氫原子的玻爾理論

氫原子的玻爾理論第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月十九世紀(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、X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？對這些問題的研究形成了原子的量子理論。一、原子結(jié)構(gòu)的探索

1897年，J.J.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，一定還存在著帶正電的部分。而且原子內(nèi)正、負(fù)電荷相等。電子和正電荷是如何分布的呢？第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.J.J湯姆遜原子模型1903年J.J.湯姆遜提出，原子中的正電荷和原子質(zhì)量均勻地分布在半徑為10-10m的球體內(nèi)，電子浸于此球體中，即“葡萄干蛋糕模型”。盧瑟福是J.J.湯姆遜的學(xué)生，提出了原子的有核模型。第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.研究原子的兩種方法原子很小，只有10-11m，無法直接觀察，只有通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去分析研究。①.利用原子發(fā)光譜線規(guī)律。②.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，從觀察到的現(xiàn)象解釋原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.

粒子散射實(shí)驗(yàn)

二、盧瑟福的原子有核模型盧瑟福用

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。

粒子為氦核以~c/15轟擊金箔，在原子中帶電物質(zhì)的電場力作用下，使它偏離原來的入射方向，從而發(fā)生散射現(xiàn)象。氦核質(zhì)量是電子質(zhì)量的7500倍，

粒子運(yùn)動(dòng)不受電子影響。第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子鐳放射源

熒光屏顯微鏡金箔絕大部分粒子經(jīng)金箔散射后，散射角很小2

~3

，1/8000的粒子偏轉(zhuǎn)大于90第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.盧瑟福原子有核模型①.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。②.電子繞原子核旋轉(zhuǎn)。③.原子核的體積比原子的體積小得多。原子半徑~10-10m原子核半徑10-14

~10-15m第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月按經(jīng)典理論電子繞核旋轉(zhuǎn)，作加速運(yùn)動(dòng)，電子將不斷向四周輻射電磁波，它的能量不斷減小，從而將逐漸靠近原子核，最后落入原子核中。播放動(dòng)畫軌道及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不斷變化，輻射電磁波頻率也是連續(xù)的，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)不符。實(shí)驗(yàn)測得原子光譜是不連續(xù)的譜線。3.有核模型與經(jīng)典理論的矛盾原子落入核內(nèi)第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月三、氫原子光譜的規(guī)律性

粒子散射實(shí)驗(yàn)確定了原子有核結(jié)構(gòu)，但它對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。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。第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月A即由此得來。。紅藍(lán)紫6562.8?4340.5?4861.3?氫原子的可見光光譜：。‥1853年瑞典人埃格斯特朗（A.J.Angstrom）測得氫可見光光譜的紅線，到1885年，觀測到的氫原子光譜線已有14條。第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

波數(shù)R=1.0973731568549

107m-1（現(xiàn)代值）巴耳末（J.J.Balmer）分析這些譜線后，得到經(jīng)驗(yàn)公式：波數(shù)B=3645.6?（經(jīng)驗(yàn)常數(shù)）——里德伯方程——里德伯常數(shù)1889年，里德伯（J.R.Rydberg）提出普遍方程：第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月氫光譜各譜線系與n

的關(guān)系：賴曼系（紫外區(qū)），n

=1；（1914）巴耳末系（可見光），n

=2；（1885）帕邢系（紅外區(qū)），n

=3；（1908）布喇開系（紅外區(qū)），n

=4；（1922）普芳德系（紅外區(qū)），n

=5；（1924）nn

后來發(fā)現(xiàn)在紫外和紅外區(qū)還有其他譜線系。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月H原子光譜的解釋第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月四、氫原子的玻爾理論第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月玻爾（NielsHenrikDavidBohr，1885—1962)丹麥理論物理學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的創(chuàng)始人之一。1911年，他來到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，在J.J.湯姆遜的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)和研究，當(dāng)?shù)弥R瑟福從

粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子的有核模型后，他深感親佩，同時(shí)也非常理解該模型所遇到的困難。于是他又轉(zhuǎn)赴盧瑟福實(shí)驗(yàn)室求學(xué)，并參加

