原子物理第2讲第二章氢原子光谱详解
原子物理学第2章原子的量子态全解
的温度升高时,单色辐射能量密度
最大值向短波方向移动.
0 1 2 3 4 λ(µm) 绝对黑体辐射能量密度按波长分布(实验)曲线
第二章 原子的量子态：玻尔模型
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
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物体辐射总能量按波长分布决定于温度.
800K
1000K
1200K
固体在温度升高时颜色的变化
矛盾二:经典的光强和时间决定光电流大小;而光电效应中只有 在光的频率大于红限时才会发生光电效应.
矛盾三:经典的驰豫时间（or:响应时间）较长 (若光强很小,电 子需较长时间吸收足够能量才能逸出),而光电效应不超过10-9s.
实验表明:光强为1μW/m2的光照射到钠靶上即有光电流产生, 这相当于500W的光源照在6.3km处的钠靶.
第二章 原子的量子态：玻尔模型
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
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“在目前业已基本建成的科学大厦中,物理学家似乎只要 做一些零碎的修补工作就行了;然而在物理学晴朗天空的 远处,还飘着两朵令人不安的愁云.”
——《19世纪笼罩在热和光的动力论上的阴影》 1900年4月27日于不列颠皇家科学院
1）光电流与入射光强度的关系
光电子
单色光
I
e
Is
A
V
遏止电压
光强较强 光强较弱
第二章 原子的量子态：玻尔模型
Ua o
U
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第二章 原子的量子态：玻尔模型
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
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2）光电子初动能与入射光频率呈线性关系,而与入射光强度
12.2第2讲 原子结构 氢原子光谱
二、 氢原子光谱
1.光谱:用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布 的记录,即光谱。
2.光谱分类:
某些波长的光， 所以明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。
3.氢原子光谱的实验规律:巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线,
其波长公式
由于极少数α粒子发生了大角度偏转，原子的全部正电荷集中在原子中央很小的体积 内，即原子核内。此实验不能说明原子核内存在中子，故C项正确，A、D项错误。
题型2 原子核式结构模型
典例2 不能用卢瑟福原子核式结构模型得出的结论是( B )
A.原子中心有一个很小的原子核 B.原子核是由质子和中子组成的 C.原子质量几乎全部集中在原子核内 D.原子的正电荷全部集中在原子核内
密立根油滴实验g 的原理图
(1)1909～1911年,英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射
实验,提出了核式结构模型。
(2)α粒子散射实验的结果:绝大多数α粒子穿过金箔后,基本 上仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转, 偏转的角度甚至大于90°,也就是说它们几乎被“撞了回来”。
(3)原子的核式结构模型:原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部质量,电子在正电体的外面运动。
( √)
(4)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱。
( ×)
(5)按照玻尔理论，核外电子均匀地分布在各个不连续的轨道上。( ×)
(6)氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁。
(× )
(7)氢原子可以吸收任何能量的光子而发生跃迁。( × )
玻尔理论的不足：没有完全揭示微观粒子运动的规律，它的 不足在于过多地保留了经典粒子的观念。而量子力学才是反 映微观世界运动规律的完整理论。
氢原子光谱ppt课件
03
氢原子光谱实验观测与分析
氢原子光谱实验装置介绍
光源
氢原子灯或放电管，产生氢原子 光谱。
单色仪
将复合光分解为单色光，并可选 择特定波长的光通过。
光探测器
如光电倍增管或CCD，将光信号 转换为电信号进行记录和分析。
数据采集与处理系统
对实验数据进行采集、处理和分 析，得出实验结果。
氢原子光谱观测方法
氢原子光谱研究挑战与机遇
实验技术挑战
01
尽管精密测量技术取得了显著进展，但进一步提高测量精度仍
面临诸多挑战，如如何消除系统误差、提高信噪比等。
理论模型挑战
02
现有理论模型在描述某些复杂现象时仍存在一定局限性，需要
