8.4.1 氢原子光谱的实验规律
氢原子光谱的实验规律
原子的光谱线系列，并 得到普遍的实验规律：
普芳德系 布喇开系 m = 5 m= 4
里德伯常量
帕邢系 m= 3
巴耳末系 m=2
赖曼系 m=1
::
1 6
5.0
1 5
4.0 3.0
1
l : 1 2 34
4
n : 3 4 56
2.0 1.0 m m 0.8 0.6 0.4
1 23 2 34
0.2 波长 m m
是
动能 势能
之和
能量量子化
时，
氢原子最低能态
基态
的各个定态，称为 激发态。
欲将电子从基态电离，摆脱氢原子的束缚二变为自由态，外界至少要
供给电子的能量为
称为 电离能
玻尔的氢原子理论导出的 氢氢光原子谱光导谱规出律公公式式
由 及 由n跃迁到m (n m)的频率条件 5
4
3
得
2
波数为
8
(eV)
普芳德系-0.54 -0.85
在原子光谱中，组成每一线系的谱线，一般可表成两项 之差的形式
称为里兹组合原则，
称为光谱项。
可见， 非连续性、稳定性和规律相似性 是原子光谱谱线的普遍特点。
经典理论的困难
1911年卢瑟福根据a粒子散射实验提出了原子有核模型。原子的质量 几乎集中于带正电的原子核，而核的半径只占整个原子半径的万分之一 至十万分之一；带负电的电子散布在核的外围。卢瑟福的原子有核模型 成功地解释了a 粒子散射实验。
电在子定从态某轨一道定上态运向动另的 电一子定，态其跃角迁动时量将只发能射取 h（/ 或(2p吸) 收的）整光数子倍。，即
L 量=若分m初别v态为r 和=E终nn 2和态hp的E=m能n h
氢原子光谱0627
3）每一谱线的波数都可以表达为二光谱项之差：
~T (m ) T (n )（里兹合并原理）
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， 这是里完兹整p在pt 1908年发现的。
11
卢瑟福的原子有核模型的困难
经典电磁理论： ①原子发射的光谱应该是连续光谱。 ②电子会落到原子核上。
e
v F
莱曼系
巴尔末系 布拉开系
氢原子光谱不是不相关的，而是有内在联系的。 表现在其波数可用一普遍公式来表示：
~
R
1 m2
1 n2
（广义巴尔末公式）
式中：m1,2,3n取从(m+1)开始的正整数，即
nm 1 ,m 2 ,m 3 ,
对应一个m就构成一个谱线系。
每一谱线的波数都等于两完整项ppt 的差数。
③ 原子核的体积比原子的体积小得多。
原子半径~10-10m，原子核半径10-14 ~10-15m
原子核式结构模型的建立，只肯定了原子核的存
在，但还不知道原子核外电子的情况。
完整ppt
3
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。
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）的波长成分和强度分布的记录。有时只 是波长成分的记录。
完整ppt
8
紫外 莱曼系：
~
R
1 12
1 n2
n2， 3,4,
可见光
巴尔末系：~
R
1 22
1 n2
红外区：
帕邢系：
~
R
1 32
1 n2
布喇开系：
~
R
1 42
近代物理实验-氢原子光谱
近代物理实验——氢原子光谱一、 实验简介光谱线系的规律与原子结构有内在的联系,因此,原子光谱是研究原子结构的一种重要方法.1885年巴尔末总结了人们对氢光谱的测量结果,发现了氢光谱的规律,提出了著名的巴尔末公式,氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础.1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律,对重氢赖曼线系进行摄谱分析,发现氢的同位素——氘的存在.通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一,成为检验原理论可靠性的标准和测量其它基本物理常数的依据.原子光谱的观测，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。
Johannes Rober Rydberg Johann Jakob Balmer 1825 ～1898 1854～1919瑞士数学兼物理学家 瑞典物理学家、数学家，光谱学的奠基人之一二、 实验目的1.测量氢原子光谱中巴尔末线系的几条谱线的波长，并将在空气中的波长修正为真空中的波长。
2.测量计算各谱线的里德伯常数RH ，并求其平均值或用线性拟和的方法求出RH 。
3.学习多功能组合光谱仪的使用。
