氫原子光譜課件

1、關(guān)于氫原子光譜1第一張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2除了黑體輻射、光電效應(yīng)及康普頓散射外，經(jīng)典物理還在原子的結(jié)構(gòu)和原子光譜的譜線規(guī)律上，遇到重大困難。1897年，人們發(fā)現(xiàn)了電子，并從實(shí)驗(yàn)中知道，電子是所有原子的基本組成部分。在這之后，物理學(xué)的中心問(wèn)題就是探索原子內(nèi)部的奧秘。原子發(fā)光是重要的原子現(xiàn)象之一，對(duì)原子光譜的研究是了解原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段之一。第二張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3原子結(jié)構(gòu)的探索 盧瑟福原子有核模型： 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。 電子繞原子核旋轉(zhuǎn)。 原子核的體積比原子的體積小得多。原子半徑10-10m，原

2、子核半徑10-14 10-15m 關(guān)于原子的結(jié)構(gòu)，人們提出各種不同的模型，經(jīng)公認(rèn)的是1911年盧瑟福在 粒子散射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的核式結(jié)構(gòu)，即原子是由帶正電的原子核和核外作軌道運(yùn)動(dòng)的電子組成。 原子核式結(jié)構(gòu)模型的建立，只肯定了原子核的存在，但還不知道原子核外電子的情況。第三張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4 光譜是電磁輻射（不論是在可見(jiàn)光區(qū)域還是在不可見(jiàn)光區(qū)域）的波長(zhǎng)成分和強(qiáng)度分布的記錄。有時(shí)只是波長(zhǎng)成分的記錄。 光譜可分為三類(lèi)：線狀光譜，帶狀光譜，連續(xù)光譜。連續(xù)光譜是固體加熱時(shí)發(fā)出的，帶狀光譜是分子所發(fā)出的，而線狀光譜是原子所發(fā)出的。 每一種元素都有它自己特有的光譜線，原子譜線“攜帶

3、”著大量有關(guān)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)或原子能態(tài)變化特色的“信息”。 通過(guò)研究光譜，就可以研究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)原子光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)原子理論的正確性。19世紀(jì)80年代，光譜學(xué)的發(fā)展，使人們意識(shí)到光譜規(guī)律實(shí)質(zhì)是顯示了原子內(nèi)在的機(jī)理。第四張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5記錄原子光譜原理示意圖氫放電管23 kV光闌全息干板 三棱鏡（或光柵）光 源第五張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6 1885 年瑞士數(shù)學(xué)家巴耳末把氫原子在可見(jiàn)光的譜線歸納為巴耳末公式： 很早，人們就發(fā)現(xiàn)氫氣放電管獲得的氫原子光譜，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有四條譜線。氫原子是最簡(jiǎn)單的原子，其光譜也最簡(jiǎn)單。Ha： 紅色 656.2

4、10nm； Hb ；深綠 486.074nmHg ： 青色 434.010nm； Hd ；紫色 410.120nm常數(shù) 巴爾末公式一、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第六張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7氫原子巴爾末線系當(dāng) n=3，4，5，6,為四條可見(jiàn)光譜線H、H、H、H 當(dāng)n=7，8，9，10，為四條紫外部分譜線。巴爾末公式Ha： 紅色 656.210nm； Hb ：深綠 486.074nmHg ： 青色 434.010nm； Hd ；紫色 410.120nm 1890 年瑞典物理學(xué)家里德伯提出了一個(gè)用波數(shù)表示的氫原子光譜公式。第七張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8波數(shù)：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)

5、所包含的完整波形數(shù)目。為里德伯常數(shù)令 氫原子光譜的其它譜線，也先后被發(fā)現(xiàn)。一個(gè)在紫外區(qū)，由萊曼發(fā)現(xiàn)，還有三個(gè)在紅外區(qū)，分別由帕邢、布喇開(kāi)、普方德發(fā)現(xiàn)。巴爾末公式 1890 年瑞典物理學(xué)家里德伯提出了一個(gè)用波數(shù)表示的氫原子光譜公式巴爾末公式第八張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9紫外 萊曼系： 可見(jiàn)光 巴爾末系：紅外區(qū)：帕邢系：布喇開(kāi)系：普方德系：第九張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月10萊曼系巴爾末系帕邢系布拉開(kāi)系普方德系 氫原子光譜不是不相關(guān)的，而是有內(nèi)在聯(lián)系的。表現(xiàn)在其波數(shù)可用一普遍公式來(lái)表示：式中：n取從(m+1)開(kāi)始的正整數(shù)，即對(duì)應(yīng)一個(gè)m就構(gòu)成一個(gè)譜線系。每一譜線的波數(shù)

