氢原子光谱玻尔氢原子理论
3433第三十四讲氢原子光谱的实验规律玻尔理论
1913年， 28岁的研究生 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 线光谱的实验规律，提出了 关于氢原子模型的三个假设， 奠定了原子结构的量子理论 基础。为此他获得1922年诺 贝尔物理学奖。
一、氢原子光谱的实验规律 不同原子的辐射光谱特征是完全不同的，研究
原子光谱的规律是为研究原子结构，氢原子是结构 最简单的原子，对氢原子光谱规律研究发现，在可 见光和紫外区氢原子的谱线如图。
连 续
H
紫 H 青 H 深绿 H
红H
氢原子巴耳末系谱线图
一、氢原子光谱的实验规律 1.氢原子光谱 1）是彼此分离的线光谱， 每条谱线有确定波长。
连 续
H
紫 H 青 H 深绿 H
对应一个 m 就构成一个谱线系。
令：
T(m)
R m2
,
T (n)
R n2
称为光谱项。
里兹组合原则： T(m) T(n)
普芳德系 布喇格系 帕邢系
巴耳末系
赖曼系
波长 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0
红
外
线
0.8 0.6 0.4 0.2
mm
可见光 紫外线
1
R
1 m2
rn
+e
部分质量都集中于原子核。
M核 me
由牛顿二定律： 由库伦定律：
Fn
Fn
man
m
e2
vn2 rn
4 0rn2
由假设2）： L mn rn
nh 2π
e2
4 0rn2
m
氢原子的光谱线解析与理论解释
氢原子的光谱线解析与理论解释光谱线是物质在光的作用下发出或吸收的特定频率的电磁波。
而氢原子的光谱线解析与理论解释，一直以来都是物理学家们研究的热点之一。
本文将从氢原子的光谱线的观测、解析以及理论解释等方面进行探讨。
首先，我们来看氢原子的光谱线的观测。
早在19世纪初，德国物理学家巴尔末发现了氢原子的光谱线，这一发现为后来的研究奠定了基础。
通过将氢气放电于真空管中，巴尔末观察到了一系列明亮的彩色线条。
这些线条经过仔细测量和分类，被分为了几个系列，分别称为巴尔末系列、帕邢系列和卢瑟福系列。
这些系列中的每一个线条都对应着氢原子在特定能级之间跃迁所产生的光。
接下来，我们来解析氢原子的光谱线。
根据量子力学的理论，氢原子的能级是量子化的，即只能取特定的数值。
这就意味着氢原子在不同能级之间的跃迁所产生的光具有特定的频率和波长。
而这些频率和波长正是观察到的光谱线。
例如，巴尔末系列中的线条对应着氢原子的基态到第一激发态之间的跃迁，帕邢系列对应着第一激发态到第二激发态之间的跃迁，而卢瑟福系列则对应着更高能级的跃迁。
那么，为什么氢原子的能级是量子化的呢？这就涉及到氢原子的理论解释。
根据量子力学的理论，氢原子的能级由薛定谔方程给出。
薛定谔方程是描述微观粒子的波函数演化的方程，通过求解薛定谔方程，可以得到氢原子的能级和波函数。
而氢原子的能级量子化的原因是由于氢原子中的电子和质子之间的库仑相互作用。
这种相互作用会导致电子在氢原子中的运动受到限制，从而使得电子只能在特定的能级上存在。
此外，氢原子的光谱线还可以通过波尔模型进行解释。
波尔模型是根据经典力学和电磁学的理论，对氢原子的能级和光谱线进行解释的简化模型。
根据波尔模型，氢原子的电子绕着质子作圆周运动，而电子的能级由其运动半径决定。
当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射特定频率的光子，从而产生光谱线。
波尔模型的成功在一定程度上解释了氢原子的光谱线，但它是建立在经典力学和电磁学的基础上，无法解释一些量子效应。
玻尔理论的基本假设现象氢原子光谱是分立线状
原子的能级结构
回顾
19世纪末20世纪初，人类叩开了微观世界
的大门，物理学家根据研究提出了关于原子
结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型能
够很好
盾．
经典电磁理论