三、实验原理在量子化的原子体系中，原子能量状态1E ,2E …为一系列分立的值，原子的每一个能量状态称为原子的一个能级。
原子的最低能级称为原子的基态，高于基态的其余各能级称为原子的激发态。
处于高能级的原子，总是会自发跃迁到低能级，并发射出光子。
设光子能量为ε ，频率为ν，高能级为2E ，低能极为1E ，则2121,.E E h E E hενν-==-=由于原子能级是分立的，所以原子由高能级向低能级跃迁时，会发射一些特定频率的光子，在分光仪上表现为一条条分立的光谱线，称为“线状光谱”或“原子光谱”。
波长λ的倒数是波数，它的值由巴耳末公式决定。
对于H 原子有2212111,H HR n n λ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭（2-1-1）式中H R 为H 原子的里德伯常量，H R =1.096776⨯107m-1。
氢原子光谱的的实验规律【PPT】19页PPT
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氢原子光谱的的实验规律【PPT】
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5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
氢原子光谱实验
将实验结果与理论预测进行 比较，验证量子力学的相关 理论。
根据特征峰的波长和强度， 分析氢原子能级结构及其跃 迁规律。
根据实验结果，进一步探讨 氢原子光谱与其他原子光谱 的共性和差异。
04
结果分析
观察到的光谱类型
发射光谱
氢原子在受激跃迁时释放出的光 子，形成明亮的谱线。
吸收光谱
氢原子吸收特定频率的光子，导 致暗线出现在连续光谱背景上。
特征谱线
氢原子光谱中具有特定波长的谱 线，是氢原子能级跃迁的标志。
能级跃迁的判定
跃迁类型
确定是从高能级向低能级跃迁还是低能级向高能 级跃迁。
跃迁能量
通过测量谱线的波长或频率来确定能级跃迁所需 的能量差。
跃迁选择定则
根据量子力学原理，确定哪些能级间的跃迁是被 允许的。
与理论预期的比较
理论模型
比较实验结果与氢原子波尔模型 的预测，验证理论模型的准确性。
波长与能量
谱线的波长与能量之间存 在反比关系，即波长越短， 能量越高。
03
实验步骤
准备实验器材
氢气
选择纯度较高的氢气， 以减少其他气体对实验
结果的影响。
真空玻璃管
光源
光谱仪
用于装载氢气，保证实 验环境的真空度。
选择稳定、连续高分辨率和
低噪声性能。
参考文献
参考文献
[1] Atkins, P. W., & De Paula, J. (2005). Physical Chemistry for the Biosciences. Academic Press.
[2] Bersohn, R. L., & Guiochon, G. (1975). Experimental methods in physical chemistry. Academic Press.
氢原子光谱实验结果
氢原子光谱实验结果氢原子光谱实验是研究氢原子光谱线的分布和强度的重要实验之一。
通过该实验，我们可以获得氢原子能级跃迁的详细信息，从而深入了解氢原子的结构和性质。
以下是氢原子光谱实验结果的2000字报告。
一、实验原理氢原子光谱是由氢原子能级跃迁产生的光子分布组成的。
根据波恩定理，氢原子光谱线的波长与能级之间存在一定的关系。
通过测量不同波长的光谱线，我们可以确定氢原子的能级结构，进一步了解氢原子的性质。
二、实验步骤1.准备实验设备：氢原子光谱实验需要使用高精度的光谱仪、激光器、单色仪等设备。
在实验前，需要对这些设备进行仔细的检查和校准，确保实验结果的准确性。
2.制备氢原子：在实验中，需要使用纯度较高的氢气，并通过激光激发制备氢原子。
制备的氢原子需要满足实验所需的光谱条件。
3.测量光谱线：将制备好的氢原子通过单色仪照射到光谱仪上，测量不同波长的光谱线。
在测量时，需要注意控制实验条件，如温度、压力等，以减小误差。
4.数据处理与分析：对测量得到的光谱数据进行处理和分析，提取出不同能级跃迁的光谱线位置和强度信息。
三、实验结果表1展示了实验中测量的部分氢原子光谱线的波长和强度信息。
从表中可以看出，不同能级跃迁产生的光谱线波长和强度都有所不同。
这些数据为我们提供了氢原子能级跃迁的详细信息，有助于我们了解氢原子的结构和性质。
表1：实验中测量的部分氢原子光谱线波长和强度信息图1展示了实验中测量的部分氢原子光谱线的波长与能级之间的关系。