进一步完善和发展。
交叉学科机遇
03
氢原子光谱研究与粒子物理、宇宙学等领域密切相关，这些领
04
氢原子光谱理论解释与应用
薛定谔方程与波函数概念
薛定谔方程
描述了微观粒子状态随时间变化 的规律，是量子力学的基本方程
之一。
波函数
量子力学中用来描述粒子状态的函 数，其模平方表示粒子在特定位置 被发现的概率。
量子数
描述原子或分子中电子运动状态的 参数，如主量子数、角量子数等。
氢原子光谱理论解释
玻尔模型
玻尔提出的氢原子模型，假设电子在 特定轨道上运动，且能量是量子化的。
能量级与光谱线
选择定则
解释了为何只有特定能级间的跃迁才 会产生光谱线，如偶极跃迁选择定则 等。
氢原子光谱由一系列分立的谱线组成， 对应着电子在不同能级间的跃迁。
氢原子光谱在物理、化学等领域应用
01
02
03
04
原子钟
利用氢原子光谱的稳定性和精 确性，制成高精度原子钟，用
氢原子光谱
在光谱上表现为谱线的分裂和位移，可通过高分辨率光谱仪 进行观测。
氢原子光谱超精细结构探讨
超精细结构成因
在精细结构的基础上，由于原子核自旋与电子总角动量的耦合，导致能级进一步分裂。
超精细结构特点
在光谱上表现为谱线的更细微分裂和位移，需要更高精度的观测手段进行探测。
总结
氢原子光谱是量子力学和原子物理领域的重要研究对象，其性质和特点包括多个线系、精 细结构和超精细结构等。通过对氢原子光谱的深入研究，可以揭示原子内部结构和能级分 布的奥秘，为现代物理学的发展提供重要支撑。
02
氢原子光谱实验方法
氢原子光谱实验装置
光源
提供足够能量的光源，如钨丝 灯或激光器，以激发氢原子。
分光仪
将光源发出的光分成不同波长 的光谱。
探测器
用于检测分光后各波长光的强 度，如光电倍增管或CCD。
数据采集与处理系统
记录并处理实验数据，如计算 机和专用软件。
氢原子光谱实验步骤
1. 准备实验装置
量子力学对氢原子光谱解释
波函数与概率密度
量子力学用波函数描述电子状态，波函数的模平方表示电子在空间 中出现的概率密度。
能级与跃迁
量子力学中的能级概念与玻尔理论相似，但更为精确。电子在不同 能级间跃迁时，同样会发射或吸收光子。
选择定则
量子力学中的选择定则规定了哪些能级间的跃迁是允许的，从而解释 了氢原子光谱的特定结构。
氢原子光谱研究前景展望
• 高精度测量技术的发展：随着实验技术的不断进步，未来有望实现更高精度的氢原子光谱测量，从而更深入地 揭示原子结构和相互作用的奥秘。
• 新理论模型的探索：尽管现有的理论模型能够很好地解释氢原子光谱，但仍存在一些尚未解决的问题，如高阶 效应的处理、相对论和量子电动力学的结合等。未来有望通过发展新的理论模型，更准确地描述氢原子光谱。
第2章氢原子的光谱与能级解读
第2章氢原子的光谱与能级——玻尔模型氢原子的光谱线系玻尔的量子假设原子的分立能级空间量子化2.1 氢原子的光谱2.1.1 光谱牛顿第一个从实验上发现了太阳的白光中含有各种不同的成分，1666年，他让通过小孔的一束太阳光射到一个三棱镜上，结果从三棱镜的另一个侧面射出的光就成了彩色的光带—不同颜色的光在空间分散开来（图2.1.1），这就是太阳的光谱（spectrum ）。
图2.1.1太阳光经过三棱镜后的色散光源所发出的光，往往含有各种的波长成分，如果用光谱仪器测量并记录光源中各个波长成分的强度，就可以得到光源的光谱。
光谱仪器都是色散仪器，其中的色散元件可以是棱镜（图2.1.2），也可以是光栅（图2.1.3），光经过棱镜或者光栅后，不同的波长成分以不同的角度出射，这就是色散。
如果用照像装置记录，则可得到一张光谱照片，不同波长的光被记录在照片上不同的位置；如果用能够探测光强的记录装置，则可得到光强按频率或波长的分布图，这就是常见的光谱图。
光谱可以用函数表示为光强随波长或频率的分布，即I =I (λ ，或者I =I (ν 、I =I (k 。
图2.1.2 棱镜光谱仪图2.1.3 光栅光谱仪自牛顿之后，很多人对物质的发光情况进行了研究。
1814年，德国物理学家夫琅禾费（Joseph von Fraunhofer，1787~1826，）利用自己制作的精密光学仪器，对太阳的光谱做了认真的研究，发现太阳光谱中有许多条暗线，并测出它们的波长。
在12年之前，英国化学家沃拉斯顿（William Hyde Wollaston1766~1828）已经观察到了这种暗线，但当时仅发现了7条。
夫琅禾费将观测到的576条暗线编制成表，并用字母A 、B 、C 、D 、……I 等将其命名，后来这些暗线被称作为夫琅禾费线，到现在已被发现了1万多条（图2.1.4）。
1859年，基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824 ~1887，德国物理学家）对光谱进行了深入的研究，他发现了物体吸收和发射本领之间的联系，他和本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811~1899，德国化学家）研究了各种火焰和火花的光谱，注意到每种元素都有其独特的光谱，他们发明了光谱分析法，并用这种方法发现了新元素铯和铷。
原子物理学第二章 氢原子的光谱与能级
与RH(理论值)=109737.31cm-1相比,理论值偏
大?