经典电磁理论认为：电子绕核作匀速圆周运动, 绕核运动的电子将不断向外辐射电磁波。由于原子 不断地向外辐射能量，能量 v 逐渐减小，电子绕核旋转的频 e F
Em>En 发射光子， Em<En 吸收光子
能级结构猜想
能级：原子内部不连续的能量称为原子的能级。
数值上等于原子在定态时的能量值。 跃迁：原子从一个能级变化到另一个能级的过程。 在跃迁的过程中，原子辐射(或吸收)光子的能 量为:
hv= Em- En
Em和En分别为跃迁前后的能级
(1)处于高能级的原子会自发
由 T ( m ) T ( n ) 知道，氢原子辐射光谱的波长取决 于两光谱项之差；而hv=Em-En式则揭示出氢原子 辐射光的频率取决于两能级之差。 能级与光谱项之间的关系 最先得出氢原子能级表达式的，是丹麦物理学 家玻尔，他在吸取前人思想的基础上，通过大胆假 设，推导出氢原子的能级满足：
在解决核外电子的运动时 成功引入了量子化的观念
同时又应用了“轨 道”等经典概念和 有关牛顿力学规律
除了氢原子光谱外，在解决 其他问题上遇到了很大的困难．
半经典半量子理论，存在逻辑上的缺点，即把微观粒子看成是遵 守经典力学的质点，同时，又赋予它们量子化的特征。
玻尔理论解决了原子的稳定性和 辐射的频率条件问题，把原子结构的 理论向前推进了一步 ．
率也逐渐改变，原子的发射光 谱应是连续谱。由于原子总能 量减小，电子将最终逐渐接近 原子核，而使原子变得不稳定。
高中物理氢原子光谱知识点
高中物理氢原子光谱知识点一、氢原子光谱的发现历程。
1. 巴尔末公式。
- 1885年，巴尔末发现氢原子光谱在可见光区的四条谱线的波长可以用一个简单的公式表示。
巴尔末公式为(1)/(λ)=R((1)/(2^2) - (1)/(n^2))，其中λ是谱线的波长，R称为里德伯常量，R = 1.097×10^7m^-1，n = 3,4,5,·s。
- 巴尔末公式的意义在于它反映了氢原子光谱的规律性，表明氢原子光谱的波长不是连续的，而是分立的，这是量子化思想的体现。
2. 里德伯公式。
- 里德伯将巴尔末公式推广到更一般的形式(1)/(λ)=R((1)/(m^2)-(1)/(n^2))，其中m = 1,2,·s，n=m + 1,m + 2,·s。
当m = 1时，对应赖曼系（紫外区）；当m = 2时，就是巴尔末系（可见光区）；当m = 3时，为帕邢系（红外区）等。
二、氢原子光谱的实验规律与玻尔理论的联系。
1. 玻尔理论对氢原子光谱的解释。
- 玻尔提出了三条假设：定态假设、跃迁假设和轨道量子化假设。
- 根据玻尔理论，氢原子中的电子在不同的定态轨道上运动，当电子从高能级E_n向低能级E_m跃迁时，会发射出频率为ν的光子，满足hν=E_n-E_m。
- 结合氢原子的能级公式E_n=-(13.6)/(n^2)eV（n = 1,2,3,·s），可以推出氢原子光谱的波长公式，从而很好地解释了氢原子光谱的实验规律。
例如，对于巴尔末系，当电子从n（n>2）能级跃迁到n = 2能级时，发射出的光子频率ν满足hν = E_n-E_2，进而可以得到波长与n的关系，与巴尔末公式一致。
2. 氢原子光谱的不连续性与能级量子化。
- 氢原子光谱是分立的线状光谱，这一现象表明氢原子的能量是量子化的。
在经典理论中，电子绕核做圆周运动，由于辐射能量会逐渐靠近原子核，最终坠毁在原子核上，且辐射的能量是连续的，这与实验观察到的氢原子光谱不相符。
氢原子光谱玻尔氢原子理论
根据电子绕核作圆周运动的模型及角动量 量子化条件可以计算出氢原子处于各定态时的 电子轨道半径。
玻尔的氢原子理论
rn n2 (m0he22 ),n 1,2,3,
r1 0.5291010m 玻尔 半径
电子处在半径为 rn的轨道上运动时，可以计
算出氢原子系统的能量 En为
En
1 n2
பைடு நூலகம்
(8m0e2h4 2 ), n
● 量子化条件的引进没有适当的理论解释。 ● 对谱线的强度、宽度、偏振等无法处理。
氢原子光谱
例题18-6 在气体放电管中,用能量为12.5eV的电子通 过碰撞使氢原子激发,问受激发的原子向低能级 跃迁时,能发射那些波长的光谱线?
