原子结构氢原子光谱理解玻尔理论对氢原子光谱的解释共45页
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。
4.4氢原子光谱和玻尔的原子模型课件ppt—高二下学期物理人教版选择性必修第三册6
轨道图
能级图
量子数：按能级由低到高为1、2、3…n(n为 整数) 如：氢原子各能级可表示为
激发态
其他的状态
—— 基态 能量最低的状 态 （ 离核最近 ）
跃迁假设（频率条件) 跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。 电子从低能级向高能级跃迁
电子从基态向激发态跃迁，电 子克服库仑引力做功， 增大电势能，原子的能量增加 ，要吸收能量
巴耳末公式中的n应该是电子 从量子数分别为n=3,4,5…… 的能级向量子数为2的能级跃 迁时发出的光谱线
巴 耳 末 系
氢原子能级跃迁与光谱图
玻尔理论与巴耳末公式
请同学们用这几个公式推出巴耳末公式
结果与实验值符合的很好
玻尔理论与巴耳末公式
Hδ
Hγ
Hβ
Hα
n=2n=1 n=3 n=4
n=5
n=6
玻尔理论与巴耳末公式
波尔的原子结构假说
玻尔
轨道量子化
玻尔原子 理论的基 能量量子化 本假设
跃迁假说
轨道量子化
1、轨道量子化：针对原子核式结构模型提出
分立轨道
围绕原子核运动的电子轨道 半径只能是某些分立的数值 ，即电子的轨道是量子化的 。电子在这些轨道上绕核的转动 是稳定的，不产生电磁辐射 。
能量量子化（定态）
原子的能量：原子的能量值是核外电子绕原子核运动时的动能 与原子所具有的电势能的总和。原子的不同能量状态
由不连续的亮线组成的光谱叫线状谱。由波长连续分布的光组成的 连在一起的光带叫连续谱。 原子的发射光谱时线状光谱。不同原子的发射光谱不相同
问题与练习
根据巴耳末公式，指出氢原子光谱在可见光范围内波长最长的两条谱 线所对应的n，它们的波长各是多少？氢原子光谱有什么特点？
15-2康普顿效应,氢原子光谱和玻尔理论
--
-
--
很快被卢瑟福的粒子散射实验否定！
粒子散射实验：
粒子
原子核 2. 卢瑟福的原子核式模型（1911年）
原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，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。 原子核直径的数量级：10-14m，质量占99.95% 原子直径的数量级：10-10m
1 12
1 32
0.975 107
1 1.025107 m
1 2
1.097 107
1 12
1 22
0.975 107
2 1.216107 m
1 3
1.097 107
1 22
1 32
0.152 107
3 6.579107 m
主要内容
康普顿效应的量子解释
康普顿散射公式：
0
h m0c
h
cc
m0c (1 cos ) ( v v0 ) 0
康普顿散射公式：
0
h m0c
1
cos
康普顿波长：
c
h m0c
2.426
310
241012 m
结论： • 波长的改变量 与散射体无关，
• 波长的改变量 与散射角θ有关，散 射角θ 越大，
也越大。
3. 波长的改变量与入射光的波长无关。
vn
-
+ rn
电子轨道半径：rn
0h2 me2
n2
r1n2
n 1,2,3,
玻尔半径：
r1
0h2 me2
5.291011m
rn r1n2 4r1 , 9r1 ,16r1 , n 1, 2, 3,
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
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。
氢原子光谱和波尔的原子结构模型
我们知道了核外电子排布，那核外电子 是如何运动的呢？
模
型
原子中心有一个带正电荷的核，它的质量几 乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同 的轨道运转，就象行星环绕太阳运转一样。
卢瑟福的原子结构理论遇到的问题