(后来发现与原子核质量有关.)
♣先前假定M>>m,(M~∞)→所以认为原子核不动,电 子绕核旋转;实际M并非无限大,故核与电子是作双 体运动.而解双体运动的方法是将其分解为质心运动 与相对运动两部分:
★两体问题:
M&r&2 F12 F21 (1’)
4 0r 3
♣由上式可知,随着电子轨道r逐渐减小 时,电子运动园频率ω将逐渐增大,导致 光发射频率连续增大,故氢原子光谱应 为连续谱.
三、波尔氢原子模型:
1、波尔假设:
(a) 定态假设:电子处于某些能量状态 时是稳定的,不发生辐射,这些状态称原子的 定态.
(b) 跃迁假设:原子从一种定态跃迁到 另一种定态时,将发射电磁波,其频率为:
109737.31cm1
♣同时可知光谱项为:
T (m)
RH
1 m2
Em hc
,
T (n)
RH
(1 n2
)
En hc
♣由上式又可得:
Em hcRH m2 , En hcRH n2
♣结果: RH的理论值: RH的实验值:
RH=109737.31Cm-1 RH=109677.58cm-1
hvm,n En Em
·由上式可知:
v%
1
m ,n
vm ,n c
1 hc
(En
Em )
♣将能量公式(★★)代入上式,即得:
2 2me4 1 1
v% (40 )2 h3c n2 m2
♣与经验公式(a)相比较,可知:
第二章 第3节 光谱 氢原子光谱
第3节光谱__氢原子光谱一、光谱的几种类型及光谱分析的应用1．光谱复色光通过棱镜分光后，分解为一系列单色光，这些单色光按波长长短的顺序排列成的光带。
2．发射光谱(1)发射光谱：由发光物质直接产生的光谱。
①连续谱：由波长连续分布的光组成。
②明线光谱：光谱是一条条的亮线。
(2)产生：炽热的固体、液体及高压气体发光产生的光谱一般是连续谱，而稀薄气体发光产生的光谱多为明线光谱。
3．吸收光谱复色光通过某种炽热蒸气后，某些特定频率的光被吸收而出现暗线，这样的光谱称为吸收光谱。
4．光谱分析的应用(1)光谱分析：根据原子光谱来鉴别物质的化学组成中是否存在这种原子，含量的多少等，这种方法叫做光谱分析。
(2)应用：分析物质的组成，灵敏度高。
[特别提醒]同一原子的明线光谱中的明线与吸收光谱中的暗线相对应，这样的特征仅由原子决定。
二、氢原子光谱1．氢原子光谱巴尔末公式λ＝B n2n2－4(n＝3,4,5,6) 2．广义巴尔末公式1λ＝R H(1m2－1n2)(m＝1,2,3…，n＝m＋1，m＋2，m＋3，…)其中R H称里德伯常量。
1．判断：(1)各种原子的发射光谱都是连续谱。
()(2)不同原子的发光频率是不一样的。
()(3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质。
()(4)巴尔末公式反映了氢原子发光的连续性。
()(5)巴尔末依据氢原子光谱的分析总结出巴尔末公式。
()答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√2．思考：能否根据巴尔末公式计算出对应的氢光谱的最长波长？提示：能。
氢光谱的最长波长对应着n＝3，代入巴尔末公式便可计算出最长波长。
1.(1)连续谱：①产生：炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续谱。
②特点：其光谱是连在一起的光带。
(2)线状谱：①产生：由单原子气体或金属蒸气所发出的光为线状光谱，因此也叫原子光谱。
稀薄气体发射光谱也是线状谱。
高中物理课件第2章3.光谱 氢原子光谱
1．氢原子的光谱 从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图 2-3-2 所示．
图 2-3-2
2．氢原子光谱的特点 在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小， 表现出明显的规律性．
