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1、第二章原子的能级和辐射,2.1 光谱-研究原子结构的重要途径之一2.2 氢原子的光谱和原子光谱的一般情况2.3 玻尔的氢原子理论和关于原子的普遍规律2.4 类氢离子的光谱 2.5 F-H实验与原子能级2.6 量子化通则2.7 电子的椭圆轨道与氢原子能量的相对论效应2.8 S-G实验与原子空间取向的量子化2.9 原子的激发与辐射激光原理2.10 对应原理和玻尔理论的地位,量子假说,1900年普朗克（M.Plank 18581947）发表了著名的量子假说，但当时很少有人注意他的文章，更不要说理解它了；连普朗克本人也不喜欢自己的“量子”，他与很多人一起想把量子说纳入经典轨道。但爱因斯坦（A.Eins
2、tein 18761955）却认真对待这一革命性的观念，他在提出狭义相对论的同年（1905）年明确地提出了光量子的概念。爱因斯坦的论文同样不受名人的重视；甚至到了1913年，德国最著名的四位物理学家（包括普朗克在内）在一封信中还把爱因斯坦的光量子概念说成是“迷失了方向”。年仅28岁的丹麦物理学家尼尔斯玻尔，却创造性地把量子概念用到了当时人们持怀疑的卢瑟福原子结构模型，解释了近30年的光谱之谜。,A、黑体辐射 什么叫黑体辐射？记得有时在评论某人物时（例如，莎士比亚的喜剧威尼斯商人中的高利贷者夏洛克），人们会贬称他“黑心”，就是说这个人对什么东西都贪得无厌。与此相比，若一物体对什么光都吸收而无反射
3、，我们就称这种物体为“绝对黑体”，简称“黑体”。事实上当然不存在“绝对黑体”，不过有些物体可以近似地作为“黑体”来处理，如一束光一旦从狭缝射入某一空腔后，就很难再通过狭缝反射出来，这个空腔的开口就可以被看作是黑体。,空腔小孔,向远处观察打开的窗子近似黑体,所有物体都能发射热辐射，而热辐射与光辐射一样，都是一定频率范围内的电磁波。炼钢的好坏常取决于炉内温强度分布即不同波长（颜色）对应的辐射强度，依此来把握炼钢时机。类似地，在天文学中，人们靠辐射的强度分布来判断星体表面的温度。冶金学和天文学等方面的需要，大大推动了对热辐射研究。 1859年，基尔霍夫（G.R.Kirchhoff） 1983年，维恩
4、（W.Wien 18641928）高频 1899年，瑞利（J.W.S.Rayleigh 18421919） 金斯（J.H.Jeans 18771946）低频,普朗克 (1858-1947德国) (60岁获诺贝尔奖),在经典力学、热力学、统计物理学和电动力学取得一系列成就之后，物理学家在十九世纪末已建成了一座座宏伟的科学大厦。不少人认为，后辈物理学家似乎只要做一些另碎的修补工作就行了。但是，在物理学睛朗的天空出现了两朵令人不安的“乌云”。一朵是迈克尔逊（A.A.Michelson 18521931）-莫雷（E.W.Morley 18381923）实验（1887年），另一朵则与黑体辐射有关。正是这
5、两朵乌云，不久便掀起了物理学上深刻的革命：一个导致相对论的建立，一个导致量子力学的诞生。,1990年10月19日，基尔霍夫的学生普朗克，在德国物理学会会议上提出了一个黑体辐射能量分布公式。这个公式是普朗克为了凑合实验数据而猜出来的。在提出这公式的当天，鲁本斯（H.Rubens）立刻把它与卢默（O.Lummer）和普林斯海默（E.Pringsheim）当时测到的最精确的实验结果进行核对，结果发现，两者以惊人的精确性相符合。鲁本斯第二天就把这一喜讯告诉了普朗克，使他决心“不惜一切代价找到一个理论的解释”。经过两个月的日夜奋斗，普朗克在12月14日在德国物理学会提出：电磁辐射的能量交换只能是量子化的