根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电 磁波（能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小 ，应当沿着一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最 后碰在原子核上。这样一来，原子就被破坏了。
100年后：汤姆逊用发现了电子，并且在各种元素的 原子中都有电子。这样看来，原子就不是不可再分的 了！也就是说，原子不是最最基本的物质粒子了！
1903
汤 姆 逊（ 原 子年 模） 型
原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌 着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性原子。
1911
卢
瑟
福（
原
子
年 ）
3、洪特规则
在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不 同的轨道，且自旋状态相同
练习：写出：碳、硫、钛（22Ti）的轨道表示式
练习：请写出下列元素原子的电子排布图。
钪21Sc， 铬24Cr, 铁26Fe, 铜29Cu, 砷33As
洪特规则的特例：
对于能量相同的轨道(同一电子亚层)，当电子排布处 于全满（s2、p6、d10、f14）、半满（s1、p3、d5、f7）、全 空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定，整个体系的能量最低。
【现学现用】焰火、霓虹灯探密
用镁粉、碱金属盐及碱土金属盐等可以做成焰火。燃放 时，焰火发出五颜六色的光，请用原子结构的知识解释 发光的原因： __燃__烧__时__，__电__子__获__得__能__量__，__从__能__量__较__低__的__轨__道__向__能__量__较__ _高__的__轨__道__跃__迁__，__跃__迁__到__能__量__较__高__的__轨__道__的__电__子__处__于__一___ _种__不__稳__定__的__状__态__，__它__随__即__就__会__跃__达__到__能__量__较__低__的__轨__道___ _，__并__向__外__界__以__光__能__的__形__式__释__放__能__量_。
氢原子光谱、玻尔理论、德布罗意波
~ = R( 1 − 1 ) ν 赖曼系 12 n2 ~ = R( 1 − 1 ) 帕邢系 ν 32 n2 ~ = R( 1 − 1 ) 布喇开系 ν 42 n2 ~ 普芳德系 ν = R( 1 − 1 ) 52 n2
巴尔末系
~ = 1 = R( 1 − 1 ) , v λ 22 n2
态能量 态能量 ( n > 1)
E n = E1 n
2
基态 n =1
−13.6
（47）氢原子光谱、玻尔理论、德布罗意波 47）氢原子光谱、玻尔理论、
玻尔理论对氢原子光谱的解释
hν = Ei − E f
4
E1 En = 2 n
~ = 1 = ν = E1 ( 1 − 1 ) v c hc n 2 n i2 λ f 其中 ni > n f
在可见光范围内的谱线即为所求。 在可见光范围内的谱线即为所求。 可见光的谱线为巴耳末线系。 可见光的谱线为巴耳末线系。 在此为m=4和m=3跃迁到 在此为 和 跃迁到 n=2的两条，波长为： 的两条， 的两条 波长为：
n =4 n =3 n =2 n =1
λ42 = 486.1nm
m λ32 = 656.3n
E m e 1 = 2 3 = .097×107 m−1 ≈ R 里德伯常量） （里德伯常量） 1 hc 8 0 h c ε 氢 n=∞ E∞ = 0 原 n=4 子 与光 布 n=3 能 谱 n=2 级
跃 迁 系
n =1
E
（47）氢原子光谱、玻尔理论、德布罗意波 47）氢原子光谱、玻尔理论、