6、都等于兩項(xiàng)的差數(shù)。（廣義巴爾末公式）第十張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月11令：有：稱(chēng)為光譜項(xiàng)。氫原子光譜的規(guī)律：1）光譜是線狀的，譜線有一定位置。這就是說(shuō)，譜線有確定的波長(zhǎng)值，而且彼此是分立的。2）譜線間有一定的關(guān)系，例如譜線構(gòu)成一個(gè)譜線系，它們的波長(zhǎng)可以用一個(gè)公式表達(dá)出來(lái)，不同系的譜線有些也有關(guān)系，例如有共同的光譜項(xiàng)。3）每一譜線的波數(shù)都可以表達(dá)為二光譜項(xiàng)之差：（里茲合并原理）任一條譜線的波數(shù)都等于該元素所固有的許多光譜項(xiàng)中的兩項(xiàng)之差， 這是里茲在1908年發(fā)現(xiàn)的。第十一張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月12電子會(huì)落到原子核上。盧瑟福的原子有核模型的困難經(jīng)典電磁理論：原子

7、發(fā)射的光譜應(yīng)該是連續(xù)光譜。實(shí)驗(yàn)事實(shí)：原子是穩(wěn)定的；原子所發(fā)射的光譜是線狀的，且具有一定的規(guī)律。+第十二張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13 1913年，玻爾在盧瑟福的有核模型的基礎(chǔ)上，推廣了普朗克和愛(ài)因斯坦的量子概念，并引用到原子中來(lái)。并結(jié)合原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，提出了關(guān)于氫原子模型的三個(gè)假設(shè)，奠定了原子結(jié)構(gòu)的量子理論基礎(chǔ)。為此他獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。玻爾的氫原子理論的三個(gè)重要假設(shè)：定態(tài)假設(shè)量子化條件假設(shè)頻率條件假設(shè)第十三張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月14 2) 躍遷假設(shè)：當(dāng)原子中的電子從高能量的定態(tài)En躍遷到低能量Ek的定態(tài)時(shí)，原子會(huì)發(fā)射光子，其頻率滿(mǎn)足頻率躍遷公

8、式： 1、玻爾的基本假設(shè):1) 定態(tài)假設(shè)：原子中的電子只能在一些特定的、半徑不連續(xù)的軌道上作圓周運(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(chēng)定態(tài)），并具有一定的能量。 3) 量子化假設(shè):電子以速度 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n 為主量子數(shù)，上式叫量子化條件。二、玻爾的氫原子理論第十四張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月15 氫原子中電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，受核的庫(kù)侖力充當(dāng)向心力。由玻爾的假設(shè)32、氫原子問(wèn)題的處理1) 氫原子電子的圓周軌道半徑解 得：第十五張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月16n=1，稱(chēng)為玻

9、爾半徑，離原子核最近，是電子軌道的最小半徑。第n級(jí)軌道半徑電子軌道半徑可能值為 r1 ， 4 r1 ， 9 r1 ， 16r1，. n2r1n=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r1第十六張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月17電子動(dòng)能系統(tǒng)勢(shì)能原子能量可求得： 選無(wú)窮遠(yuǎn)為電勢(shì)能零點(diǎn)，半徑為 rn 的電子與原子核系統(tǒng)能量:2) 氫原子能量由和結(jié)果表明：氫原子能量也只能取一些分立值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為能量量子化。這種與軌道對(duì)應(yīng)的能量稱(chēng)為能級(jí)。第十七張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月18（電離能）基態(tài)能量激發(fā)態(tài)能量 氫原子能級(jí)圖基態(tài)激發(fā)態(tài)自由態(tài)第十八張，PPT共

10、二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月19氫原子的電離能當(dāng) 時(shí),這時(shí)電子已脫離原子核而成為自由電子，所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為電離態(tài)。電離能：把電子從基態(tài)到到無(wú)窮遠(yuǎn)所需能量。欲將電子從基態(tài)電離，擺脫氫原子的束縛而變?yōu)樽杂蓱B(tài)，外界至少要供給電子的能量為：基態(tài)和各個(gè)激發(fā)態(tài)中的電子都沒(méi)有脫離原子，統(tǒng)稱(chēng)為束縛態(tài)。電離能第十九張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月20原子輻射單色光波數(shù)由與比較，3) 氫原子光譜公式由玻爾的躍遷假設(shè)，電子從高能態(tài)跳到低能態(tài)時(shí)，有：這一數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果符合很好。第二十張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月21氫原子能級(jí)躍遷與光譜系萊曼系巴耳末系帕邢系布拉開(kāi)系第二十一張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月22例：計(jì)算賴(lài)曼系的最短波長(zhǎng)和最長(zhǎng)波長(zhǎng)；計(jì)算帕邢系第二條譜線的波長(zhǎng)。解：賴(lài)曼系n = 2 時(shí)對(duì)應(yīng)最長(zhǎng)波長(zhǎng)n = 時(shí)對(duì)應(yīng)最短波長(zhǎng)帕邢系第二十二張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月23例：在氣體放電管中，用能量為12.2eV的電子去轟擊處于基態(tài)的氫原子。請(qǐng)確定此時(shí)氫原子所能輻射的譜線波長(zhǎng)。解：氫原子吸收能量E 后由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài) 由即12.2eV的能量不能全部被吸收 當(dāng)原子由這個(gè)能態(tài)躍遷回基態(tài)時(shí)，將有可能發(fā)射三種不同波長(zhǎng)的電磁波。第二十三張，PPT共二十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022