玻尔氢原子理论.ppt
引言：,1、量子论1900年，普朗克引入能量子的概念，解释了黑体辐射的规律，为量子理论奠定了基础；1905年，爱因斯坦提出光量子学说，说明了光电效应的实验规律，为量子理论的发展开创了新的局面；19201926年，康普顿效应的发现、以及理论分析和实验结果的一致，有力地证明了光子学说的正确性。,18-4 氢原子的玻尔理论,2、光谱学19世纪80年代，光谱学的发展，使人们意识到光谱规律实质是显示了原子内在的机理。,3、电子的发现1897年，J.J.汤姆孙发现了电子，促使人们探索原子的结构。,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。,记录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,1、巴耳末系氢气放电管获得氢光谱在可见光范围内有四条,Ha：红色 656.210nmHb：深绿 486.074nmHg：青色 434.010nmHd：紫色 410.120nm,瑞典的埃格斯特朗在1853年首先观测到的，波长的单位就是以他的名字命名的。,1885年，瑞士数学家巴耳末把氢原子的前四条谱线归纳巴耳末公式,巴耳末系波长极限值,1890年，里德伯采用波数,里德伯常量,一、氢原子光谱的规律性,2、氢原子光谱规律,赖曼系(1916)紫外部分,帕邢系(1908)可见光,布喇开系(1922)近红外部分,普丰德系(1924)红外部分,汉弗莱系(1953)远红外部分,当nf一定时，由不同的ni构成一个谱系；不同的nf构成不同的谱系。,实验表明：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。,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光谱项中的两项之差，这是里兹在1908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。,卢瑟福（E.Rutherford，1871-1937）,1859年成为卡文迪许实验室主任J.J.Thomson的研究生。1899年1月发现铀盐放射出射线和射线，并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X射线的发现，是20世纪三项最伟大的发现。他于1908年获得诺贝尔化学奖金。卢瑟福还判定粒子是带正电的氦原子核，他根据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，又是开创原子核物理学的奠基人。,英国物理学家，出生于新西兰,二 卢瑟福的原子有核模型,1903年J.J.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为10-10m的球体范围内，而原子中的电子浸于此球中。,1、原子的葡萄干蛋糕模型,缺点：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；不解释粒子大角度散射。,2、粒子散射实验,大部分粒子穿过金箔后只偏转很小的角度；但是在实验中竟然发现有少量粒子的偏转角度大于900，甚至约有几万分之一的粒子被向后散射了。,粒子大角度散射否定了汤姆孙的原子模型。,3、卢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解释粒子的大角度散射问题。,4、卢瑟福的原子有核模型的困难经典电磁理论：作加速运动的电子会不断地向外辐射电磁波，其频率等于电子绕核旋转的频率。由于原子不断地向外辐射电磁波，其能量会逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐地改变，因而原子发射的光谱应该是连续光谱。由于原子总能量的减少，电子将逐渐接近原子核而导致电子会落到原子核上。实验事实：原子是稳定的；原子所发射的线光谱具有一定的规律。,玻尔（Niels henrik David Bohr，1885-1962）,在1913年发表了论原子结构与分子结构等三篇论文，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，推动了量子物理的形成，具有划时代的意义。玻尔于1922年12月10日诺贝尔诞生100周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。1937年，他来中国作学术访问,丹麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一。,三、氢原子的玻尔理论,玻尔仔细研究了普朗克和爱因斯坦的理论后意识到,微观系统以量子形式发射和吸收能量（辐射场）,普朗克能量子假设,爱因斯坦光量子假设,微观系统以量子形式发射和吸收量子化的辐射场,玻尔假设微观系统的能量结构本身就是量子化的,玻尔的逻辑是：如果微观系统只能以量子化的方式吸收或发射量子化的场，那么最简单的解释就是，假设微观系统的能量都被限制为分立的结构。,这时的玻尔是一位28岁的研究生，他作为访问学者在著名的卢瑟福实验室工作。因而他很熟悉卢瑟福的原子行星模型，同时他也很了解普朗克、爱因斯坦的新思想。,玻尔当时的研究课题是：卢瑟福模型的稳定性问题和原子光谱线状结构成因的解释。