（1）将一个氢原子从基态激发到 ）将一个氢原子从基态激发到n=4的激发态需要 的激发态需要 多少能量？ 多少能量？（2）处于 ）处于n=4的激发态的氢原子可发出 的激发态的氢原子可发出 多少条谱线？ ）其中多少条为可见光谱线， 多少条谱线？ （3）其中多少条为可见光谱线，其 光波波长各多少？ 光波波长各多少？ 解： 1）使一个氢原子从基态激发到 （ ） n=4 激发态需提供能量为 E1 ∆E = E4 − E1 = 2 − E1 4 −13.6 = − ( −13.6 ) 2 4 = 12.75eV ≈ 2×10−18 J
氢原子光谱和玻尔的原子结构模型
Hale Waihona Puke 内容：无法同时精确测量粒子的位置和动量 提出者：海森堡 意义：否定了经典物理学的确定性和因果关系 对玻尔原子结构模型的影响：解释了原子光谱的离散性
光的波粒二象性：光既具有波动特性又具有粒子特性 德布罗意波长公式：λ=h/p其中λ是波长h是普朗克常数p是动量 光的粒子性：光子是光的基本单位具有能量和动量 光的波动性：光在空间中传播形成电磁波具有频率和波长
受普朗克、爱因斯坦等物理学家的量子理论启发玻尔提出了自己的原子结构模型。
PRT FIVE
对应原理是玻尔原子结构模型的理论基础它认为电子只能在特定的轨道上运动每个轨道对应 一定的能量。 玻尔引入了量子化的概念认为电子只能存在于具有确定能量的稳定状态中这些状态称为定态。
对应原理还指出当电子从一个定态跃迁到另一个定态时会释放或吸收一定频率的光子。
,
汇报人：
CONTENTS
PRT ONE
PRT TWO
发现者：罗伯特·米立根 时间：19世纪末 实验装置：真空管和棱镜 意义：揭示了氢原子光谱的存在和特征
稳定性：氢原子光谱具有高度的稳定性是研究原子结构的重要手段。 连续性：氢原子光谱线覆盖了从长波到短波的连续范围为研究原子能级提供了重要信息。
PRT SIX
1913年玻尔提出了原子结 构模型
模型基于经典力学和量子 化假设
模型成功解释了氢原子光 谱线
模型为后续原子结构研究 奠定了基础
提出假设：玻尔在1913年提出了氢原子光谱的假设奠定了玻尔原子结构模型的基础。
解释实验现象：玻尔的原子结构模型能够解释氢原子光谱的实验现象如巴尔末公式和里德伯公式等。
第4节氢原子光谱玻尔理论
1第4节 氢原子光谱 玻尔理论一、 氢原子光谱，422-=n n B λ∞=,,5,4,3 nA =7.3645B αH βH γH ∞H ，∞→nB =∞λ巴耳末系，：线系极限∞H =：线系极限波长B =∞λA 7.3645波数：沿波线单位长度内波的个数 ν~cνλν==1~λ )121()121(441(1411~2222222nR n B n B n n B -=-=-=-==λν,5,4,3=n 里德伯公式：里德伯恒量1710096776.14-⨯==m BR 帕邢系：， )131(1~22n R -==λν,6,5,4=n 原子光谱实验规律：“原子光谱都是彼此分立的线状光谱，每一条光谱线的波数由 两个光谱项的差值决定” 里兹并合原理，， )()(~n T k T -=νN k n ∈,k n >、：光谱项)(k T )(n T 氢原子：，2)(k R k T =2)(nRn T =碱金属原子：，2)()(α+=k R k T 2)()(β+=n Rn T 、都给定，给出一条光谱线的波数k n 一定，所有的取值对应的谱线构成一个谱线系 k n 不同，给出不同的谱线系 k二、 玻尔理论1、 原子的有核模型1911，卢瑟夫，粒子散射实验α 有核模型 与经典理论矛盾 按照经典理论： 原子光谱应是连续的，原子是不稳定的2、 玻尔的氢原子理论c2（1） 定态假设：原子只能处在一系列具有不连续能量的 稳定状态：定态，不辐射电磁波 定态1， 定态2，,， ， 1E 2E , 轨道1， 轨道2， ,（2） 跃迁假设：的定态的定态 n E →k E 光子频率 hE E nk -=ν <，吸收一个光子，>，放出一个光子n E k E n E k E （3）角动量量子化假设：电子绕核转动的角动量：， n hnL ==π2 ,3,2,1=n：量子数n ：约化普朗克常数，SI ：=π2h = π2h= Js 341005.1-⨯三、 氢原子结构和氢原子光谱 1、 轨道半径（1） 20224r e r V m πε= （2），n