解： 设氢原子全部吸收电子的能量后最高能激发到第n
个能级，此能级的能量为
态跃迁到另一能量为 Ek的定态时，就要发射
或吸收一个频率为 kn 的光子。
kn
En
Ek h
玻尔频率公式
玻尔的氢原子理论
（3）量子化条件 在电子绕核作圆周运动中，
其稳定状态必须满足电子的角动量 L等于 h
的整数倍的条件。
2
L n h , n 1,2,3,
2
n为量子数
角动量量子化条件
3. 氢原子轨道半径和能量的计算
§18-4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论
1. 氢原子光谱的规律性
原子发光是重要的原子现象之一， 光谱学 的数据对物质结构的研究具有重要意义。
氢原子谱线的波长可以用下列经验公式表示：
~
R(
1 k2
1 n2
)
~ 1
k 1,2,3, n k 1, k 2, k 3,
波数
R 1.096776 107 m-1 里德伯常量
我们主要研究了氢原子的光谱规律及玻尔的氢原子理论
里n* 称为有效量子数。
从所得的光谱可以计算出各条谱线对应的有效量子数，如表4.1所
示表中的有效量子数 n* 有些接近整数（第一辅线系和柏格曼系）
有些离整数远一些（第二辅线最远，主线系），且都一般都比n略 小，可写成
n* n
Δ 称为量子数亏损，我们注意到，同一线系的Δ 差不多相等。
这是因为同一线系的末态是相同的，而初态的电子轨道角动量量 子数相同。
二、碱金属原子的光 谱在前面讨论氢原子光谱时，我们已知道，氢原子的光谱可表示为
~
RH
1 m2
1 n2
~
RH n2
式中第一项为原子跃迁的终态，决定光谱所在的线系，第二项
为原子跃迁的初态。
在同一线系中（m相同）随着n的增大，谱线的波长越来越短，且 间隔越来越小，最后趋于线系限。
用能级图表示为如图所示（锂原 子）：
从图中可以看出，碱金属原子能级与氢原子能级不同。
氢原子的能级只与主量子数n有关，而碱金属原子的能级除了与
主量子数有关外，还与电子的轨道角量子数l有关。 图中把能级按l值分类，l相同的能级画在同一列上。 n相同而l不同的能级有较大差别，l愈小能级越低。 n越小，则不同l的能级差别越大。
玻尔理论无法解释谱线的这种精细结构。
模型的局限性还表现在它缺乏计算原子其它性质的理论方 法例。如不能计算出不同谱线的相对强 度换。言之，处在n=3态上的电子有多少次直接跳到1态上，有多少 次先跳到2再到1上发出两种光。对此玻尔理论无能为力。
其问题出在理论结构本身，它是经典理论与量子条件的结合（所 以又称为旧量子论），其量子条件没有理论根据，缺乏逻辑的统 一性。
第一辅线（漫线系） ~ 2 p nd n 3,4 ~ 3 p nd n 3,4
氢原子的能级与光谱.