3．巴尔末公式 (1)巴尔末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式：λ＝Bn2n－2 4(或1λ ＝RH212－n12)，n＝3,4,5，…该公式称为巴尔末公式． (2)公式中只能取 n≥3 的整数，不能连续取值，波长是分立的值．
知识脉络
经典力学的成就与局限性
[先填空] 1．经典力学的成就 英国物理学家_牛__顿__在《自然哲学的数学原理》中建立了一个完整的力学理 论体系．他的理论只用几个基本的概念和原理，不但可以解决人们日常看到的 种种物体的运动问题，也可以说明天__体__运__动__规律． 经典力学的思__想__方__法__的影响远远超出了物理学与天文学的研究领域，对其 他自然科学、社会科学领域都产生了巨大影响．
图 2-3-1 【提示】 因为每种原子都有自己特定的原子光谱，不同的原子其原子光 谱不同，其亮线位置不同，条数不同，称为特征谱线．
1．光谱的分类
2．光谱分析的应用 (1)应用光谱分析发现新元素； (2)鉴别物体的物质成分；研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、 锌、镍等金属元素； (3)应用光谱分析鉴定食品优劣； (4)探索宇宙的起源等．谱 氢原子光谱
业 分
层
测
评
知 识 点 二
学习目标 1.了解光谱、连续谱、线状谱等概 念．(重点) 2.知道光谱分析及其应用．(重点) 3.知道氢原子光谱的规律．(重点、难 点)
知识脉络
光谱和光谱分析
[先填空] 1．光谱 复色光分解为一系列单色光，按波长长短 的顺序排列成一条光带，称为光 谱．
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…….
结论： （1）氢光谱中任何一条谱线的波数，都可以写成两 个整数决定的函数之差。 （2）取m一定的值，n>m，可得到同一线系中各光 谱的波数值。 （3）改变公式中的m值，就可得到不同的线系。
4、光谱项，并合原则
RH 令： T (m) 2 m
并合原则：
记住！
RH T ( n) 2 n
光谱项
记住！
n2 B 2 n 3, 4, 5, n 4 n , B 线系限
B 3645.6 Å
Balmer经验公式
1890年
里德堡（Rydberg）用波数改写:
41 1 v 2 2 RH B 2 n 1
RH 1.0967758 107 m1
1 1 v RH 2 2 n 2,3, 4 1 n
1 1 v RH 2 2 n 4,5,6 3 n
n 5,6,7
1908年 帕邢发现 帕邢系： 红 外 区
1922年布喇开发现 v R 1 1 H 2 2 布喇开系: 4 n 1924年普芳德发现 普丰特系数：
电子轨道运动的频率：
f
V e 2 r 2
Z 4 0 me r 3
经典理论的困难
! 原子稳定性困难:
电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径 不断减小，最后落入核内，原子塌缩。 原子寿命
~ 1010 s
! 光谱分立性困难:
电子绕核运动频率
v e 1 2πr 2π 4π 0 me r 3
二．氢原子光谱的线系
1.巴尔末系 (可见光区) 光谱的研究从1853年Angstron 发现 到14条谱线， 开始。 1885年，已观察
(Å )
H 6562.8 H 4861.3
H 4340.5
H 4101.7 H 3970.1
Hα
n=3
H Hγ H
n=4 n=5 n=6
上节课内容
• α粒子散射实验验证了原子的核式结构
• 原子 = 原子核 + 电子
卢瑟福——“行星模型”
r
10-15-10-14m
10-10m
行星模型的困难
困难: 1、原子稳定性问题 2、原子的同一性问题 原子的再生性 3、原子的再生性问题 4、原子线状光谱问题
原子的结 构到底如 何？
第二章 原子量子态 玻尔模型
