大學(xué)物理氫原子的玻爾理論

1、 十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相繼發(fā)現(xiàn)，如電子、象相繼發(fā)現(xiàn)，如電子、 X 射線和放射性元射線和放射性元素的發(fā)現(xiàn)表明原子是可以分割的，它具有素的發(fā)現(xiàn)表明原子是可以分割的，它具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，原子是怎樣組成的？原比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，原子是怎樣組成的？原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何？對(duì)這些問題的研究形子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何？對(duì)這些問題的研究形成了原子的量子理論。成了原子的量子理論。 1897年，年，J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子以后，人們就知道原子中除有電子以外，一定還人們就知道原子中除有電子以外，一定還存在著帶正電的部分。而且原子內(nèi)正、負(fù)存在著帶正電的部分。而且原子內(nèi)

2、正、負(fù)電荷相等。電子和正電荷是如何分布的呢？電荷相等。電子和正電荷是如何分布的呢？4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 一、原子結(jié)構(gòu)的探索一、原子結(jié)構(gòu)的探索 1903年年 J. .J. .湯姆遜湯姆遜提出，原子中的正電荷提出，原子中的正電荷和原子質(zhì)量均勻地分布和原子質(zhì)量均勻地分布在半徑為在半徑為10-10m的球體的球體內(nèi)，電子浸于此球體中，內(nèi)，電子浸于此球體中，即即“葡萄干蛋糕模型葡萄干蛋糕模型”。盧瑟福是盧瑟福是J. .J. .湯姆遜的湯姆遜的學(xué)生，提出了原子的有學(xué)生，提出了原子的有核模型。核模型。4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 一、原子結(jié)構(gòu)的探索一、原子結(jié)構(gòu)的

3、探索 原子很小，只有原子很小，只有10-11m，無法直接觀，無法直接觀察，只有通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去分析研究。察，只有通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去分析研究。.利用原子發(fā)光譜線規(guī)律。利用原子發(fā)光譜線規(guī)律。.用高能粒子轟擊物質(zhì)中的原子，使高能用高能粒子轟擊物質(zhì)中的原子，使高能粒子穿到原子內(nèi)部發(fā)生作用，從觀察到的粒子穿到原子內(nèi)部發(fā)生作用，從觀察到的現(xiàn)象解釋原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)象解釋原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 一、原子結(jié)構(gòu)的探索一、原子結(jié)構(gòu)的探索 盧瑟福用盧瑟福用 粒子轟擊原子，探索原子粒子轟擊原子，探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并提出原子的有核模型。內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并提出原子的有核模型。 粒子為氦核粒子為氦

4、核He24以以c/15轟擊金箔，轟擊金箔，在原子中帶電物質(zhì)的電場(chǎng)力作用下，使它在原子中帶電物質(zhì)的電場(chǎng)力作用下，使它偏離原來的入射方向，從而發(fā)生散射現(xiàn)象。偏離原來的入射方向，從而發(fā)生散射現(xiàn)象。氦核質(zhì)量是電子質(zhì)量的氦核質(zhì)量是電子質(zhì)量的 7500倍，倍， 粒子粒子運(yùn)動(dòng)不受電子影響。運(yùn)動(dòng)不受電子影響。4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 二、盧瑟福的原子有核模型二、盧瑟福的原子有核模型絕大部分粒子經(jīng)金絕大部分粒子經(jīng)金箔散射后，散射角箔散射后，散射角很小很小23，1/8000的粒子偏轉(zhuǎn)大于的粒子偏轉(zhuǎn)大于90 041071090180粒子相對(duì)數(shù)4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / /

5、二、盧瑟福的原子有核模型二、盧瑟福的原子有核模型. .原子的中心是原子核，幾乎占有原子的原子的中心是原子核，幾乎占有原子的全部質(zhì)量，集中了原子中全部的正電荷。全部質(zhì)量，集中了原子中全部的正電荷。. .電子繞原子核旋轉(zhuǎn)。電子繞原子核旋轉(zhuǎn)。. .原子核的體積比原原子核的體積比原子的體積小得多。子的體積小得多。原子半徑原子半徑10-10m原子核半徑原子核半徑10-14 10-15m4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 二、盧瑟福的原子有核模型二、盧瑟福的原子有核模型 按經(jīng)典理論電子繞核按經(jīng)典理論電子繞核旋轉(zhuǎn)，作加速運(yùn)動(dòng)，電子旋轉(zhuǎn)，作加速運(yùn)動(dòng)，電子將不斷向四周輻射電磁波，將不斷向四周輻射電

