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Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2020,高中物理竞赛,基础光学,2020高中物理竞赛基础光学,第一节,玻尔理论,第一节,一,.,实验规律,记录氢原子光谱原理示意图,氢放电管,23 kV,光阑,全息干板,三棱镜,（或光栅）,光,源,一.实验规律记录氢原子光谱原理示意图氢放电管23 kV光,1903,年汤姆逊首先提出了一个原子模型，它设想原子中的正电荷以均匀的体密度分布在一个大小等于整个原子的球内，而电子则一个个地分布在球内的不同位置上。,1911,年英国物理学家卢瑟福，提出另一个原子模型，他设想在原子中央是一个很小的，很重的带正电荷的原子核，电子绕原子核运动，好象行星绕太阳运转一样，以上两种模型究竟那一种正确，要由实验来检验，卢瑟福、盖革和马斯顿做了这方面实验。,a,粒子,(,即氢原子核,),散射等其它实验证实了卢瑟福原子模型是正确的。,1903年汤姆逊首先提出了一个原子模型，它设想原子中的正,氢光谱的里德伯常量,(3),k,=2(,n,=3,4,5,),谱线系,赖曼系 （,1908,年）,(2),谱线的波数可表示为,k,=1(,n,=2,3,4,),谱线系,巴耳末系（,1880,年）,(1),分立线状光谱,氢原子的巴耳末线系照片,氢光谱的里德伯常量(3)k=2(n=3,4,二、原子的核型结构与经典理论的矛盾,1,、连续光谱，根据经典电磁理论，绕核运动的电子所发射的光谱应是连续的，这与原子的线状光谱的实验事实不符，,2,、原子由于辐射的缘故，电子的能量减少，它将沿螺旋线逐渐接近原子核，最后落在核上，因此按经典理论，卢瑟福的核型结构就不可能是稳定系统。,1913,年玻尔在卢瑟福的核型结构的基础上，把量子概念应用于原子系统，提出三个基本假设，使氢光谱规律获得很好的解释。,三,.,玻尔氢原子理论,二、原子的核型结构与经典理论的矛盾1、连续光谱，根据经典,2.,跃迁假设,1.,定态假设,原子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸收一个光子，频率,稳定状态,这些定态的能量不连续,不辐射电磁波,电子作圆周运动,v,2.跃迁假设1.定态假设原子从一个定态跃迁到另一定态，会,r,向心力是库仑力,由上两式得,第,n,个定态的轨道半径为,r,2,=4,r,1,r,2,=9,r,1,3.,角动量量子化假设,轨道,角动量,玻尔半径,r向心力是库仑力 由上两式得,第 n 个定态的轨道半径为,定态能量,认为：氢原子的能量电子的动能电势能,在量子数为,n,的定态,设电子在无穷远处的静电势能为零，则,定态能量认为：氢原子的能量电子的动能电势能在量子数为n的,可见原子系统的能量是不连续的，即能量量子化，这种量子化的能量值称为能级。,n,=1,，,E,1,=-13.6,ev,，,n,=2,3,4,E,n,E,1,n,r,n,E,n,0,能级趋于连续，原子趋于电离，电子脱离核束缚称为自由电子,E,0,氢原子的最低能级，即基态能级原子最稳定,受基态，随,n,的增大，,E,n,也增大，能量间隔减小,原子处于电离状态，能量可连续变化,电离能：使原子或分子电离所需的能量称为电离能。,例：计算处于基态的氢原子的电离能,解：使氢原子电离所需要的能量，就是把氢原子中处于基态,(,n,=1),的电子移到无穷远处,(,n,),所需要的能量,由氢原子能级公式：,可见原子系统的能量是不连续的，即能量量子化，这种量子化的,E,n,(,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,En(eV)氢原子能级图莱曼系巴耳末系帕邢系布拉开系-1,例：计算处于基态的氢原子的电离能,解：使氢原子电离所需要的能量，就是把氢原子中处于基态,(,n,=1),的电子移到无穷远处,(,n,),所需要的能量,由氢原子能级公式：,例：计算处于基态的氢原子的电离能解：使氢原子电离所需要的能量,THE END,THE END,谢谢观看！,谢谢观看！