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1、2.1、玻尔理论的实验基础、玻尔理论的实验基础卢瑟福原子核式结构模型的成就：对卢瑟福原子核式结构模型的成就：对 粒子的散射实验给出了粒子的散射实验给出了令人满意的解释，第一次正确地解决了原子内部的结构问题。令人满意的解释，第一次正确地解决了原子内部的结构问题。问题：对核外电子的运动情况还没有令人满意的说明。问题：对核外电子的运动情况还没有令人满意的说明。 1900年普朗克发表了著名的年普朗克发表了著名的量子假说量子假说，但很少有人注意他的文，但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章，更不要说理解它了；连普朗克本人也不喜欢自己的“量子量子”，他与很多人一起想把量子说
2、纳入经典轨道。可是，爱因斯，他与很多人一起想把量子说纳入经典轨道。可是，爱因斯坦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坦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年年)明确地提出了光量子的概念。无独有偶，爱因斯坦的明确地提出了光量子的概念。无独有偶，爱因斯坦的论文同样不受名人的重视，甚至到了论文同样不受名人的重视，甚至到了1913年，德国最著名的四年，德国最著名的四位物理学家位物理学家(包括普朗克在内包括普朗克在内)在一封信中还把爱因斯坦的光量在一封信中还把爱因斯坦的光量子概念说成展子概念说成展迷失了方向迷失了方向” 。可是，当时年仅可是，当时年仅28岁的丹麦
3、物理学家尼尔斯岁的丹麦物理学家尼尔斯玻尔，却创造性玻尔，却创造性地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，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，解释了近解释了近30年的光谱之谜。年的光谱之谜。一、实验基础之一一、实验基础之一 黑体辐射黑体辐射黑体：黑体：对什么光都吸收而无反射对什么光都吸收而无反射的物体，它的物体，它是一种在自然界中并是一种在自然界中并不存在的完全理想的黑体。不存在的完全理想的黑体。黑体黑体分子分子( (含有带电粒子含有带电粒子) )的热运动使物体辐射电磁波。这种与温的热运动使物体辐射电磁波。这种与温度有关的辐射称为度有关的辐射称为热辐射热辐射。热辐
4、射的电磁波能量对频率有一个分布，热辐射的电磁波能量对频率有一个分布，怎么去研究热辐射怎么去研究热辐射的规律呢？的规律呢？物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量时，热辐射物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为过程达到热平衡，称为平衡热辐射。平衡热辐射。提出提出 “理想模型理想模型”的方法的方法瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩理论值维恩理论值实验实验T=1646k 维恩根据经典热力学得出一个半经验公式：维恩根据经典热力学得出一个半经验公式：维恩公式维恩公式维恩公式在短波部分与实验结维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。果吻合得很好，但长波却不行。 瑞利和
5、琼斯用能量均分定理和瑞利和琼斯用能量均分定理和电磁理论得出电磁理论得出瑞利瑞利琼斯公式：琼斯公式：瑞利瑞利琼斯公式在长波部分与实琼斯公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区竟验结果比较吻合。但在紫外区竟算得单色辐出度为无穷大算得单色辐出度为无穷大所谓所谓的的“紫外灾难紫外灾难”。 1900年元旦，英国物理学家年元旦，英国物理学家开耳文开耳文在一篇总结以往几百年来物在一篇总结以往几百年来物理学的文章中说：理学的文章中说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是，在物理学学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是，
6、在物理学晴朗天空的远处还有两朵令人不安的乌云。晴朗天空的远处还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云，指这两朵乌云，指的是当时物理学无法解释的两个现象其中一个就是的是当时物理学无法解释的两个现象其中一个就是黑体辐射黑体辐射，另一个是另一个是迈克尔逊迈克尔逊莫雷干涉实验莫雷干涉实验(1887年年) 。正是这两朵乌云，。正是这两朵乌云，不久便掀起了物理学上一场深刻的革命：一个导致量子力学的不久便掀起了物理学上一场深刻的革命：一个导致量子力学的诞生，一个导致相对论的建立。诞生，一个导致相对论的建立。1900年年10月月19日，普朗克在德国物理学会会议上提出了一个日，普朗克在德国物理学会会议上提出了一个黑
7、体辐射能量分布公式：黑体辐射能量分布公式：式中：式中：k为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数，h=h=6.6266.62610103434 J J. .s s称为普朗克常数。称为普朗克常数。这个公式是普朗克为了凑合实验数据而猜出来的。这个公式是普朗克为了凑合实验数据而猜出来的。实验实验瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩理论值维恩理论值T=1646k瑞利瑞利-琼斯琼斯普朗克理论值普朗克理论值发现：普朗克的发现：普朗克的黑体辐射黑体辐射能量分布公式和实验结果能量分布公式和实验结果以惊人的精确性相符合。以惊人的精确性相符合。使他决心使他决心“不惜一切代价不惜一切代价找到一个理论的解释找到一个理论的解释”。经过二个月的