这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性？？
5、经典理论的困难
经典理论（行星模型）对原子体系的描述 库仑力提供电子绕核运动的向心力：
r
me v 2 Ze 2 r 4 0 r 2
2 2 1 Ze 1 Ze 原子体系的能量： E me v 2 2 4π 0 r 4π 0 2r
电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。
描述宏观物体运动规律的经典理论,不能随意地推广到原子 这样的微观客体上。必须另辟蹊径！新理论？有哪些？
十九世纪末的物理学
经典物理学
Maxwell 电磁理论
Newton力学
Gibbs-Boltzman 统计力学
十九世纪末的物理学
物理学的大厦已经完 成，今后物理学家的 任务只是把实验做得 更精确些。
开尔文
自然界的一切现象是否全部 可以凭借经典物理学来理解
三个著名实验导致“量子”概念的引入和应用
黑体辐射谱
以太漂移
经典物理学无法解释的代
表性实验有黑体辐射、光电效
应和氢原子的线状光谱等
第二章：原子的量子态：玻尔模型
2.1 背景知识
(了解！)
黑体辐射
到了十九世纪末期，物理学晴朗的天空出 现了几朵令人不安的“乌云”，在物理学中 出现了一系列令人费解的实验现象。物理学 遇到了严重的困难，其中两朵最黑的云分别 是： 麦克尔逊--莫雷实验 和 黑体辐射实验
光电效应
前者导致了相对论的诞生后，后者导致了量 子论的诞生。
一、量子假说根据之一：黑体辐射
2.1.2 黑体 黑体辐射
1、热辐射
热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。 电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有 关，故称为热辐射。 热平衡现象：辐射和吸收的能 量恰相等时称为热平衡。此时 温度恒定不变。
v T (m) T (n)
每一谱线的波数差都可表达为二光谱项之差
综上所述，氢原子光谱有如下规律： （1）谱线的波数由两个光谱项之差决定：
~ T (m) T (n)
nm
（2）当m保持定值，n取大于m的正整数时，可给 出同一光谱系的各条谱线的波数。 （3）改变m数值，可给出不同的光谱线系。 以后将会看到，这三条规律对所有原子光谱都适 用，所不同的只是各原子的光谱项的具体形式各 有不同而已。
1 1 v RH 2 2 n 5
n 6,7,8
3、里德伯公式
线系的一般表示：
记住！
1 1 v RH 2 2 n m m=1，2，3，4，5……. n=m + 1, m + 2 , m + 3
m=1 莱曼系
m=2 巴尔末系 m=3 帕邢系
§2.1 背景知识 §2.2 玻尔模型 §2.3 玻尔理论的修正和推广 §2.4 夫兰克－赫兹实验
§2.1 背景知识
2.1.1. 光谱 2.1.2 黑体辐射 2.1.3. 光电效应
第二章 原子的能级和辐射
2.1.1 光谱---研究原子结构的重要手段
一．光谱及其分类 光谱（spectrum） 电磁辐射频率成分和强度分布的关系图 光谱仪
巴尔末线系限：
1 1 2 n 3, 4, 5, 2 2 n
氢原子的Rydberg常数
RH v 2 2
记住！
2.H原子光谱的其它线系 可 见 光
1 1 巴尔末系： v RH 2 2 n 3, 4,5,6 3 n
紫 外 区
1914年 赖曼发现 赖曼系：
将混合光按不同波长 成分展开成光谱的仪 器。 光源
分光器（棱镜或光栅）
纪录仪 （感光 底片或 光电纪 录器）
按光谱结构分类
连续光谱 固体热辐射 原子发光
线光谱
带光谱 按光谱机制分类
பைடு நூலகம்
分子发光
发射光谱
样品光源 分光器 纪录仪
I
I
吸收光谱
连续光源 样品
分光器 纪录仪
光谱由物质内部运动决定，包含内部结构信息 最简单的原子光谱 ?