6、磁波，它的能量不斷減小，從而它的能量不斷減小，從而將逐漸靠近原子核，最后將逐漸靠近原子核，最后落入原子核中。落入原子核中。軌道及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不斷變化，輻射電磁波頻軌道及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不斷變化，輻射電磁波頻率也是連續(xù)的，率也是連續(xù)的， 原子光譜應(yīng)是連續(xù)的光譜。原子光譜應(yīng)是連續(xù)的光譜。實(shí)驗(yàn)表明原子相當(dāng)穩(wěn)定，這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)表明原子相當(dāng)穩(wěn)定，這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)不符。實(shí)驗(yàn)測(cè)得原子光譜是不續(xù)的譜線。不符。實(shí)驗(yàn)測(cè)得原子光譜是不續(xù)的譜線。4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 二、盧瑟福的原子有核模型二、盧瑟福的原子有核模型 粒子散射實(shí)驗(yàn)確定了原子有核結(jié)構(gòu)，粒子散射實(shí)驗(yàn)確定了原子有核結(jié)構(gòu)，但它對(duì)核外電子并沒提

7、供什么信息，原子但它對(duì)核外電子并沒提供什么信息，原子光譜提供了這方面的信息。光譜提供了這方面的信息。 每種原子光譜有固定分布，可根據(jù)光每種原子光譜有固定分布，可根據(jù)光譜分析物質(zhì)的元素組成。譜分析物質(zhì)的元素組成。 1885年，瑞士數(shù)學(xué)家巴爾末首先發(fā)現(xiàn)年，瑞士數(shù)學(xué)家巴爾末首先發(fā)現(xiàn)氫原子的線光譜在可見光部分的譜線。氫原子的線光譜在可見光部分的譜線。4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 三、氫原子光譜的規(guī)律性三、氫原子光譜的規(guī)律性4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 三、氫原子光譜的規(guī)律性三、氫原子光譜的規(guī)律性2222-nnB)6 ,5 ,4 ,3(n常數(shù)常數(shù) nm56.364

8、B當(dāng)當(dāng) n= =3，4，5，6，為四條可見光譜線，為四條可見光譜線H、H、H、H 。當(dāng)當(dāng)n= =7，8，9，10，為四條紫外部分譜線，為四條紫外部分譜線HH3 .6563nH3 .4864H5Hnm56.364氫原子巴爾末線系氫原子巴爾末線系4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 三、氫原子光譜的規(guī)律性三、氫原子光譜的規(guī)律性1896年里德伯（瑞士）用波數(shù)年里德伯（瑞士）用波數(shù)1來表示，現(xiàn)用于光譜學(xué)中。來表示，現(xiàn)用于光譜學(xué)中。波數(shù)：波數(shù)：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度中所包含的波形數(shù)目。單位長(zhǎng)度中所包含的波形數(shù)目。12241nnB-221214nB-22121nR,5 ,4 ,3n里德伯常數(shù)里德伯常數(shù)17m

9、10097373.1-R4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 三、氫原子光譜的規(guī)律性三、氫原子光譜的規(guī)律性光譜在紫外區(qū)域的譜線光譜在紫外區(qū)域的譜線-萊曼線系。萊曼線系。-22111nR,4 ,32，n在紅外區(qū)還有三個(gè)線系在紅外區(qū)還有三個(gè)線系帕邢系帕邢系-22131nR,6 ,5 ,4n4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 三、氫原子光譜的規(guī)律性三、氫原子光譜的規(guī)律性布拉開系布拉開系-22141nR，7 ,6 ,5n普豐特系普豐特系-22151nR， 87 ,6n4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 三、氫原子光譜的規(guī)律性三、氫原子光譜的規(guī)律性-2211nkR

10、5 ,4 ,3 ,2 ,1k,3,21kkkn，萊萊曼曼系系巴巴爾爾末末系系帕帕邢邢系系布布拉拉開開系系普普豐豐特特系系4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 三、氫原子光譜的規(guī)律性三、氫原子光譜的規(guī)律性 光譜的產(chǎn)生是由于原子吸收能量后躍光譜的產(chǎn)生是由于原子吸收能量后躍遷到高能態(tài)，由于不穩(wěn)定又跳回低能態(tài)，遷到高能態(tài)，由于不穩(wěn)定又跳回低能態(tài)，以釋放光子形式來釋放能量，形成不同波以釋放光子形式來釋放能量，形成不同波長(zhǎng)的光譜線。長(zhǎng)的光譜線。低能級(jí)低能級(jí)E1高能級(jí)高能級(jí)E2光子光子能級(jí)躍遷輻射能級(jí)躍遷輻射4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 三、氫原子光譜的規(guī)律性三、氫原子光譜的