8、日夜奋斗，经过二个月的日夜奋斗，普朗克在普朗克在12月月14日在德国日在德国物理学会提出：物理学会提出：电磁辐射电磁辐射的能量交换只能是量子化的能量交换只能是量子化的。的。由于这一概念同经典物理严重背离，由于这一概念同经典物理严重背离，因此在以后的十余年内，普朗克很因此在以后的十余年内，普朗克很后悔当时提出后悔当时提出“量子说量子说”，并想尽，并想尽办法试图把它纳入经典范畴办法试图把它纳入经典范畴.二、实验基础之二二、实验基础之二 光电效应光电效应阳阳极极阴阴极极石英窗石英窗光线经石英窗照在阴极上，便有光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出电子逸出-光电子。光电子。光电子在电场作用下形成光电流。
9、光电子在电场作用下形成光电流。当当 K K、A A 间加反向电压，光电子间加反向电压，光电子要要克服电场力作功，当电压达到某一克服电场力作功，当电压达到某一值值 U U0 0 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0。 U U0 0称反称反向遏止电压。向遏止电压。此时光电子动能全转换成电势能此时光电子动能全转换成电势能遏遏止电压的大小反映光止电压的大小反映光电子初动能的大小。电子初动能的大小。阳阳极极阴阴极极石英石英窗窗光电效应实验规律光电效应实验规律.光电流与光强的关系光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。.截止频率截止频率0 -红限红限对于每种金属
10、材料，都相应的有一确定对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率的截止频率0 。 入射光频率入射光频率 0 时，电子逸出金属表面；时，电子逸出金属表面；当入射光频率当入射光频率 0 时，时，与光强无关。与光强无关。光电子初动能光电子初动能反向遏止电压反向遏止电压光电效应是瞬时的光电效应是瞬时的 从光开始照射到光电逸出所需时间从光开始照射到光电逸出所需时间 0 时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。不同金属具有不同的截止频率。不同金属具有不同的截止频率。（4）光电效应瞬时性的解释）光电效应瞬时性的解释 电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电
11、子电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。 金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。光电子越多，光电流越大。（3）光电流正比于光强的解释）光电流正比于光强的解释 光强正比于单位时间流过单位面积的
12、光子数。光强越大，光强正比于单位时间流过单位面积的光子数。光强越大，光子数越多。光子数越多。光谱光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。 每一种元素都有它自己特有的光谱线，原子谱线每一种元素都有它自己特有的光谱线，原子谱线“携带携带”着大量有关原子内部结构或原子能态变化特色的着大量有关原子内部结构或原子能态变化特色的“信息信息”。 通过研究光谱，就可以研究原子内部的结构，并通过原子通过研究光谱，就可以研究原子内部的结构，并通过原
13、子光谱的实验数据来检验原子理论的正确性。光谱的实验数据来检验原子理论的正确性。三、实验基础之三三、实验基础之三 氢原子光谱氢原子光谱（1）光谱知识）光谱知识光光 谱谱 种种 类类连续光谱连续光谱线状光谱线状光谱带状光谱带状光谱炽热的固体或液炽热的固体或液体发出，具有各体发出，具有各种波长成分。种波长成分。气态原子发出，气态原子发出，只有某些波长，只有某些波长，光谱由一条条光谱由一条条清晰明亮的线清晰明亮的线组成。组成。气体分子发出，气体分子发出，谱线分段密集，谱线分段密集，形成一个个带。形成一个个带。连续光谱连续光谱线状光谱线状光谱太阳光谱太阳光谱钠的吸收光谱钠的吸收光谱NaHHgCu棱镜光谱
14、仪示意图棱镜光谱仪示意图狭缝狭缝棱镜棱镜屏屏红红蓝蓝 1 2光源光源准直仪准直仪 接受装置接受装置（照相底片或显微镜）（照相底片或显微镜） 色散装置色散装置（棱镜或光栅）（棱镜或光栅） 1 2氢原子巴尔末线系氢原子巴尔末线系 很早，人们就发现氢原子的在可见光部分的四条谱线。很早，人们就发现氢原子的在可见光部分的四条谱线。常数常数 巴尔末经验公式巴尔末经验公式当当 n = 3,4,5,6为四条可见为四条可见光谱线光谱线H 、H 、H 、H 巴尔末光谱线系巴尔末光谱线系H ：红：红 656.210nm 最强最强 H ：深绿：深绿 483.074nm 次强次强H ：青：青 434.010nm 再次之
15、再次之 H ：紫：紫 410.120nm 最弱最弱（2）氢原子光谱）氢原子光谱1889年，瑞典物理学家里德伯年，瑞典物理学家里德伯（J.R.Rydberg, 1854-1919）提出）提出里德伯公式里德伯公式里德伯公式里德伯公式 ：式中式中 称为波数称为波数里德伯常数：里德伯常数：m, n都是正整数，对每一个都是正整数，对每一个m，n = m +1, m +2, m + 3, 构成一个谱线系。构成一个谱线系。巴尔末经验公式巴尔末经验公式氢原子光谱的其它谱线，也先后被发现。氢原子光谱的其它谱线，也先后被发现。紫外区，是紫外区，是1914年由赖曼发现的。年由赖曼发现的。 赖曼系：赖曼系：巴耳末系：
16、巴耳末系：其中最著名的红色是埃格斯特朗在其中最著名的红色是埃格斯特朗在1853年首先测得的。年首先测得的。近红外区，是近红外区，是1908年由帕邢发现的。年由帕邢发现的。 帕邢系：帕邢系：中红外区，中红外区， 1922年由布拉开发现的年由布拉开发现的。布拉开系：布拉开系： 普丰特系：普丰特系：远红外区，是远红外区，是1924年由普丰特发现的。年由普丰特发现的。光谱项光谱项 里里德德伯伯公公式式准准确确地地表表述述了了氢氢原原子子光光谱谱线线系系，其其规规律律简简单单而而明明显显，这这就就说说明明它它深深刻刻地地反反映映了了氢氢原原子子内内在在的的规规律律性性。最最明明显显的的一一点点是是，氢氢原原子子发发射射的的任任何何一一条条谱谱线线的的波数都可以表示成两项之差，即波数都可以表示成两项之差，即光谱项光谱项 氢原子的光谱，为什么如此惊人的符合一个简单的整数氢原子的光谱，为什么如此惊人的符合一个简单的整数函数的经验规律，在它们的背后隐藏着什么？函数的经验规律，在它们的背后隐藏着什么？
