原子量子理论 氢原子光谱.pptVIP

* §16.4 原子的量子理论 氢原子光谱 长期以来，经典理论认为原子是组成物质的最小单元 1897年，汤姆逊（英）发现电子 原子很小（0.1nm）不可能用显微镜直接观察 原子发光是原子的一种重要特征，其光谱线携带着有关 原子结构的大量数据，因此对原子光谱的研究是探索原子结 构的一条重要途径。 光谱——某种元素电磁辐射的波长的记录 线 光 谱 ——谱线分立，由原子发出，一条谱线对应一个确 定波长，不同元素的原子有自己特定的线光谱。 带 光 谱 ——谱线分段密集，由分子发出。 连续光谱——固体发光构成连续光谱，包含各种波长。 一. H原子光谱的实验规律 记录氢原子光谱原理示意图 氢放电管 2~3 kV 光阑 全息干板 三棱镜 （或光栅） 光 源 氢原子的巴耳末线系照片 在可见光范围内看到： 一红(656.3nm)、一蓝(486.1nm) 、二紫(434.1nm,410.2nm) 2. 巴耳末总结出符合实验的经验公式（可见区）： 3. 在红外区、紫外区分别观察到光谱系也符合上述公式： 二. 经典理论的困难 经典理论（卢瑟福模型）：电子绕核旋转，并不断辐射电磁能， 辐射电磁波的频率等于电子旋转频率 原子连续地向外辐射能量，能量减少，旋转频率减小， 发射光谱应是连续的。 而实际上，光谱是线状分立的。 2. 原子连续地向外辐射能量，能量减少，电子速度减小， 电子轨道半径减小，电子应沿螺旋线逐渐接近核， 原子应是不稳定系统。 而实际上，原子是稳定的。 玻尔（丹）意识到量子概念是解决问题的关键。他在卢瑟福核型结构的基础上，创造性地把普朗克、爱因斯坦的思想结合起来，把量子的概念应用于原子系统，提出三条假设，使氢原子光谱规律得到很好的解释。 三. 玻尔的氢原子理论（三条假设） 1. 定态假设 原子只能处于一系列不连续的能量状态，这些状态称为 定态。电子在一定轨道上绕核运动，但不辐射能量。 经典理论 连续 不稳定系统 量子论 不连续 稳定系统 2. 辐射频率条件 原子能量变化（辐射或吸收电磁波）只能在两个定态之 间以跃迁的方式进行。 原子从一个定态（能量 ）跃迁到另一定态（能量 ） 发射或吸收一个频率为 的光子，其频率 满足条件： 3. 轨道角动量量子化条件 电子绕核作圆周运动，可能取的轨道半径决定于条件： 四. 用玻尔理论解释H光谱规律 1. H原子的轨道半径 轨道是量子化的（因为L的量子化） 2. 定态能量 H原子系统具有能量（动能+势能）： 负号说明电子受原子核束缚，处于束缚态。 能量是量子化的 En ( eV) 氢原子能级图 -13.6 -1.51 -3.39 0 n = 1 基态 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5 -0.85 n = 自由态 受激态 此时电子成游离态，即自由电子 二相邻能级的间隔： 能量趋于连续 量子数很大时，体系行为趋于经典，符合经典理论，称为对应原理 电离能：e从基态?自由态需的最小能量: 用可见光照射： 3. H原子的谱线系 En ( eV) 氢原子能级图 莱曼系 巴耳末系 帕邢系 布拉开系 -13.6 -1.51 -3.39 0 光频 n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5 n = 6 4. 对里德伯常数的验证 经验公式： 理论公式： 测出： 里德伯 - 里兹并合原则 (1896年) 卢瑟福原子的有核模型 （1911年） 普朗克量子假设 （1900年） 玻尔氢原子理论 (1913年） 说 明 成功的把氢原子结构和光谱线结构联系起来。 局限性:不能处理复杂原子的问题，根源在于对微观 粒子的处理仍沿用了牛顿力学的观念 P341. 16.4.3 “空间量子化”后面讲 作业（三） P36 自由电子被俘获变成基态，其能量： 根据能量守恒，其损失的能量以一个光子的形式辐射 一.1. 当一质子俘获一个动能Ek=13.6eV的自由电子，组成一基态氢原子时，所发出的单色光频率是__________。 一.2. 能量为15eV的光子从处于基态的氢原子中打出一光电子，则该电子离开原子核时的运动速度为__________。 一.3. 氢原子光谱的巴尔末线系中波长最长的谱线用l1表示，其次波长用l2表示，它们的比值__________。 一.4. 一个氢原子处于 n=3 主量子数的状态，那么此氢