 氢原子能级图 基态 激 发 态 电离态 当 时, ,称为电离态 氢原子从基态变 成电离态所需的氢 原子的电离能为: 当n=1时,称为基态 3)导出里德伯常数 将En代入频率条件 与里德伯公式对照: 计算值: 里德伯常数 实验值: 例:计算H原子中电子从量子数n的状态跃进迁到 k=n-1的状态时发射击光子的频率,证明当n足够 大时,这个频率就是电子在量子数为n的轨道上旋 转的频率(经典理论频率) 解: 当n很大时: 当n很大时: 依经典物理,电子在n轨道上旋 转的频率(发射光的频率)为 这实质上是对应原理的必然结果 + rn M m Mm 玻尔理论的成功与局限 成功:解释 了H光谱,尔后有人推广到类H原子 ( )也获得成功(只要将电量换成Ze(Z为原序数)。他的定态跃 迁的思想至今仍是正确的。并且它是导致新理论的跳板。1922年获诺贝尔奖。 局限:只能解释H及类H原子,也解释不了原子 的精细结构。 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. 1. 把电子看作是一经典粒子,推导中应 用了牛顿定律,使用了轨道的概念, 所以玻 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 轨道上运动时不辐射电磁波的是十分生硬的。 3. 不能预言光谱线的强度。 它是卢瑟福的学生,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来到他身边工作时,他回答说:“因为我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:“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结合” 玻尔其人: n 氢原子光谱中的不同谱线 α β γ δ 6562.79 4861.33 4340.47 4101.74 1215.68 1025.83 972.54 18.75 40.50 赖曼系 巴尔末系 帕邢系 布喇开系 -13.6 -3.39 -1.51 -0.85 0 E eV 1 2 3 4 8 连续区 n = n = n = 3. 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率 成线性关系。
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