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1、引言：引言：1 1、量子、量子论19001900年，普朗克引入能量子的概念，解年，普朗克引入能量子的概念，解释了黑体了黑体辐射的射的规律，律，为量子理量子理论奠定了基奠定了基础；19051905年，年，爱因斯坦提出光量子学因斯坦提出光量子学说，说明了光明了光电效效应的的实验规律，律，为量子理量子理论的的发展开展开创了新的局面；了新的局面；1920192619201926年，康普年，康普顿效效应的的发现、以及理、以及理论分析分析和和实验结果的一致，有力地果的一致，有力地证明了光子学明了光子学说的正确的正确性。性。 14 - 4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔理论玻尔理论2 2、光、光谱学学1919世
2、世纪8080年代，光年代，光谱学的学的发展，使人展，使人们意意识到光到光谱规律律实质是是显示了原子内在的机理。示了原子内在的机理。3 3、电子的子的发现18971897年，年，J.J.J.J.汤姆姆孙发现了了电子，促使人子，促使人们探索原探索原子的子的结构。构。为运用量子理论研究原子结构提供的坚实的理论和实验基础。为运用量子理论研究原子结构提供的坚实的理论和实验基础。1 1、巴耳末系、巴耳末系氢气放气放电管管获得得氢光光谱在在可可见光范光范围内有四条内有四条Ha ：红色：红色 656.210nmHb ：深绿：深绿 486.074nmHg ：青色：青色 434.010nmHd ：紫色：紫色 41
3、0.120nm18851885年，瑞士数学年，瑞士数学家巴耳末把氢原子的家巴耳末把氢原子的前四条谱线归纳巴耳前四条谱线归纳巴耳末公式末公式巴耳末系巴耳末系波长极限值波长极限值 1890年，里德伯年，里德伯采用波数采用波数里德伯常量里德伯常量一、氢原子光谱的实验规律一、氢原子光谱的实验规律2 2、氢原子光原子光谱规律律赖曼系赖曼系(1916)紫外部分紫外部分帕邢系帕邢系(1908)可见光可见光布喇开系布喇开系(1922)近红外部分近红外部分普丰德系普丰德系(1924)红外部分红外部分汉弗莱系汉弗莱系(1953)远红外部分远红外部分当当nf一定时，由不同的一定时，由不同的ni构成一个谱系；构成一个
4、谱系；不同的不同的nf构成不同的谱系。构成不同的谱系。实验表明：实验表明：原子具有线光谱；各谱线间具有一定的关系原子具有线光谱；各谱线间具有一定的关系;每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。统一公式统一公式里兹组合原理：任一条谱线的波数都等于该元素所固有的许多里兹组合原理：任一条谱线的波数都等于该元素所固有的许多光谱项中的两项之差，光谱项中的两项之差， 这是里兹在这是里兹在1908年发现的。年发现的。表面上如此繁杂的光谱线可以用如此简单的公式表示，这是一项出色表面上如此繁杂的光谱线可以用如此简单的公式表示，这是一项出色的成果。但是它是凭经验凑出来的，它
5、为什么与实验符合得如此之好，的成果。但是它是凭经验凑出来的，它为什么与实验符合得如此之好，在公式问世将近三十年内，一直是个谜。在公式问世将近三十年内，一直是个谜。1903年年J.J.汤姆孙提出：原子中的正汤姆孙提出：原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径电荷和原子的质量均匀地分布在半径为为10-10m的球体范围内，而原子中的球体范围内，而原子中的电子浸于此球中。的电子浸于此球中。1 1、原子的葡萄干蛋糕模型、原子的葡萄干蛋糕模型缺陷：缺陷：不能解释正负电荷不中和；不能解释正负电荷不中和；不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释不解释粒子大角度散射。粒子大角度散射。
6、2 2、粒子散射粒子散射实验RSOFPT大部分大部分粒子穿过金箔后只偏转很粒子穿过金箔后只偏转很小的角度；但是在实验中竟然发小的角度；但是在实验中竟然发现有少量现有少量粒子的偏转角度大于粒子的偏转角度大于900，甚至约有几万分之一的粒子，甚至约有几万分之一的粒子被向后散射了。被向后散射了。粒子大角度散粒子大角度散射否定了汤姆射否定了汤姆孙的原子模型。孙的原子模型。 * 附录附录: 卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型3 3、卢瑟福的原子有核模型或行星模型瑟福的原子有核模型或行星模型1911年，卢瑟福提出原子有核模型或称行星模年，卢瑟福提出原子有核模型或称行星模型：原子的中心有一个带正电的原
