02-1第二章_1原子的能级和辐射.ppt

2.2 氢原子的光谱实验规律 2.3 玻尔氢原子理论 一、经典理论的困难 氢原子光谱的经验公式： 玻尔基本假设(1913年) 连续谱是由自由电子与氢离子结合形成氢原子时产生的光谱。 * 2.1 光谱---研究原子结构的重要手段 1．光谱及其分类 光谱（spectrum） 电磁辐射波长成分和强度分布的关系图 光源 分光器（棱镜或光栅） 纪录仪（感光底片或光电纪录器） 光谱仪 将混合光按不同波长成分展开成光谱的仪器。 按光谱结构分类 连续光谱 固体热辐射 线光谱 原子发光 第二章 原子的能级和辐射 带光谱 分子发光 按光谱机制分类 发射光谱 样品光源 分光器 纪录仪 吸收光谱 连续光源 样品 分光器 纪录仪 光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息。 一．氢原子光谱的线系 1. 巴尔末系 光谱的研究从1853年Angstron 发现 开始。 1885年，已观察到14条谱线， Balmer经验公式 线系限 1890年 Rydberg用波数改写: 氢原子的Rydberg常数 巴尔末线系限： 2. 氢原子光谱的其它线系 （远紫外）赖曼系： （红外三个线系） 帕邢系： 布喇开系： 普丰特系： 这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性？？ 线系的一般表示： 令： 光谱项 并合原则： 每一谱线的波数差都可表达为二光谱项之差 1． 经典理论（行星模型）对原子体系的描述 库仑力提供电子绕核运动的向心力： 原子体系的能量： 电子轨道运动的频率： （Z为原子序数） 2． 经典理论的困难 ! 原子稳定性困难: 电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径不断减小，最后落入核内，原子塌缩。 原子寿命 ! 光谱分立性困难: 电子绕核运动频率 电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。 描述宏观物体运动规律的经典理论,不能随意地推广到原子这样的微观客体上。必须另辟蹊径！ 二、玻尔的基本假设 两边同乘 ： 物 理 含 义 左边：为每次发射光子的能量； 右边：也必为能量，应该是原子在辐射前后的能量之差： 原子的能量仍采用负值，则原子能量的一般表示： (1) 定态（stationary state）假设 电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电磁波，能量稳定。 电子轨道和能量分立 (2) 跃迁（transition）假设 吸收 发射 原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收或发射能量。 频率条件 h n 跃迁频率： 一个硬性的规定常常是在建立一个新理论开始时所必须的。 (3) 角动量量子化假设 为保证定态假设中能量取不连续值，必须 取不连续值，如何做到？ 玻尔认为：符合经典力学的一切可能轨道中，只有那些角动量为 的整数倍的轨道才能实际存在。 三、关于氢原子的主要结果 1、量子化轨道半径 圆周运动： 电子定态轨道角动量满足量子化条件： 氢原子玻尔半径 轨道量子化 电子的轨道半径只能是 ， ， 等玻尔半径的整数倍，即轨道半径是量子化的。 电子的轨道运动速度： 精细结构常数： 有用的组合常数： 2、量子化能量 能量的数值是分立的，能量量子化 氢原子能级图 激发态 基态 自由态 基态（ground state） 激发态（excited state） 电离能：将一个基态电子电离至少需要的能量。对氢,13.59eV. 对氢原子 （理论值） （实验值） 3、氢原子光谱 赖曼系 巴耳末系 帕邢系 电子轨道 4、非量子化轨道跃迁——连续谱的形成 俘获前： 俘获后：电子处于氢原子某一能量状态， 减少的能量以光子的形式辐射， 频率连续分布,在线系限的短波方向。 2.4 类氢离子及其光谱 原子核外只有一个 电子的离子，但原子核带有Z 1的正电荷，Z不同代表不同的类氢体系。 类氢离子 毕克林线系（1897年） 1．类氢离子光谱 He+，Li2+，Be3+，B4+，… Pickering从星光中发现类巴耳末系 核电荷 里德伯： 宇宙氢谱线 玻尔： He+谱线 当m=4 时，n=5,6,7,….. n4 高的激发态，实验室条件下不易达到。 n=4,6,8….. 类似氢原子的巴尔末系，但不重合； n=5，7，9…..中间的谱线 类氢离子光谱的正确解释，是玻尔理论被接受的一个关键问题。 实验值 2．原子核质量有限带来的修正 两体问题 两质点在相互作用下运动 质心速度不变 质心系 质点1相对2的运动相当于固定2后质量为 的质点的运动。 里德伯常数随原子核质量变化 尤雷（Urey）发现巴耳末系的双线结构，证实氘的存在，获1934年Nobel化学奖。 1932年 玻尔理论解释了原子光谱