氢原子的能级与光谱·爱因斯坦1905年提出光量子的概念后，不受名人重视，甚至到1913年德国最著名的四位物理学家(包括普朗克)还把爱因斯坦的光量子概念说成是“迷失了方向”。
可是，当时年仅28岁的玻尔，却创造性地把量子概念用到了当时人们持怀疑的卢瑟福原子结构模型，解释了近30年的光谱之谜。
§1 氢原子的能级与光谱一、玻尔的氢原子理论(一)玻尔的基本假设1.定态假设：原子只可能处于一系列不连续的能量状态E1, E2, E3,…。
处于这些状态的原子是稳定的，电子虽作加速运动，但不辐射电磁波。
2.频率条件：原子从某一定态跃迁至另一定态时，则发射(或吸收)光子，其频率满足玻尔在此把普朗克常数引入了原子领域。
(二)玻尔的氢原子理论 1.电子在原子核电场中的运动(1)基本情况：核不动；圆轨道；非相对论。
(2) 用经典力学规律计算电子绕核的运动·电子受力：·能量：得f f = - 14πε0 ( )Ze 2r 21 ε0 ( ) Ze2 r = m ( )υ2r1 2E = m υ2 - 1 4πε0 ( ) Ze2 r E = -Ze 28πε0r2.轨道角动量量子化条件玻尔假定：在所有圆轨道中，只有电子的角动量满足下式的轨道才是可能的。
玻尔引进了角动量的量子化。
3.轨道和速度 ·r n = n 2r 1 ,(玻尔半径) r 1= 0.529 Å· υn= υ1/n ，4πε0h 2 r 1 = ( me 2 )( ) 1 Z 4πε0hυ1 = Ze 2)可见, 随n↑⇒r n↑，υn↓4.能级---能量量子化将r n代入前面E式中，有n = 1,2,3,…)R：里德伯常数(见后)基态能量：E1= -13.6 eV可见，随n↑⇒E n↑，∆E n↓*玻尔的理论是半经典的量子论：对于电子绕核的运动，用经典理论处理；对于电子轨道半径，则用量子条件处理。
氢原子光谱的特征
)
1 r 2s in
2θ
2 2φ
]
8π2m
Ze2
h2
(E
)Ψ 0 r
(2)
（2）式即为薛定谔方程在球坐标下的形式。经过坐标变换，
三个变量不再同时出现在势能项中。
如果我们把坐标变换作为解薛定谔方程的第一步，那么变量 分离则是第二步。
解薛定谔方程（2）得到的波函数应是 （ r，， ）。
1-3 波函数和原子轨道
波函数 的几何图象可以用来表示微观粒子活动的区域。
1926 年，奥地利物理学家薛定谔（Schodinger ) 提出 一个方程，被命名为薛定谔方程。波函数 就是通过解 薛定谔方程得到的。
薛定谔方程
2 x 2
2 y2
2 z 2
82m h2
(E
我们采取坐标变换的方法来解决（或者说简化）这一问题。 将三维直角坐标系变换成球坐标系。
将直角坐标三变量 x，y，z 变换成球坐标三变量 r，， 。
P 为空间一点
r OP 的长度
（0 — ）
z
OP 与 z 轴的夹角 （ 0 — ）
OP 在 xoy 平面内的投影 OP′
P
与 x 轴的夹角 （ 0 — 2 ）
V)
0
(1)
这是一个二阶偏微分方程
式中 波函数 ， E 能量 ， V 势能 ， m 微粒的质量， 圆周率 ， h 普朗克常数
,
,
x
y
z
偏微分符号
2 , x 2
2 , y 2
2 z 2
二阶偏微分符号
解二阶偏微分方程将会得到一个什么结果呢 ？
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k 1, n 2,3 k 2, n 3,4, k 3, n 4,5,
赖曼系，紫外区 巴尔末系，可见光区 帕邢系，红外区
k 4, n 5,6, 布拉开系，红外区
k 5, n 6,7, 普丰德系，红外区
k 6, n 7,8, 哈弗莱系，红外区
其他元素的光谱也有类似的规律性。
解： 设氢原子全部吸收电子的能量后最高能激发到第n
个能级，此能级的能量为
eV 13.6
n2
,
所以
En
E1
13.6
13.6 n2
把 En E1 12.5eV 代入上式得
n2
13.6 13.612.5
12.36
所以
n 3.5