,2020,高中物理竞赛,基础光学,2020高中物理竞赛基础光学,波数,(,波长的倒数,),当时实验测得,四、氢原子光谱的解释,1,、里德伯公式德推导,与氢光谱得经验公式是一致的，比较可得里德伯常数得理论值为：,波数(波长的倒数)当时实验测得四、氢原子光谱的解释1、里德伯,2.,玻尔理论成功说明了氢原子和类氢离子,(,核外只有一个电子的原子体系，如,He,+,Li,2+,等,),的光谱结构，表明这个理论在一定程度上能正确地反映单电子原子系统的客观实际。,注,：在某一瞬间一个氢原子只能发射与某一谱线相应的一定频率的一个光子，不同受激状态的氢原子在跃迁到基态或其它较低能态时才分别发射与不同的谱线相应的光子。,2.玻尔理论成功说明了氢原子和类氢离子(核外只有一个电子,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,里德伯-里兹并合原则卢瑟福原子的有核模型普朗克量子假设玻,玻尔的贡献：,玻尔的理论第一次使光谱实验得到了理论上的说明，成功地揭开了,“,巴耳末公式之迷,”,第一次指出经典理论不能完全适用于原子内部运动过程，首次打开了人们认识原子结构的大门,定态和频率假设在原子结构和分子结构的现代理论中仍是重要概念,为量子力学的建立奠定了基础。但他的理论是半经典的，现代理论仍保留了,“,轨道,”,定态、能级、能级跃迁等概念,玻尔的贡献：,玻尔理论的缺陷,1,、只能计算单电子原子系统，如氢原子、类氢离子光谱线，对其它稍微复杂原子就无能为力，如氦、碱金属元素。,2,、没有涉及谱线强度、宽度及偏振性。,3,、不能解释精细结构及塞曼效应,精细结构：每一条谱线实际上由相靠很近的若干条谱线所组成,原因,:,以经典理论为基础，但又生硬地加上与经典理论不相容的若干重要假设，如定态不辐射和量子化条件等，不是一个完善的理论，,塞曼效应：谱线在匀强磁场中会发生分裂的现象,玻尔理论的缺陷1、只能计算单电子原子系统，如氢原子、类氢,例题根据玻尔理论,(1),、计算氢原子中电子在量子数为,n,的轨道上作圆周运动的频率；,(2),、计算当该电子跃迁到,(,n,-1),的轨道上时所发出的光子的频率；,(3),、证明当,n,很大时，上述,(1),和,(2),结果近似相等。,解：,(1),(1),、,(2),、,(3),联立解出：,例题根据玻尔理论(1)、计算氢原子中电子在量子数为n的轨道,(2),、电子从,n,态跃迁到,(n-1),态所发出光子的频率为,(3),、当,n,很大时，上式变为：,解；从,+13.6,ev,到,-13.6,ev,共获得能量,13.6,2(,ev,),例题当一个质子俘获一个动能,E,k,=13.6,ev,的自由电子组成一个基态氢原子时，所发出的单色光频率是,多少,?(,基态氢原子的能量为,-13.6,ev,，普朗克恒量,h,=6.63,10,-34,J,s,),(2)、电子从n态跃迁到(n-1)态所发出光子的频率为(3),解：,He,+,：原子核带电,+2,e,，核外为,-,e,(,因为是离子，一个电子已激发掉,),所以由玻尔理论：,例题按照玻尔理论，移去处于基态的,He,+,中的电子所需能量为多少,?,解：He+：原子核带电+2e，核外为-e(因为是离子，一,五,.,能级分立的实验验证,-,夫兰克,-,赫兹实验,1),原理 利用电子碰撞基态水银原子,若原子能量是一份一份的,(,能级,),则电子损失能量也是一份一份的,激发态,基态,2),物理图像,若电子动能,E,K,E,2,-,E,1,则电子损失,一部分,能量,电子将走得慢些,若电子动能,E,K,E,2,-,E,1,则电子可能会连续损失几个的,E,2,-,E,1,能量,五.能级分立的实验验证 激发态2)物理图像,3),实验装置及实验结果,3)实验装置及实验结果,4),实验过程,观察电流变化,如果电流下降 说明电子损失能量,所以要,单调地升电压,观察全过程,中电压在什么,值,时电流下降,(,电子损失能量,),发现电流下降对应的相邻电压值差为,4.9V,4)实验过程,根据发光的频率条件可知,水银原子的基态和第,1,激发态的能量差是,从而证明了能级分立,根据发光的频率条件可知从而证明了能级分立,THE END,THE END,谢谢观看！,谢谢观看！,
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