11、規(guī)律性4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 四、氫原子的玻爾理論四、氫原子的玻爾理論4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 四、氫原子的玻爾理論四、氫原子的玻爾理論 玻爾認(rèn)為電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)不發(fā)射玻爾認(rèn)為電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)不發(fā)射電磁波，并保持原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在原子電磁波，并保持原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在原子有核基礎(chǔ)上應(yīng)用量子化概念，提出三個(gè)基有核基礎(chǔ)上應(yīng)用量子化概念，提出三個(gè)基本假設(shè)，該理論是經(jīng)典理論和普朗克量子本假設(shè)，該理論是經(jīng)典理論和普朗克量子化概念的混合。為半經(jīng)典理論或早期氫原化概念的混合。為半經(jīng)典理論或早期氫原子的量子理論。子的量子理論。4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的

12、玻爾理論 / / 四、氫原子的玻爾理論四、氫原子的玻爾理論 電子在原子中，可以在一些特定的圓電子在原子中，可以在一些特定的圓軌道上運(yùn)動(dòng)而不輻射電磁波，這時(shí)原子處軌道上運(yùn)動(dòng)而不輻射電磁波，這時(shí)原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（簡(jiǎn)稱定態(tài)），并具有一定的于穩(wěn)定狀態(tài)（簡(jiǎn)稱定態(tài)），并具有一定的能量。能量。 電子以速度電子以速度 v 在半徑為在半徑為 r 的圓周上繞的圓周上繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有電子的角動(dòng)量核運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有電子的角動(dòng)量 L 等于等于h/ /2 的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的，即的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的，即mvrL2/nh4 ,3 ,2 ,1n4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 四、氫原子的玻爾理論

13、四、氫原子的玻爾理論n 為主量子數(shù)，上式叫量子化條件。為主量子數(shù)，上式叫量子化條件。 當(dāng)原子從定態(tài)當(dāng)原子從定態(tài) Ei 躍遷到定態(tài)躍遷到定態(tài) Ef 要發(fā)要發(fā)射或吸收頻率為射或吸收頻率為 的光子，的光子， |fiEEh-hEEfi|-當(dāng)當(dāng) Ei Ef 原子發(fā)射光子。原子發(fā)射光子。當(dāng)當(dāng) Ei 1 的為激發(fā)態(tài)。的為激發(fā)態(tài)。4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 四、氫原子的玻爾理論四、氫原子的玻爾理論2122EEeV4 .3-2133EEeV51.1-2144EEeV85.0-賴曼系賴曼系巴爾末系巴爾末系帕邢系帕邢系布拉開系布拉開系eV6 .13-1neV40.3-2neV51.1-3neV

14、85.0-4n0En. .氫原子的電離能氫原子的電離能當(dāng)當(dāng)n原子被電離原子被電離-自由態(tài)，電子自由態(tài)，電子不受原子核束縛。不受原子核束縛。4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 四、氫原子的玻爾理論四、氫原子的玻爾理論電離能：電離能：把電子從氫原子第一玻爾軌道移把電子從氫原子第一玻爾軌道移到無窮遠(yuǎn)所需能量。到無窮遠(yuǎn)所需能量。1EEE-eV6 .13例例1：計(jì)算氫原子基態(tài)電子的軌道角動(dòng)量、計(jì)算氫原子基態(tài)電子的軌道角動(dòng)量、線速度。線速度。解：解： 基態(tài)基態(tài) n = = 121hnLsJ10055.134-2106 .634-4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 四、氫原子的玻

15、爾理論四、氫原子的玻爾理論111rmLve10313410529.01011.910055.1-m/s1019.26例例2：用用 12.6eV 的電子轟擊基態(tài)原子，這的電子轟擊基態(tài)原子，這些原子所能達(dá)到最高態(tài)。些原子所能達(dá)到最高態(tài)。解：解：如果氫原子吸收電子全部能量它所具如果氫原子吸收電子全部能量它所具有能量有能量4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 四、氫原子的玻爾理論四、氫原子的玻爾理論6 .121EE6 .126 .13-eV0 .1-軌道能量軌道能量21nEEn26 .13n-eV0 .1-6 .13n69.33n取取 由玻爾第三假設(shè)電子從高能態(tài)跳到低由玻爾第三假設(shè)電子從高能態(tài)跳到低能態(tài)發(fā)射單色光頻率能態(tài)發(fā)射單色光頻率4.4.氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論 / / 四、氫原子的玻爾理論四、氫原子的玻爾理論)(1fiEEh-原子輻射單色光波數(shù)原子輻射單色光波數(shù)c)(1fiEEch-由由-2204281hmenEn-223204118