玻尔原子物理

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1、§2．原子光谱1．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源分光器（棱镜或光栅）纪录仪（感光底片或光电纪录器）光谱仪按光谱结构分类连续光谱固体热辐射线光谱原子发光带光谱分子发光按光谱机制分类发射光谱样品光源分光器纪录仪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2．氢原子光谱1885年已观察到14条谱线Balmer经验公式1890年Rydberg经验公式光谱项波数赖曼（Lyman）系（紫外区）1916年巴耳末（Balmer）系（可见光区）1885年帕邢（Pas

2、chen）系（近红外区）1908年布喇开（Brackett）系（红外区）1922年普丰特（Pfund）系（远红外区）1924年分立线光谱波数可表示为两光谱项之差原子光谱特点：§3．玻尔氢原子理论1．原子行星模型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。原子寿命光谱分立性困难电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。2．玻尔模型（1913年）背景：能量子和光子假设、核式模型、原子线光谱(1)定态（stationarystate）假设电子只能在一系列分立的轨

3、道上绕核运动，且不辐射电磁波，能量稳定。电子绕核运动频率电子轨道和能量分立(2)跃迁（transition）假设原子在不同定态之间跃迁，以电磁辐射形式吸收或发射能量。吸收发射频率规则(3)角动量量子化假设电子定态轨道角动量满足量子化条件：玻尔半径精细结构常数基态（groundstate）激发态（excitedstate）赖曼系巴耳末系帕邢系实验值能级（energylevel）电子轨道角动量量子化来自电子的波动性首尾位相相同的环波才能稳定存在散射态轨道不闭合，非量子化与散射态有关的跃迁对应连续光谱理论值§4．类氢离子核外

4、只有一个电子的离子原子序数化学价He+，Li2+，Be3+，B4+，…1．毕克林线系1897年Pickering从星光中发现类巴耳末系Rydberg公式He+光谱2．玻尔类氢离子理论核电荷实验值Evans观测He+光谱，证实毕克林线系属其线系之一。3．原子核质量有限带来的修正误差超过1/104（光谱测量精度）的原因：理论值忽略原子核的运动，相当于取核质量为无限大。两体问题两质点在相互作用下运动两体约化质量质心速度不变质点1相对2的运动相当于固定2后质量为的质点的运动。质心系质心系核系1932年Urey发现巴耳末系的双线

5、结构，证实氘的存在，获1934年Nobel化学奖玻尔理论解释了原子光谱分立性和原子的稳定性TheNobelPrizeinPhysics1922forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthemN.Bohr(1885-1962)§5．弗兰克－赫兹实验原子光谱分立性原子内部能量量子化证据1914年Franck和Hertz实验发现原子经电子碰撞后吸收能量的分立性K：热阴极，发射电子KG区：电子加速，与H

6、g原子碰撞GA区：电子减速，能量大于0.5eV的电子可克服反向偏压，产生电流非弹性碰撞，电子损失能量，激发Hg原子弹性碰撞，电子几乎不损失能量电子经过次加速和非弹性碰撞，能量全部损失，电流最小。缺陷：电子动能达到4.9eV便经碰撞失去能量，无法达到更高动能。K：旁热式热阴极，均匀发射电子，提高能量测量精度KG1区：电子加速G1G2区：电子与原子碰撞G2A区：电子减速1920年Hertz测得4.9eV以上的高激发能Franck改进实验装置1924年J.Franck(1882-1964)G.Hertz(1887-1975)

7、fortheirdiscoveryofthelawsgoverningtheimpactofanelectronuponanatomTheNobelPrizeinPhysics1925习题《原子物理学》p.42，14、16题原子能量量子化的另一证据：原子吸收电子能量的分立性卢瑟福－玻尔原子模型小结一．原子的核式结构卢瑟福散射理论（基于核式结构）和盖革－马斯顿实验相符1．卢瑟福模型核（占原子线度1/104）+电子2．实验验证二．原子的量子论1．玻尔模型定态假设辐射跃迁假设角动量量子化假设原子能级量子化概念核式模型光谱实验

8、半经典量子理论电子绕核运动经典力学处理电子轨道半径量子条件限制解释氢光谱分立性、原子稳定性2．弗兰克－赫兹实验电子与原子碰撞能量转移分立性原子能量量子化的另一实验证据