从图中可以看出，不同能级跃迁产生的光谱线波长与能级之间存在明显的规律性。
这进一步验证了波恩定理的正确性，说明我们可以通过测量光谱线的波长来确定氢原子的能级结构。
图1：部分氢原子光谱线的波长与能级之间的关系四、结果分析通过对比实验数据与理论预测，我们发现实验结果与理论预测基本一致。
这表明我们的实验设备和方法是可靠的，能够准确测量氢原子光谱线的波长和强度信息。
同时，实验结果也验证了波恩定理的正确性，进一步证实了氢原子的能级结构。
氢原子光谱实验规律 波尔理论
二、卢瑟福的原子有核模型
1. 卢瑟福的原子有核模型
1911 年卢瑟福根据 α 粒子散射实验结果建立 了原子的有核模型。
① 所有正电荷和几乎所有的原子 质量都集中在原子中心的一个 非 常 小 （ R≤10-15m ） 的 体 积 内， 这就是“原子核”；
② 原子中的电子围绕原子核转动；
③ 带正电的核和带负电的电子间 的静电引力把整个原子结合在 一起。
解： 赖曼系
1
R(112
1 n2
)
1/[R(1n12)] 其 中 R 1 .0 9 7 1 0 2 n m 1
n = 2 时对应最长波长 max 121.5nm
n = ∞时对应最短波长 min 91.2nm
帕邢系
1/[1.097
104
(
1 32
1 n2
)](nm)
53 1282nm
例题2 ：
% R(612n 12) n7,8,9,L
3) 氢原子光谱规律
氢原子光谱有着内在的联系，表现在其波数可用 一普遍公式来表示：
v% 1
R
1 k2
1 n2
（广义巴尔末公式）
式中： k1,2,3L, n k 1 ,k 2 ,k 3 ,L
对应一个 k 就构成一个谱线系。
里兹组合原理：任一条谱线的波数都可以写成两 项之差的形式，即
• 每一谱线的波数都可以表示为二个光谱项之差
% T (k)T (n )
%
1
R
1 k2
1 n2
---广义巴尔末公式
表面上如此繁杂的光谱线竟然由一个式 子简单地表示，这不能不说是一项出色的成 果，但公式是凭经验凑出来的，它为什么与 实验符合得如此好，在公式问世将近三十年 内，一直是个谜。
氢原子光谱实验
氢原子光谱实验⏹大学物理实验⏹作者高峰⏹理学院实验中心引言⏹氢原子光谱的谱线排列简单而且存在着规律性，它的线状谱线直接传达出了原子内部的信息，反映了原子能级结构。
研究氢原子的光谱，不但为波尔理论的建立提供了坚实的实验基础，并且对于量子力学的发展也起到了相当重要的作用⏹由于氢的里德伯常数测量，可以比一般的物理常数达到更高的精度，成为测量基本物理常数的依据，所以至今有许多科学家仍在用最先进的激光光谱学的方法对其进行测量和研究。
不断的减小了测量结果的不确定度，增加了结果的有效位数。
⏹传统的光谱分析，需要摄谱、暗室冲洗、测谱等阶段，实验周期较长。
组合式多功能光谱仪汲取了计算机和CCD 技术，一改传统摄谱仪用感光胶片的记录方法，使得光谱既可以在计算机屏幕上显示，又可以打印成谱图进行保存，大大缩短了实验的周期，增大了实验的精确程度。
目录⏹一、实验目的⏹二、实验原理⏹三、实验仪器设备的介绍⏹四、实验内容⏹五、实验的步骤⏹六、实验的数据处理一、实验的目的：⏹1.测量氢原子光谱中巴尔末线系的几条谱线的波长，并将在空气中的波长修正为真空中的波长。
⏹2.测量计算各谱线的里德伯常数R H ，并求其平均值或用线性拟和的方法求出R H 。
⏹3.学习多功能组合光谱仪的使用。
二、实验原理⏹1.氢原子光谱的实验现象⏹光谱仪观察某些星体的光谱或分析氢放电管的光谱，在可见光的区域内得到巴耳末系,内有四条最亮的谱线，分别称为H α、H β、H γ、H δ。
谱线H αH βH γH δ波长（n m ）656.279486.133434.046410.173颜色红深绿青紫δλ（n m ）0.1810.1360.1210.116αH βH γH δH ∞H2.巴耳末用经验公式1885年瑞士的巴耳末用经验公式表示出氢原子的前四条可见光谱：Λ,5,4,3,nm 256.364222=-=n n nλ422-=n nB λΛ,5,4,3=n B=364.56 为一经验常数.3.里德伯公式:里德伯将此式改写成用波数表示的形式.⎪⎭⎫ ⎝⎛-==22~1211n R H λν4.里兹并合原理：里德伯.里兹发现碱金属光谱有类似的规律.)()(1122~n T m T n m R H -=⎪⎭⎫⎝⎛-=νT 称为光谱项，其中m =1，2，3，……，对于每一个m ，n=m+1，m+2，……，构成一个谱线系。
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ν~
=
RH
(1 52