6、，即 E = nh ，n =1,2,3,；这里的h后来称为普朗克常数。,普朗克发表的常数 h=6.5510-34JS 只比现代值低1%；同时导出的玻耳兹曼常数 k=1.34610-23J/K 比现代值低约2.5%。由此可相当精确地算出阿伏伽德罗常数N0及电子的电荷e，而在实验上只是在近二十年之后才独立地把N0和e测量到这样精确的水平。 普朗克常数在1986年的推荐值为： h=6.6260755（40）10-34JS,由于量子化的概念同经典物理严重背离，故在十余年内，普朗克很后悔提出“量子说”，并试图把它纳入经典范畴，把这种量子化说成是“假量子化”；好比黄油，人们去商店买时，只能是整块买，但回到
7、家里仍可以一点一点分割开。只是在各种经典式的解释一一碰壁后，才理解到量子说的真正的深刻的含义。正因为普朗克的量子说与经典物理的概念是如此之不同，因此在普朗克公式正式提出后的五年中，没有人对其加以理会。直到1905年，才由爱因斯坦作了发展，提出光的量子说，用E = h成功地解释了光电效应。,叶企孙师生谱系,叶企孙（18981977）,叶企孙是我国近代物理学奠基人之一。与合作者一起利用射线短波限与加速电压的关系测定普朗克常数，获得当时该方法最精确的实验数据。其结果被国际物理学界沿用达16年。创办清华大学物理系、北京大学磁学专门组。为我国高等教育事业和科学事业做出卓越贡献，培养出一大批著名科学家。,
8、B、光电效应 1.光电效应的发现： 1887年赫兹（H.R.Hertz 18571894）菜顿瓶放电实验。 1888年霍尔瓦希斯（W.Hallwachs） 1900年，林纳实验证明，金属在紫外光照射下发射电子。过了两年，他进一步发现，光电效应的实验规律不能用波动说解释。 1905年爱因斯坦提出光量子假说，并用以解释光电效应。 1913年，密立根仔细测量了光的频率和逸出电子能量之间的关系，验证爱因斯坦的光电效应量子公式，并精确测定普朗克常数。,2.光电效应的实验规律： 观察光电效应的实验装置如图所示。单色光投射到作为正极的金属表面，引起光电子的逸出。在另一端的电极上加负电压（减速势）V，它的大小
9、是电子能量的直接量度。如果我们假定电子从正极发射出来的最大动能为，那末，当 时，就没有一个电子能够到达负极，于是电流i为零。,3.光电效应的经典解释： 经典物理认为，光是一种波动，当它照在电子上时，电子就得到能量。当电子集聚的能量达到一定程度时，电子就能脱离原子的束缚而逸出。那末，光需要照射多少时间才能使电子达到这样的能量呢？实验发现，以光强为1w/m2的光照射到钠金属表面，即可有光电流被测到。这就相当于一个500W的光源照在6300m远处的钠金属板上，即可有电子发射。容易估算，在一平方米的面积上，一个原子层内约有1019个钠原子，那末十层就有1020个钠原子。假定入射光的能量为十层原子所吸收
10、，那末，每一个原子得到 10-26W=10-26J/S10-7ev/s。,这表明，1m2的钠金属板上，每个原子每秒钟接受到的能量约为0.1eV,既使每个原子中只有一个电子接受能量，要使这个电子获得1eV的能量，还需要107s1/3a！这与实验事实发生严重的矛盾。光电效应的响应时间快（T10-9s），是经典物理最难理解的。 另外，依照经典理论，决定电子能量的是光强，而不是光的频率。但实验事实却是：暗淡的蓝光照出的电子的能量居然比强烈的红光照出的电子的能量大。这种电子能量与光频率的关系是经典物理所无法解释的。,4.光电效应的量子解释: 1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子说。普朗克在解释黑体辐射