粒子散射的實(shí)驗(yàn)工作，他堅(jiān)信盧瑟福的有核模型，認(rèn)為要解決原子的穩(wěn)定性問題，必須用量子概念對經(jīng)典物理來一番改造。終于在1913年發(fā)表了《論原子構(gòu)造與分子構(gòu)造》等三篇論文，正式提出了在盧瑟福原子有核模型基礎(chǔ)上的關(guān)于原子穩(wěn)定性和量子躍遷理論的三條假設(shè)，從而完滿地解釋了氫原子光譜的規(guī)律。玻爾的成功，使量子理論取得重大進(jìn)展，推動(dòng)了量子物理學(xué)的形成，具有劃時(shí)代的意義。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.玻爾的量子化假設(shè)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化概念的混合。為半經(jīng)典理論或早期氫原子的量子理論。第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月假設(shè)1(定態(tài)假設(shè))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)原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（簡稱定態(tài)），并具有一定的能量。假設(shè)2(角動(dòng)量量子化假設(shè))電子以速度v在半徑為r的圓周上繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有電子的角動(dòng)量L等于h/2

的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的，即第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月n為主量子數(shù)，上式叫量子化條件。假設(shè)3(頻率公式)當(dāng)原子從定態(tài)Ei躍遷到定態(tài)Ef要發(fā)射或吸收頻率為

的光子，當(dāng)Ei>Ef

原子發(fā)射光子。當(dāng)Ei<Ef

原子吸收光子。第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電子軌道半徑量子化氫原子中電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，受核的庫侖力充當(dāng)向心力由玻爾的假設(shè)2①②①②聯(lián)列，消去v:第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月n=1，為第一軌道半徑(玻爾半徑)，離原子核最近。第n級軌道半徑電子軌道半徑可能值為r1，

4r1，

9r1，.....，n2r1第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月原子能量由①和代入得3.氫原子的能級選無窮遠(yuǎn)為0電勢點(diǎn)，半徑為rn

的電子與原子核系統(tǒng)能量:得把第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月注意幾點(diǎn)①.基態(tài)能量②.激發(fā)態(tài)n>1的為激發(fā)態(tài)。第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月賴曼系(紫外)巴爾末系(可見)帕邢系(紅外)布拉開系氫原子能級和能級躍遷圖：由能級算出的光譜線頻率和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月③.氫原子的電離能當(dāng)原子被電離----自由態(tài)，電子不受原子核束縛。電離能：把電子從氫原子第一玻爾軌道(基態(tài))移到無窮遠(yuǎn)所需能量。第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：計(jì)算氫原子基態(tài)電子的軌道角動(dòng)量、線速度。解：基態(tài)n=1第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月例2：用12.6eV的電子轟擊基態(tài)氫原子，這些氫原子所能達(dá)到最高態(tài)。解：如果氫原子吸收電子全部能量它所具有能量軌道能量取第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4.廣義巴爾末公式的推導(dǎo)由玻爾第三假設(shè)電子從高能態(tài)跳到低能態(tài)發(fā)射單色光頻率原子輻射單色光波數(shù)由與比較第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月這一數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果符合很好。為此，玻爾于1922年12月10日諾貝爾誕生100周年之際，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月玻爾理論在人們認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的進(jìn)程中有很玻爾正在講解他的互補(bǔ)原理玻爾（左）和海森伯（中）及泡利（右）在一起大的貢獻(xiàn)——1922年玻爾獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月盧瑟福的原子的核式模型普朗克、愛因斯坦量子化光譜實(shí)驗(yàn)給出的光譜公式玻爾理論（假設(shè)、直覺）玻爾理論很好地解釋了氫原子光譜的波長。但是，不能說明氫原子光譜線的強(qiáng)度和復(fù)雜原子的光譜結(jié)構(gòu)（即使是類H離子和He）。玻爾理論發(fā)展的基礎(chǔ)：第30頁，課件共32