7、子核，它几型：原子的中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的大小与整个原子相比是很小的。转，核的大小与整个原子相比是很小的。原子的有核模型可以原子的有核模型可以解释粒子的大角度散射解释粒子的大角度散射问题。问题。4 4、卢瑟福的原子有核模型的困瑟福的原子有核模型的困难经典典电磁理磁理论：作加速运：作加速运动的的电子会不断地向外子会不断地向外辐射射电磁波，其磁波，其频率等于率等于电子子绕核旋核旋转的的频率。由于原子率。由于原子不断地向外不断地向外辐射射电磁波，其能量会逐磁波，其能量会逐渐减少，减少，电子子绕核旋核旋转的
8、的频率也要逐率也要逐渐地改地改变，因而原子，因而原子发射的光射的光谱应该是是连续光光谱。由于原子由于原子总能量的减少，能量的减少，电子将逐子将逐渐接近原子核而接近原子核而导致致电子会落到原子核上。子会落到原子核上。实验事事实：原子是：原子是稳定的；原子所定的；原子所发射的射的线光光谱具有具有一定的一定的规律。律。卢瑟福卢瑟福E. Rutherford，1871-1937） 英国物理学家，出生于新西兰。英国物理学家，出生于新西兰。1859年成为卡文迪许实验室主任年成为卡文迪许实验室主任J. J. Thomson的研究生。的研究生。1899年年1月发现铀盐放射出月发现铀盐放射出射线和射线和射线，并
9、射线，并提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。天然放射性的发现与电子和天然放射性的发现与电子和X射线的发现，是射线的发现，是20世纪三项最伟大的发现。世纪三项最伟大的发现。他于他于1908年获得诺贝尔化学奖金。年获得诺贝尔化学奖金。卢瑟福还判定卢瑟福还判定粒子是带正电的氦原子核，他粒子是带正电的氦原子核，他根据根据粒子散射实验提出原子的有核模型。卢粒子散射实验提出原子的有核模型。卢瑟福被誉为原子物理之父，又是开创原子核瑟福被誉为原子物理之父，又是开创原子核物理学的奠基人。物理学的奠基人。玻尔玻尔Niels henrik David Bohr，1885-1962
10、） 在在1913年发表了年发表了等等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地解释了氢原子的光谱规律。圆满地解释了氢原子的光谱规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子物理的形成，具有划时代的意义。量子物理的形成，具有划时代的意义。 玻尔于玻尔于1922年年12月月10日诺贝尔诞生日诺贝尔诞生100周年之周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。 1937年，他
11、来中国作学术访问，表达了对中年，他来中国作学术访问，表达了对中国人民的友好情谊。国人民的友好情谊。丹麦理论物丹麦理论物理学家，现理学家，现代物理学的代物理学的创始人之一。创始人之一。二、氢原子的玻尔理论二、氢原子的玻尔理论定态假说：电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动，定态假说：电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动，而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态定态并具有一定而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态定态并具有一定的能量。的能量。其中其中n=1,2,3,.称称为主量子数为主量子数量子化条件：电子以速度量子化条件：电子以速度v在半径为在半径为r的圆周上绕核运动时，的圆周上绕核运动时，