因为n只能取整数,所以氢原子最高能激发 到 n=3的能级,当然也能激发到n=2的能级.于是 能产生3条谱线。
或吸收一个频率为 kn 的光子。
kn
En
h
Ek
玻尔频率公式
玻尔的氢原子理论
（3）量子化条件 在电子绕核作圆周运动中，
其稳定状态必须满足电子的角动量 L等于 h
的整数倍的条件。
2
L n h , n 1,2,3, 角动量量子化条件
2
n 为量子数
3. 氢原子轨道半径和能量的计算
根据电子绕核作圆周运动的模型及角动量 量子化条件可以计算出氢原子处于各定态时的 电子轨道半径。
氢原子光谱
从n3n1
~1
R(
1 12
)1
32
8 9
R
1
9 8R
9 81.096776107
m
102.6nm
从n3n2
~2
R(
1 22
)1
32
5 36
R
2
36 5R
36 51.096776107
m
656.3nm
从n2n1
~
R(
1 12
)1
22
3 4
R
3
4 3R
4 31.096776107
m
121.6nm
玻尔的氢原子理论
rn n2 (m0he22 ), n 1,2,3,
r1 0.529 1010 m 玻尔 半径
电子处在半径为 rn的轨道上运动时，可以计
算出氢原子系统的能量 En为
En
1 n2
(8m0e2h4 2 ), n
1,2,3,
能量是量子化的。
玻尔的氢原子理论
n 1, E1 13.6eV 基态能级； n 1 的各稳定态称为受激态； n 时 rn En 0
能级趋于连续。
玻尔的氢原子理论
E
0 n4
赖曼系
n 1
氢原子的能级图
玻尔的氢原子理论
根据氢原子的能级及玻尔假设，可以得到氢
原子光谱的波数公式
~nk
me4
8
2 0
h3c
(
1 k2
1 n2
)
与氢原子光谱经验公式是一致的。
R
me4
8
2 0
h3c
1.0973731107
原子光谱线系的规律性深刻地反映了原子内部的规律性
2. 玻尔的氢原子理论
（1）定态假设 原子系统只能处在 一系列不连续的能量状态，在这些
状态中，电子虽然作加速运动，但
并不辐射电磁波，这些状态称为原
子的稳定状态（简称定态），相应
的能量分别为 E1, E2, E3, 。
玻尔
（2）频率条件 当原子从一个能量为 En 的定 态跃迁到另一能量为 Ek的定态时，就要发射
1 1) 2
当 n 很大时
n1,n
me4
8 0 2 h3
2 n3
me4
4
2 0
h3n3
绕转频率为
vn
2rn
mvnrn
2mrn2
nh
4 2mrn2
me4
4 0 2 h3n3
玻尔的氢原子理论
绕转频率为
vn
2rn
mv n rn
2mrn2
nh
4 2mrn2
me 4
4 0 2 h3n3
可见 的值和 n 很大时 n1,n 的值相同。
m-1
R 理论值与实验值符合得很好。
玻尔的创造性工作对量子力学的建立有着深远的影响。
4. 玻尔理论的缺陷
● 玻尔理论仍然以经典理论为基础，定态假设 又和经典理论相抵触。
● 量子化条件的引进没有适当的理论解释。 ● 对谱线的强度、宽度、偏振等无法处理。
氢原子光谱
例题18-6 在气体放电管中,用能量为12.5eV的电子通 过碰撞使氢原子激发,问受激发的原子向低能级 跃迁时,能发射那些波长的光谱线?
玻尔的氢原子理论
例18- 7 计算氢原子中的电子从量子数 n 的状态跃迁
到量子数 k n 1 的状态时所发谱线的频率。试证
明当 n 很大时，这个频率等于电子在量子数 n的圆
轨道上绕转的频率。
解 按玻尔频率公式有
n1,n
me4
8
2 0
h3
(n
1 1) 2
1 n2
me4
8 0 2 h3
2n n2 (n
在量子数很大的情况下，量子理论得到与 经典理论一致的结果，这是一个普遍原则，称 为对应原理。
玻尔的氢原子理论
绕转频率为
vn
2rn
mv n rn
2mrn2
nh
4 2mrn2
me 4
4 0 2 h3n3
可见 的值和 n 很大时 n1,n 的值相同。
在量子数很大的情况下，量子理论得到与 经典理论一致的结果，这是一个普遍原则，称 为对应原理。