15-4 氫原子光譜和玻爾的量子論

1、電子的發(fā)現(xiàn)1858年德國(guó)物理學(xué)家普魯克利用蓋斯勒放電管研究氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)了對(duì)著陰極的管壁上出現(xiàn)了美麗的綠色輝光；1876年德國(guó)物理學(xué)家哥爾德斯坦證實(shí)這種綠色輝光是由陰極上所產(chǎn)生的某種射線射到玻璃上產(chǎn)生的，他把這種射線命名為“陰極射線”。 15-4 氫原子光譜和玻爾的量子論 一、原子的核型結(jié)構(gòu)模型及其與經(jīng)典理論的矛盾 1 法國(guó)物理學(xué)家大多認(rèn)為陰極射線是一種電磁波，英國(guó)物理學(xué)家則認(rèn)為是一種帶電粒子流，這一爭(zhēng)論持續(xù)了一、二十年，促使許多物理學(xué)家進(jìn)行很有意義的實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，這場(chǎng)爭(zhēng)論最后由J.J.湯姆遜解決了。 2 1897年，J. J. 湯姆遜發(fā)現(xiàn)，不管怎樣改變放電管中的氣體的種類，也不管

2、怎樣改變電極的材料，陰極射線粒子的荷質(zhì)比始終保持不變，這就意味著陰極射線是一種荷質(zhì)比完全確定的粒子流所組成的，由此斷定，這種粒子應(yīng)是電極材料原子的基本組成部分。 1897年8月，J. J. 湯姆遜把他的發(fā)現(xiàn)寫成論文“陰極射線”，10月發(fā)表在哲學(xué)雜志上。31910年，密立根(R. A. Millikan)精確測(cè)定電子 的電荷值；e= -1.60217653(14) 10-19 Cme=9.1093826(16) 10-31 Kg電子質(zhì)量原子質(zhì)量4 電子的發(fā)現(xiàn)再一次否定了原子不可分的觀念，電子是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的微觀粒子，電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)原子組成的了解起了極為重要的作用。 J. J. 湯姆遜由于發(fā)現(xiàn)電子而

3、于1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，J. J. 湯姆遜被譽(yù)為“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”。 電子的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)上誘發(fā)了電子時(shí)代的來(lái)臨，1904年，A.弗萊明發(fā)明了二極電子管，1906年，L.德弗萊斯特(L.de Forest)發(fā)明了三極管。真空管的發(fā)明，使電力通訊、控制合自動(dòng)化生產(chǎn)很快發(fā)展。晶體管集成電路的發(fā)明，使人類進(jìn)入微電子科技時(shí)代。 5 J. J. 湯姆遜，1856年12月18日生于英國(guó)，1884年任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室在他的領(lǐng)導(dǎo)下，成了全世界引人注目的物理實(shí)驗(yàn)中心，世界各地的科學(xué)家常來(lái)這里開展研究工作，其中有八位后來(lái)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，如盧瑟福、威爾遜、巴克拉）、G.

4、 P. 湯姆遜等，如后表所示，這八位獲獎(jiǎng)?wù)呤撬苯优囵B(yǎng)過(guò)的，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室獲得諾貝爾獎(jiǎng)的共有25人次。 6獲獎(jiǎng)?wù)攉@獎(jiǎng)時(shí)間和獎(jiǎng)項(xiàng)獲獎(jiǎng)原因E. 盧瑟福1908化學(xué)獎(jiǎng)研究元素蛻變和放射性化學(xué)W. H. 布拉格1915物理學(xué)獎(jiǎng)用X射線法分析晶體結(jié)構(gòu)W. L. 布拉格C. G. 巴爾克拉1917物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)元素的特征X射線輻射F. W. 阿斯頓1922化學(xué)獎(jiǎng)研究原子的結(jié)構(gòu)和輻射C. T. R. 威爾遜1927物理學(xué)獎(jiǎng)用蒸汽凝聚使帶電粒子可見的方法O. W. 里查森1928物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)電子放射決定于溫度的里查森定律G. P. 湯姆遜1937物理學(xué)獎(jiǎng)用電子照射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體內(nèi)的干涉現(xiàn)象71903年J.J.湯姆