12、只的电子角动量只的电子角动量L等于等于h/(2p )的整数倍的那些轨道才是稳定的的整数倍的那些轨道才是稳定的1 1、玻、玻尔的基本假的基本假设跃迁假设：当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，跃迁假设：当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，即电子从高能量即电子从高能量Ei的轨道跃迁到低能量的轨道跃迁到低能量Ef的轨道上时，要的轨道上时，要发射能量为发射能量为hn 的光子：的光子：卢瑟福的原子核模型卢瑟福的原子核模型氢原子光谱的巴尔末公式氢原子光谱的巴尔末公式普朗克能量子概念普朗克能量子概念2 2、玻、玻尔的的氢原子原子图象象电子轨道半径电子轨道半径 电子在半径为电子在半径为rn的轨道上以速率
13、的轨道上以速率vn运动运动波尔半径波尔半径 n=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r1原子能级原子能级 1234 氢原子能级图氢原子能级图65n=1 正常状态正常状态n=2,3, 激发态激发态电子跃迁的辐射规律电子跃迁的辐射规律这与里德伯常量实验值这与里德伯常量实验值 R = 1.097107 m-1 非常接近非常接近赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系 帕邢系帕邢系 布喇开系布喇开系En=E1/n265E5=E1/25eV4E4=E1/16eV3E3=E1/9=-1.51eV2E2=E1/4=-3.39eV1E1=-13.58eV氢原子的光谱图氢原子的光谱图3 3、玻、
14、玻尔氢原子理原子理论的成的成绩 成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。从理论上计算了里德伯常量；解决了近从理论上计算了里德伯常量；解决了近30年之久的巴耳末公式年之久的巴耳末公式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正确的。确的。能对类氢原子的光谱给予说明。能对类氢原子的光谱给予说明。4 4、玻、玻尔氢原子理原子理论的困的困难不能解释多电子原子的光谱；不能
15、解释多电子原子的光谱；不能解释谱线的强度和宽度；不能解释谱线的强度和宽度；不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的；不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的；在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。*参考文献：参考文献： 弗兰克弗兰克-赫兹实赫兹实验验一、实验装置一、实验装置AV+-FP+-+-G管内充满低压汞蒸汽，电子从管内充满低压汞蒸汽，电子从加热的灯丝加热的灯丝F发射，在加速电压发射，在加速电压U0作用下电子被加速，向栅极作用下电子被加速，向栅极G运动，
16、在运动，在GP之间加反向电压之间加反向电压Ur (0.5V左右左右)，电子穿过栅极，电子穿过栅极G到达到达P，在电路中可看出电流，在电路中可看出电流IP。二、实验结果二、实验结果在起始阶段，在起始阶段，IP随随U0而增加，当而增加，当IP达到峰值后，随达到峰值后，随U0增加，增加，IP急急剧下降，然后剧下降，然后IP又随又随U0增加，出增加，出现第一个波，以后，又出现第二现第一个波，以后，又出现第二个峰值与第二个波。个峰值与第二个波。0510151002003004.99.813.7U0VIP三、解释三、解释基态能量基态能量E1，第一激发态，第一激发态E2，第二激发态，第二激发态E3，电子能量电子能量Ek当当EkE2-E1，电子不能使汞原子激发，电子与原子间为弹性，电子不能使汞原子激发，电子与原子间为弹性碰撞，所以随碰撞，所以随U0的增加的增加Ip增加；增加；当当Ek E2-E1汞原子从基态跃迁到激发态，电子与原子为非弹汞原子从基态跃迁到激发态，电子与原子为非弹性碰撞，电子动能损耗，出现第一波谷；性碰撞，电子动能损耗，出现第一波谷；第二波谷：电子两次与汞原子相碰的结果。第二波谷：电子两次与汞原子相碰的结果。当汞原子从第一激发态跃迁到基态当汞原子从第一激发态跃迁到基态 实验中观察实验中观察到该谱线到该谱线四、结果四、结果原子中离散能级确实是存在的。原子中离散能级确实是存在的。