mVr L == ,3,2,1=n （，）V m r P r L⨯=⨯=θθsin sin rmV rP L == ，， 222023141 n r e mr πε=22204n me r ⋅= πε ,3,2,1=n ， 1=nA ==529.042201mer πε ，2=n 2122⋅=r r ，3=n2133⋅=r r21n r r n ⋅=<<<321r r r ：玻尔半径A =529.01r 结论：电子的轨道半径是量子化的 2、 定态能量，， r e mV E 022421πε-=20224r e r V m πε=r e mV 022821πε= ，210202188n r e re E ⋅-=-=πεπε ,3,2,1=nVm e3，，，1=n eV r e E 6.1381021-=-=πε2=n eV E E 4.32/212-== ，，3=n ,51.13/213eV E E -== 21/n E E n =<<<321E E E 的定态：基态，的定态，激发态 1=n 1>n 结论：氢原子的定态能量是量子化的 每一个定态能量称为一个能级∞=n4=n51.1-3=neV 4.3-2=neV 6.13-1=n3、 氢原子光谱氢原子 ，n E →k E k n >辐射光子频率==h E E k n -=ν)(12121k E n E h -)11(221nk h E -- 波数， ==c νν~11(221n k hc E --k n > 令，， hc E R 1-===λν1~)11(22n k R -k n >= hcER 1-=1710097373.1-⨯m 例：赖曼系中波长最短的谱线光子能量是多少？ 答：eV 6.13例：巴耳末系中波长最短的谱线光子能量是多少？ 答：eV 4.3例：写出氢原子光谱各谱线系的极限波数表达式解：，， ==λν1~11(22n k R -∞→n 2)(~k R =∞ν赖曼系 （）， = 1=k R =∞)(~赖ν1710097.1-⨯m 巴耳末系（）， 2=k 1710274.04)(~-⨯==∞m R 巴ν5=n 赖曼系4四、 玻尔理论的缺陷氢原子及 类氢离子光谱 ， ，， H +He +2Li +3Be Z= 1， 2， 3， 4碱金属元素的原子光谱，光谱的精细结构 塞曼效应，谱线宽度、强度、偏振逻辑上，玻尔理论自相矛盾 认识原子结构的里程碑 “定态”、“能级”、“跃迁” 例：氢原子由量子数为的定态（）的定态 n →1-n 求：（1）辐射光子频率1-→n n ν （2）很大时，n 1-→n n νn ν≈：电子在第轨道上的转动频率n νn 解：（1）= 1-→n n ν22121211)1(12])1([1n n n h E n E n E h h E E n n --⋅-=--=--= ()22102)1(128n n n h r e --⋅πε10218r e E πε-= （2）= () n νn n n n n r mV mV r V ππ222=20224nn n r e r V m πε== (，) 31020214214nh r e n r e n ⋅=⋅πεππε n r mV n n =21n r r n ⋅= 很大时，== n 1-→n n ν22102)1(128n n n h r e --⋅πε310214nh r e ⋅≈πεn ν对应原理：当量子数很大时，量子方程应过渡到经典方程 n 经典理论是量子理论在很大时的极限 n 例：氢原子某谱线系的极限波长为，其中一条谱线A 3647 波长为A 6565求：该谱线对应的氢原子初态和末态的能级能量 （）1710097.1-⨯=m R 解：，，， ==λν1~11(22n k R -∞→n 21k R =∞λ2==∞λR k ，，= =λ1)121(22n R -221211n R -=λR nλ14112-=R R λλ44-344=-=R Rn λλ 初态，3=n eV E E 51.13/213-==末态，2=n eV E E 4.32/212-==。
氢原子光谱
e2
rn
0h
2 2
π me
n r1n (n 1,2,3,)
2 2
n 1 , 玻尔半径 r1