11、时假定，物质振子的能量是量子化的，光以不连续方式从光源发出，但仍以波的方式传播。爱因斯坦则认为，光在空间的传播正象粒子那样运动，这种粒子后来被称为光量子或光子。爱因斯坦用光量子假说成功地解释了光电效应。 按照爱因斯坦的观点，当光射到金属表面时，能量为h的光子被电子吸收。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的束缚，另一部分就是电子离开金属表面后的动能。这一能量关系可以写成：,当 时，电子不能脱出金属 表面，因而没有光 电子产生。光的频率决定了光子的能 量，也就决定了电子的能量。光的强度只决定光子的数目；光子多，产生的光电子也多，但能不能产生光电子则决定于光的频率。这样，经典理论所不能解释的光
12、电效应就得到了说明。,红限:产生光电效应的最小频率。,密立根曾说：“尽管爱因斯坦的公式是成功的，但其物理理论是完全站不住脚的。”可见，一个新的思想要被人们接受是相当困难的。然而，历史很快作出了判断，1922年爱因斯坦因光电效应（而不是相对论）获得诺贝尔物理奖。,某些金属的红限（通常用表示）：,光谱是光的频率（或波长）成分和强度分布的关系图，它是研究原子结构的重要途径之一。,光谱是用光谱仪测量的。光谱仪的种类繁多，但其基本结构原理却几乎都一样，大致由三部分组成：光源；分光器（棱镜，或光栅）；记录仪（把分出的不同成分的光强记录下来）。 光源：研究光谱所用的光源，除自然光外，可有各种类型，有火焰、高
13、温炉、电弧、火花放电、气体放电、化学发光、荧光等。,若要了解物质的内部情况，只要看其光谱就可以了。,2.1 光谱-研究原子结构的重要途径之一,棱镜光谱仪的原理图,光谱的类别：从形状来区别，光谱可分为三类： （1）线状光谱：观察光谱都用狭窄的光缝。那么摄谱仪上获得的相片必定出现细线，每条线代表一个波长。所谓线状光谱是指在这些光谱上的谱线是分明、清楚的。这表示波长的数值有一定的间隔。经研究知道这类光谱是原子所发的。 （2）带状光谱：有些光源的光谱中，谱线是分段密集的。这表示每段中不同的波长数值很多，相近的差别很小。如果用分辩本领不高的摄谱仪摄取这类光谱，密集的谱线看起来并在一起，整个光谱就象是许多
14、片连续的带组成。所以称作带状光谱，经研究知道这类光谱是分子所发的。,（3）连续光谱：有些光源所发的光具有各种波长，而且相近的波长差别极微，或者可以说是连续变化的。那么光谱相片上的谱线就密接起来形成连续光谱。固体加热所发的光谱是这种形状的。例如白热电灯的光谱就是连续的。原子和分子在某些情况下也会发连续光谱。 发射与吸收：光源所发的光谱称发射光谱。还有一种观察光谱的办法就是吸收。把要研究的样品放在发射连续光谱的光源与光谱仪之间，使来自光源的光先通过样品后，再进入光谱仪。这样一部分的光就被样品吸收。在所得的光谱上会看到连续的背景上有被吸收的情况。相片的底片上受光处变成黑的，吸收光谱呈现出连续的黑背景
15、上有亮的线。这些线是吸收物的吸收光谱。样品可以是气体、液体或固体。,按光谱机制分类,发射光谱,吸收光谱,光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息,按光谱结构分类,连续光谱,线状光谱,固体热辐射,原子发光,带状光谱,分子发光,光谱及其分类,不同的光源具有不同的光谱，从氢气放电管可以获得氢原子光谱。到1885年，人们从光谱仪中观察到的氢光谱线已有14条。这年，巴耳末（J.J.Balmer 18251898） 在对这些谱线进行分析研究后，提出了一个经验公式，依此可以计算在可见光区的谱线的波数 （即波长的倒数）： 式中B = 3645.6 ，是个经验常数。,2.2 氢原子的光谱和原子光谱的一般情况,根据这个公式算得的波长数值在实验误差范围内与测到的数值完全一致。后人称这个公式为巴耳末公式，而将它所表达的一组谱线（均落在可见光）称为巴耳末系。当n趋于无穷，波长趋近B，达到了这线系的极限，这时二邻近波长的差别趋近零。,