,玻尔理论基于,卢瑟福的原子核模型氢原子光谱的巴尔末公式普朗克能量子概念,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）并具有一定的能量。,其中n=1,2,3,.称为主量子数,量子化条件：电子以速度v在半径为r的圆周上绕核运动时，只的电子角动量L等于h/(2p)的整数倍的那些轨道才是稳定的,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Ei的轨道跃迁到低能量Ef的轨道上时，要发射能量为hn 的光子：,1、玻尔的基本假设,2、玻尔的氢原子图象,电子轨道半径,电子在半径为rn的轨道上以速率vn运动,波尔半径,原子能级,氢原子能级图,n=1 正常状态n=2,3,激发态,电子跃迁的辐射规律,与里德伯常量非常接近,比较前面氢原子经验公式,赖曼系,巴耳末系,帕邢系,布喇开系,氢原子的光谱图,3、玻尔氢原子理论的成绩,成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。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，至今仍然是正确的。能对类氢原子的光谱给予说明。,4、玻尔氢原子理论的困难,不能解释多电子原子的光谱；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；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。,计算赖曼系的最短波长和最长波长计算帕邢系第二条谱线的波长,解：,例题1：,赖曼系,n=2 时对应最长波长,n=时对应最短波长,帕邢系,在气体放电管中，用能量为12.2eV的电子去轰击处于基态的氢原子。请确定此时氢原子所能辐射的谱线波长。,解：,例题2：,氢原子吸收能量E 后由基态跃迁到激发态,由,即,12.2eV的能量不能全部被吸收,当原子由这个能态跃迁回基态时，将有可能发射三种不同波长的电磁波。,31,属于赖曼系,32,属于巴尔末系,21,属于赖曼系,氢原子从n5 的态跃迁到基态能发射多少种不同的光子？,解：,例题3：,n=2,由图可见，可能有10 种辐射光产生。,解析计算：,考虑1n 范围内任意一对不相等的整数,组合,当n 5时，N=10,5.夫兰克赫兹实验,玻尔的氢原子理论与氢光谱的实验结果符合得非常好。但是，原子的能级量子化这一假设当时是很难为人接受的。,仔细推敲会发现，氢光谱实验可以作为证据证明，物质（原子）系统的能量量子化，就能使其按量子化的形式发射电磁场。,那么吸收过程是否也是量子化的呢？,1914年，德国物理学家，32岁的夫兰克与27岁的赫兹合作，进行了电子与惰性气体原子的碰撞实验研究，发现在非弹性碰撞中，电子与原子间的能量转移是量子化的。,实验装置如图，密闭玻璃管内抽真空后充入氦气。加热灯丝K 发射电子，KG 间加正向电压对电子加速，使电子获得一定的动能与氦原子碰撞传递能量。,GP 间加一很小的反向电压（设计用意精妙）。,通过了栅极 G的电子中，有一些因为与氦原子发生非弹性碰撞而只剩下很小的动能，通不过 GP 间的减速电场，因而不被记录。,因此，集电极电流记录的只能是没有发生碰撞或碰撞中未向氦原子转移能量的电子。,实验结果及分析,开始电子的动能很小,不足氦原子的基态和第一激发态的能级差，因而电子与氦原子碰撞时，电子的动能不被吸收。电子就有足够的动能通过减速区到达集电极。,第一峰值：,增大加速电压，当电子的动能达到一定值,U1=4.9V,则,这时的电子与氦原子碰撞，其动能就被强烈吸收，氦原子进入激发态。,第二峰值：,此后继续增加电压，使电子与氦原子碰撞并交付能量后，还能有足够的动能通过减速场。,直到 KG 间电压达到 2 4.9V，电子在 KG 间可能经历两次碰撞而失去大部分动能，使集电极电流再次大幅度下降。,损失了动能的电子经过G 后，已无力通过减速场，因而集电极电流骤然下降。,因而集电极电流又开始上升。,夫兰克赫兹实验表明，在电子与氦原子碰撞过程中，电子失去的动能只能是 4.9eV 的整数倍。这就完全证实了原子系统的能量量子化假设。,对这个实验装置的改进，可以直接测量原子系统两能态之间的能级差。,夫兰克与赫兹也因此荣获1925年诺贝尔物理学奖,玻尔理论成功地解释了原子的稳定性、原子的大小及氢原子光谱的规律性。玻尔理论中的定态、量子化、跃迁等概念现在仍然有效。,玻尔的出色工作，使物理学的发展达到一个里程碑量子论完成了它的创生过程。,1920年，哥本哈根大学根据玻尔的提议，创立了理论物理研究所，1965年更名为玻尔研究所。玻尔一直任所长，直到1956年退休。在此期间，他以自己的崇高威望吸引了一大批国内外杰出的物理学家，创建了著名的哥本哈根学派，在量子力学领域作出了杰出的贡献。,由于研究原子结构和原子辐射的贡献，玻尔荣获1922年诺贝尔物理学奖。,更加难能可贵的是，玻尔与他的同事们在创建和发展物理科学的同时，还创建了哥本哈根精神。这是一种独特的、浓厚的、平等自由的讨论和相互合作的学术氛围。,玻尔与海森伯在讨论,曾经有人问玻尔，你是怎样做到把那么多有才华的年轻人团结在身边的？他回答说，因为我不怕在年轻人面前承认自己的知识不足，不怕承认自己是傻瓜。,在对于量子力学的哲学问题上，玻尔与爱因斯坦是一对论敌。两人一遇见就会展开辩论，进行思想的交锋。但他们始终是一对相互尊敬的好友。玻尔高度评价这种争论，认为它是许多新思想产生的源泉。,爱因斯坦则赞扬玻尔是一位科学思想家，具有很强的直觉理解力和批判能力，是当代科学领域最伟大的发现者之一。,