1 n2
),
n = 6,7,
普丰德系(红外光) H.A. Pfund 1924
氢原子光谱的实验规律
二、氢原子光谱的实验规律
3、里德伯公式(1890) 氢原子光谱的普遍公式
ν~
=
R
H
(
1 k2
1 n2
)
k = 1, 2, 3, n = k 1, k 2,
Janne Rydberg 1854—1919
氢原子光谱的实验规律
研究原子结构规律有两条途径：
1、利用高能粒子轰击原子—轰出未知粒子来研究；
2、通过在外界激发下，原子的发射光谱来研究。
原子光谱是研究和了解原子内部结构的重要方法
一、卢瑟福的原子模型
E.Rufherford （1911） 粒子散射实验
原子由原子核和核外电子构 成，原子核带正电荷，它几乎集 中了原子的全部质量，占据整个 原子的极小一部分空间，而电子 带负电，绕着原子核转动，如同 行星绕太阳转动一样。
氢原子光谱的实验规律
经典物理在解释黑体辐射上的困难— 普朗克能量子论 1900年
经典物理在解释光电效应上的困难— 爱因斯坦光量子论 1905年
经典物理在解释氢光谱上的困难— 玻尔氢原子理论 1913年
玻尔氢原子理论
•半经典、半量子过渡性理论，已被量子力学所取代 •在物理学史上曾起重要作用,建立了许多重要概念
Janne Rydberg 1854—1919
ν~
=
R
H
(
1 k2
1 n2
)
k = 1, 2, 3, n = k 1, k 2,
RH = 10973731 107 m 1
氢原子光谱的实验规律
二、氢原子光谱的实验规律
3、里德伯公式(1890)
ν~
=
RH
(112
1 n2
),
n = 2,3,
氢原子光谱的实验规律
玻尔
Niels Henrik Darid Bohr
（ 1885-1962）
丹麦理论物理学家，现代物理学的 创始人之一。
1913年发表了《论原子构造与分子 构造》等三篇论文，玻尔将普朗克、爱 因斯坦的量子理论推广到卢瑟福的原子 有核模型中，并结合原子光谱的实验规 律，提出他的氢原子理论，从而完满地 解释了氢原子光谱的规律，推动了量子 物理学的形成，具有划时代的意义，为 此他获得1922年诺贝尔物理学奖。玻尔 还提出“对应原理”、“互补原理”， 是量子力学哥本哈根学派的领头人.
莱曼系(紫外光) T. Lyman 1914
ν~
=
RH
(1 22
1 n2
),
n = 3,4,
ν~
=
RH
1 ( 32
1 n2
),
n = 4,5,
巴尔末系(可见光)
帕邢系(红外光) F. Paschen 1908
ν~
=
RH
1 ( 42
1 n2
),
n = 5,6,
布拉开系(红外光) F. Brackett 1922
原子不断地向外辐射能量， 能量逐渐减小，电子绕核旋转的 频率也逐渐改变，发射光谱应是 连续谱；
v
F
r + e
e
由于原子总能量减小，电子
将逐渐的接近原子核而后相遇，
+
原子不稳定 .
ν
=
c
=
4c B
(
1 22
1 n2
)
令： ν~ = 1 称为波数
即单位长度内完整波的个数
ν~
=
1
=
4 B
(
1 22
1 n2
)
=
RH
(
1 22
1 n2
)
里德伯常数
R H = 1 0973731 10 7 m 1
氢原子光谱的实验规律
二、氢原子光谱的实验规律
3、里德伯公式(1890) 氢原子光谱的普遍公式
RH = 10973731 107 m 1
4、里兹并合原理
Walter Ritz 1878-1909
其他原子，每一条谱线的波数都可以表示 为两项之差:
~ = 1 = T (k) T (n), n k
T (k) 或 T (n) 就被称为光谱项
氢原子光谱的实验规律
三、经典理论的困难
根据经典电磁理论，电子绕 核作匀速圆周运动，作加速运动 的电子将不断向外辐射电磁波.
-
+
氢原子光谱的实验规律
二、氢原子光谱的实验规律
0
H = 6562.8 A,
00Βιβλιοθήκη Hb =4861.3 A, Hg = 4340.5 A,
1、氢原子光谱是彼此分裂的线状光谱，
每一条谱线具有确定的波长（或频率）
2、巴尔末公式
1885年，瑞士中学教师 巴尔末J.J.Balmer (1825-1898)
发现了氢原子光谱在 可见光部分的规律.
=
B
n2 n2
4
,
B = 365.47nm
当n=3, 4, 5, …..时，分别为 H , Hb , Hg , …..等谱线的波长
氢原子光谱的实验规律
二、氢原子光谱的实验规律
2、巴尔末公式
=
B
n2 n2
4
,
B = 365.47nm
当n=3, 4, 5, …..时，分别为H , Hb , Hg , …..等谱线的波长