0h
2 2
π me
5.2910 m
11
氢原子能级公式 第 n 轨道电子总能量
1 e2 2 En mvn 2 4π 0 rn
me 1 E1 En 2 2 2 2 8 0 h n n
答案C
2.具有下列哪一能量的光子，能被处在n = 2的能 级的氢原子吸收？ (A) 1.51 eV． (B) 1.89 eV．
(C) 2.16 eV．
(D) 2.40 eV．
答案B
例题1. 实验发现基态氢原子可吸收能量为 12.75 eV的 光子． (1) 试问氢原子吸收该光子后将被激发到哪个能级？ (2) 受激发的氢原子向低能级跃迁时，可能发出哪几 条谱线？请画出能级图(定性)，并将这些跃迁画在能 级图上． （3）巴耳末线系有几条？ 莱曼系有几条？
e +
玻尔（1885－1962）丹麦人，是原子 物理学的奠基人。他在研究量子运动 时，提出了一整套新观点，建立了原 子的量子论，首次打开了人类认识原 子结构的大门，为近代物理研究开辟 了道路。近代物理学大厦的基础－量 子力学，是以玻尔为领袖的一代杰出 物理学家集体才华的结晶。1922年诺 贝尔物理学奖获得者。
例题2. 求巴耳末系光谱的最大和最小波长
解：
玻尔频率条件 h Ei E f
ch Ei E2
最大波长 最小波长
ch 658 nm E3 E2
ch 366 nm E E 2
例题3
欲使氢原子能发射巴耳末系中波长为
玻尔对氢原子光谱的解释
第十一章 量子论初步
第三节 能级
卢瑟福的核式结构模型
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的 解释实验现象，得到了多数人的支持，但是与经 典的电磁理论发生了矛盾．
1、围绕原子核运动的电子轨道半 径只能是某些分立的数值，这些 现象叫做轨道量子化；
2、不同的轨道对应着不同的状态， 在这些状态中，尽管电子在做变 速运动，却不辐射能量，因此这 些状态是稳定的；
3、原子在不同的状态之中具有不 同的能量，所以原子的能量也是 量子化的。
玻 尔
玻尔对氢原子光谱的解释
（1）人们在提出氢原子理论很久前就发现氢光谱 的谱线很有规律，它们遵从巴耳末公式
1 1 RH ( 2 2 ) 2 n
1
n＝3，4，5……
从这个公式中很容易地看出，氢光谱线的特点是 不连续的．这一公式反映了氢光谱的规律性 ．介 绍过巴耳末公式后，可向学生指出：表面上如此 复杂的光谱线竟能用如此简单的公式表示，这里 面一定有着什么规律性的东西．
（2）由玻尔原子理论中能级公式及跃迁理论，
n=2时的能级的电子云图
形式与巴耳末公式十分相像．理论计算的
值与实验 测得的值符合 得很好，这样用玻
尔理论就很好地解释了氢光谱线的规律。
玻尔原子理论不仅对巴耳末公式给以精确 的解释，而且对其他线系也给出了很好的 说明．
氢原子的能级图
玻尔的定态假设和氢原子能级
（3）氢原子的能级图可以形象地表示氢原子所处的
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
氢原子吸收光谱
氢原子吸收光谱氢原子的吸收光谱是指氢原子在吸收外部能量后发生能级跃迁时所产生的光谱。
氢原子的吸收光谱提供了深入了解氢原子内部结构和能级之间的跃迁过程的重要信息。
下面是关于氢原子吸收光谱的一般性信息：1. 氢原子能级结构：氢原子的能级结构是由一系列电子能级组成的，这些能级包括基态（最低能级）和激发态（高能级）。
电子可以通过吸收或发射光子来从一个能级跃迁到另一个能级。
2. 玻尔模型：尼尔斯·玻尔提出的玻尔模型是描述氢原子能级的经典模型。
根据这个模型，氢原子的能级与电子的轨道半径有关，而电子在这些轨道上只能具有特定的能量。
3. 布喇格方程：布喇格方程描述了波的性质，包括电子波函数。
通过求解布喇格方程，可以得到氢原子的允许能级。
4. 吸收光谱的产生：当氢原子吸收外部能量时（例如光子），电子会从低能级跃迁到高能级。
这个跃迁的过程伴随着光的吸收，产生吸收光谱。
5. 巴尔末系列：氢原子的巴尔末系列是指电子从高能级跃迁到第二能级（n=2）时产生的谱线。
巴尔末系列包括巴尔末α、巴尔末β等。
6. 朗道－卢瑟福散射：朗道－卢瑟福散射是研究原子结构的重要实验方法。