5、孫提出：原子中的正電荷和原子的質(zhì)量均勻地分布在半徑為10-10m的球體范圍內(nèi)，而原子中的電子浸于此球中。1、原子的葡萄干蛋糕模型缺點(diǎn)：不能解釋正負(fù)電荷不中和；不解釋氫原子光譜存在的譜線系；不解釋粒子大角度散射。82、粒子散射實(shí)驗(yàn)大部分粒子穿過(guò)金箔后只偏轉(zhuǎn)很小的角度；但是在實(shí)驗(yàn)中竟然發(fā)現(xiàn)有少量粒子的偏轉(zhuǎn)角度大于900，甚至約有幾萬(wàn)分之一的粒子被向后散射了。粒子大角度散射否定了湯姆孫的原子模型。93、盧瑟福的原子有核模型或行星模型1911年，盧瑟福提出原子有核模型或稱行星模型：原子的中心有一個(gè)帶正電的原子核，它幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，電子圍繞這個(gè)核旋轉(zhuǎn)，核的大小與整個(gè)原子相比是很小的。原子的有核

6、模型可以解釋粒子的大角度散射問(wèn)題。4、盧瑟福的原子有核模型的困難10行星式原子模型存在兩大困難：2、是在坍塌前原子連續(xù)輻射，應(yīng)得連續(xù)的原子光譜。實(shí)際上，原子沒(méi)有發(fā)生坍塌；實(shí)驗(yàn)上，原子光譜是分立的線光譜。1、原子坍塌，電子繞核做橢圓運(yùn)動(dòng)，這是一種加速運(yùn)動(dòng)，按經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必然輻射能量，電子能量逐漸減少，軌道半徑隨之變小，只要10-8秒，電子就會(huì)落到核上，發(fā)生坍塌；11經(jīng)典物理學(xué)理論的上述結(jié)論是與實(shí)際情況不符的： 原子在正常情況下并不輻射能量； 原子發(fā)光的光譜是線光譜，而不是連續(xù)譜。 原子的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。二、氫原子光譜的規(guī)律性 氫原子的巴耳末線系照片 12可見光范圍內(nèi)氫原子光譜的

7、四條譜線的波長(zhǎng)： B=364.57 nm巴耳末系n=3,4,5,6, 為里德伯常數(shù)131916年，萊曼系 紫外光區(qū)1885年，巴耳末系 可見光區(qū)1908年，帕邢系 紅外光區(qū)1922年，布拉開系 紅外光區(qū)1924年，普豐德系 紅外光區(qū)14將上述五個(gè)公式綜合為一個(gè)公式： k和n都是正整數(shù)，且 k n。其中 光譜項(xiàng) 把對(duì)應(yīng)于任意兩個(gè)不同正整數(shù)的光譜項(xiàng)合并起來(lái)組成它們的差，便得到氫原子光譜中一條譜線的波數(shù)，這個(gè)規(guī)律稱為里茲組合原理。 15三、氫原子的玻爾理論1、玻爾的基本假設(shè)定態(tài)假設(shè)：原子存在一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，即定態(tài)。處于定態(tài)中的電子雖然作相應(yīng)的圓周軌道運(yùn)動(dòng)，但不輻射電磁波。角動(dòng)量量子化假設(shè)：n 主量子數(shù)量子化條件：電子以速度在半徑為r的圓周上繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有電子角動(dòng)量L等于h/(2p )的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的16躍遷假設(shè)：原子中的電子從一個(gè)軌道跳躍到另一個(gè)軌道時(shí)，對(duì)應(yīng)于原子系統(tǒng)從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)；只有在此時(shí)原子才輻射或吸收一個(gè)光子，光子的能量為：172、氫原子的軌道和能量：軌道半徑運(yùn)動(dòng)速率18玻爾半徑n=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r119氫原子系統(tǒng)的總能量 原子的一系列定態(tài)的能量是不連續(xù)的，即原子能量狀態(tài)的量子化。每