原子物理学氢原子光谱课件.pptx
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- 原子 物理学 氢原子 光谱 课件
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1、3.氢原子光谱光谱光谱获得或观察光谱的仪器光谱仪光谱仪(1)光谱知识光谱知识 是电磁辐射的波长成分和强度分布的记 录,有时只是波长成分的记录。是研究原 子结构的重要途径之一。摄谱仪光谱仪看谱分析仪棱镜摄谱仪棱镜摄谱仪棱镜光谱仪示意图狭缝棱镜屏红蓝12光源准直仪 接受装置(照相底片或显微镜)(照相底片或显微镜) 色散装置(棱镜或光栅)(棱镜或光栅)12拍摄拍摄氢光谱氢光谱;铁光谱铁光谱光光 谱谱 种种 类类连续光谱线状光谱吸收光谱:吸收光谱是材料在某一些频率上对电磁辐射的吸收所呈现的比 率,与发射光谱相对。炽热的固体、液体或高压气体发出,具 有各种波长成分。气态原子发出,只有某些波长,光谱由一条
2、条清晰明亮的线组成。气体分子发出,谱线分段密集,形成一个个带。带状光谱连续光谱线状光谱太阳光谱钠的吸收光谱NaHHgCu223, 4,5,4nBnn3645.6B H6562.8H4861.3H4340.5H4101.7H3970.1( )H3645.6H221, 2,3,1111, 2,3,mRnmmn7141.0967758 10 mHRBmnTT2nTR n12,3, 4,mn23, 4,5,mn34,5, 6,mn45, 6, 7,mn56, 7,8,mn22e204vemrrr22e01122 4em vr222e0011242 4eeEm vrr 1010seNmm电子在电子在原子
3、核的库仑场原子核的库仑场中运动,所以电子中运动,所以电子的能量由的能量由动能动能 和势能和势能 两部分组成两部分组成kEpE电子的动能为电子的动能为,42121022revmEek若定义离原子核无穷远处为势能零点,即若定义离原子核无穷远处为势能零点,即, 0)(pE那么离原子核的距离为那么离原子核的距离为r r 的电子的势能为的电子的势能为2014pZeEr kpEEErZe24120所以电子的总能量所以电子的总能量30e1224verm r2p =mvrnhmrvn 根据上述三条基本假设,玻尔建立了他的原根据上述三条基本假设,玻尔建立了他的原子模型,并成功地解释了氢光谱的实验事实。子模型,并
4、成功地解释了氢光谱的实验事实。(2)频率条件)频率条件 当原子从一个能量为当原子从一个能量为 的定的定态跃迁到另一能量为态跃迁到另一能量为 的定态时,就要发射的定态时,就要发射或吸收一个频率为或吸收一个频率为 的光子。的光子。 nEkEkn 玻尔假设电子在特定的轨道上绕核作圆周运动玻尔假设电子在特定的轨道上绕核作圆周运动, ,设设核的电量为核的电量为ZeZe( (当当Z=1Z=1时时, ,就是氢原子就是氢原子).).如果原子核是如果原子核是固定不动的固定不动的, ,电子绕核作匀速圆周运动电子绕核作匀速圆周运动, ,那么由牛顿那么由牛顿第二定律第二定律, ,电子所受库仑力恰好提供了它作圆周运动电
5、子所受库仑力恰好提供了它作圆周运动的向心力的向心力: :即即rvmrZe22204122041mvZer2hpmvrn2nnhVmr220224;4nn hrmZe代入量子化条件代入量子化条件解得解得3.新的规律新的规律-量子化量子化210012240.529166 104hamme21nnraZ2nnnhVmr2102hZeZma nh n我们引入我们引入则量子化的轨道半径为则量子化的轨道半径为相应的轨道速率为相应的轨道速率为2102evh2012137ehc11ra, ,称为氢原子的第一玻尔半径称为氢原子的第一玻尔半径; ;, ,称为氢原子的第一玻尔速度称为氢原子的第一玻尔速度. .令令则
6、则1vc当当 时电子的轨道半径与速率分别为时电子的轨道半径与速率分别为1,1Zn称为精细结构常数称为精细结构常数. .由于轨道半径由于轨道半径 r r 是量子化,所以相应的能是量子化,所以相应的能量也必然是量子化的量也必然是量子化的 nnrZeE2412024222202(4)me Zn h由由波尔假设的频率条件波尔假设的频率条件我们可以可到我们可以可到nnhvEE22221211(),2mZcnn即即222212111()2mZvchcnn 211(),2Rmchc711.0973731 10R米令令代入数值,解得代入数值,解得称为称为里德伯常数里德伯常数。4.氢原子的能级和光谱氢原子的能级
7、和光谱2n n123n12342nnERTnhc 110113.6 eVnEra 24222202(4)nme ZEn h 2nhcREn 根据根据波尔理论波尔理论,氢原子的光谱氢原子的光谱可以作如下的解释可以作如下的解释: : 氢原子在正常状态时,它的能级最小,电子氢原子在正常状态时,它的能级最小,电子位于最小的轨道,当原子吸收或放出一定的位于最小的轨道,当原子吸收或放出一定的能量时,电子就会在不同的能级间跃迁,多能量时,电子就会在不同的能级间跃迁,多余的能量便以光子的形式向外辐射,从而形余的能量便以光子的形式向外辐射,从而形成氢原子光谱。成氢原子光谱。我们已经知道,我们已经知道,所有的光谱
8、线分为一系列线所有的光谱线分为一系列线系系,每个线系的谱线都从最大波长到最小波,每个线系的谱线都从最大波长到最小波长(系线);可是试验中观察到在系限之外长(系线);可是试验中观察到在系限之外还有连续变化的谱线。还有连续变化的谱线。这是怎么回事呢?这是怎么回事呢?如果定义距核无穷远处的势能为如果定义距核无穷远处的势能为0 0,那么位,那么位于于r r处的电子势能为处的电子势能为0 0,但可具有任意的,但可具有任意的动能动能201,2kEmv非量子化的状态与连续光谱非量子化的状态与连续光谱任意时刻总能量任意时刻总能量2220011Ze224rEmvmvnEEE这时具有能量这时具有能量E En n,
9、则相应两能级的能量差为:,则相应两能级的能量差为:012nmvEhv所以所以2012nhcmvE因为因为 E En n 是一定的,而是一定的,而 v v0 0 是任意的,所以可是任意的,所以可以产生连续的以产生连续的 值,对应连续的光谱,这值,对应连续的光谱,这就是各系限外出现连续谱的原因。就是各系限外出现连续谱的原因。当该电子被当该电子被 H H+ + 捕获并进入第捕获并进入第 n n 轨道时,轨道时, Z1Z 221125 2,3, 7 2, 4,RnnHHHHHHRR2.2.毕克林系与巴尔末系差不多重合的那些谱毕克林系与巴尔末系差不多重合的那些谱线,波长稍有差别,起初有人认为毕克林系线,
10、波长稍有差别,起初有人认为毕克林系是外星球上氢的光谱线。是外星球上氢的光谱线。我们注意到:我们注意到:1.1.毕克林系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱毕克林系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线差不多重合,但另外还有一些谱线位于巴线差不多重合,但另外还有一些谱线位于巴尔末系两邻近线之间;尔末系两邻近线之间;eZe2204ZeFr22eZe211, 2,3,nnnZ cravnZn2222201124nZ hcRZ eEnan 212222212121111nnEEZ RRhcnnn ZnZ12242Znkn22112Rk71He1.0972227 10 mRRHR 波尔在波尔在19141914年对此作了
11、回答,在原子理论年对此作了回答,在原子理论中假定氢核是静止的,而实际当电子绕核运中假定氢核是静止的,而实际当电子绕核运动时,核不是固定不动的,而是与电子绕共动时,核不是固定不动的,而是与电子绕共同的质心运动。同的质心运动。 HHeRRR第三节:光第三节:光 谱谱玻尔理论假定电子绕固定不动的核旋转,事实上,只有当核的玻尔理论假定电子绕固定不动的核旋转,事实上,只有当核的质量无限大时才可以作这样的近似。而氢核只比电子重约一千八百质量无限大时才可以作这样的近似。而氢核只比电子重约一千八百多倍,这样的处理显然不够精确。实际情况是核与电子绕它们共同多倍,这样的处理显然不够精确。实际情况是核与电子绕它们共
12、同的质心运动。的质心运动。12,Vrvr22221204MVmvZerrr称为折合质量,那么运动方程为称为折合质量,那么运动方程为,mMMm令令,42022rZer122hMVrmvrn 经过修正的原子模型,它的波尔假设中的角动量量子化在质心中就是经过修正的原子模型,它的波尔假设中的角动量量子化在质心中就是22hrn 故有故有2202244n hre Z 令令122hMVrmvrn ,mMMm令令122hMVrmvrn 22hrn 故有故有(1)(2)由由(1)和和(2)可得可得,42022rZer(1)22hrn 故有故有,42022rZer(1)(2)22hrn 故有故有2202244n
13、hre Z 由由(1)和和(2)可得可得可以看出,上面得出的结论与前面的关系式可以看出,上面得出的结论与前面的关系式相对应,所不同的是这里以折合质量相对应,所不同的是这里以折合质量取代取代了原来的了原来的 m m ,那么我们把前面结论中的,那么我们把前面结论中的 m m 换成换成,就得到修正后原子模型的结合。所,就得到修正后原子模型的结合。所以我们得到以我们得到里德伯常数里德伯常数为为242302(4)AeRh c 242302(4)meMMRh c MmMm 我们看到,当原子核质量我们看到,当原子核质量M时,时,RA=R=109737.31cm-1。在一般情况下,可以。在一般情况下,可以通过
14、通过(3)式来计算里德伯常数。式来计算里德伯常数。 (3) 里德伯常数里德伯常数随原子核质量变化的情况曾被用随原子核质量变化的情况曾被用来证实氢的同位素来证实氢的同位素氘氘的存在。还可以测定的存在。还可以测定原子量、电子的核质比、质子的质量和电子原子量、电子的核质比、质子的质量和电子的质量之比等。的质量之比等。 1932年,年,尤雷尤雷在实验中发现,所摄液氢赖在实验中发现,所摄液氢赖曼系的头四条谱线都是双线,双线之间波长曼系的头四条谱线都是双线,双线之间波长差的测量值与通过里德伯常数差的测量值与通过里德伯常数 R 计算出的双计算出的双线波长差非常相近,从而确定了氘的存在。线波长差非常相近,从而
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