通过测量散射光的角度和能量，可以推断出原子的内部结构。
7. 量子力学描述：量子力学提供了对氢原子能级和电子跃迁的更精确描述。
薛定谔方程是描述氢原子体系的基本方程。
8. 氢光谱学的应用：氢光谱学的研究不仅提供了对氢原子内部结构的理解，还为分析其他原子和分子的光谱学提供了基础。
结论：氢原子吸收光谱的研究对于理解原子结构、光谱学基础和量子力学等领域都有重要的意义。
通过分析吸收光谱，科学家们能够深入探讨原子内部的能级跃迁过程，为量子理论的发展和实验技术的进步提供了关键信息。
玻尔原子理论对氢光谱的解释
三、玻尔原子理论对氢光谱的解释教学目的：◆了解玻尔原子理论的成功之处及局限性1、 知道巴耳末公式2、 了解如何用玻尔原子理论解释氢原子光谱3、 了解玻尔理论的局限性。
教学重点：玻尔原子理论对氢光谱的解释教学过程：（一） 组织教学（二） 复习提问1、玻尔原子理论的内容是什麽？2、玻尔原子理论中计算氢原子电子的各条可能轨道的半径和电子在各条轨道上运动时的能量公式是什麽？1212121E E h E n E r n r n n -===ν （三） 引入：看课本彩图4，找氢原子光谱在可见光区的四条谱线波长：mH mH mH mH μμμμδγβα4101.04340.04861.06562.0（四） 新授1、 氢光谱的实验规律：即巴耳末公式：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=221211n R λ， n=3,4,5,┅┅ 其中λ是氢原子光波的波长，R 为里德伯常量实验值为R=1.096776×107m -12、 玻尔理论导出的氢光谱规律：按玻尔的原子理论，氢原子的电子从能量较高的轨道n 跃迁到能量较低的轨道2时辐射出的光子能量：2E E h n -=ν 但：212212,E E n E E n ==， 由此可得： ,121221⎪⎭⎫ ⎝⎛--=n E h ν 由于λνc=，所以上式可写作：⎪⎭⎫ ⎝⎛--=2211211n hc E λ，此式与巴耳末公式比较，形式完全一样，里德伯常量17110097373.1-⨯=-=m hc E R 与实验符合的很好。
由此可知，氢光谱的巴耳末线系是电子从 n=3,4,5,6,等能级跃迁到n=2的能级时辐射出来的。
玻尔原子理论还解释了帕邢系（在红外区），预言了当时未发现的氢原子的其他光谱线系。
氢原子能级图3、 玻尔理论的局限性（1） 玻尔原子模型在解释氢原子光谱上获得成功，而对核外电子较多的原子，理论与实验相差很多，玻尔理论不再成立，取而代之的是量子力学。
（2） 玻尔理论的成功之处在于它引入了量子的观念，失败之处在于它保留了过多的经典物理理论。
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。
高中物理氢原子光谱解释
6 5 4 3
赖曼系 巴尔末系（可见 帕邢系 （紫外线） 光 ） （红外线） 布喇开系
缝德系
2
1
赖曼系（紫外线）
巴尔末系（可见光）
7
6
5
4 3 2 1
根椐玻尔理论，在氢原子中， 量子数n越大，则 A：电子的轨道半径越小 B：核外电子的速度越小 C：原子能级的能量越小 D：电子的电势能越小
答案：
B
按照玻尔理论，一个氢原子中的 电子从一半径为ra的圆轨道自发的 跃迁到一半径为rb的圆轨道上运动 ， ra>rb，在此过程中 A：原子要发出一系列频率的光子 B：原子要吸收一系列频率的光子 C：原子要发出某 一频率的光子 D：原子要吸收某 一频率的光子
答案 （1）-27.2ev （3）1.03*10-7m （2）4.1*10-15s （4）3.28*1015Hz 3.9*10-5A
答案：
D
已知氢原子基态时的轨道半径为r1=0.53*10-10m， 总能量为E1=-13. 6ev，求
（1）电子在基态轨道上的动能和势能
（2）电子在量子数n=3的轨道上运动的周期和等效电流 （3）处于n=3的激发态的一些氢原子向低能级跃迁是发
出的光中波长最短的为多少？
（4）用某种光照射处于基态的氢原子恰能使其电离， 该光子的频率是多少？
1
帕邢系（红 外线）
1
布喇开系
缝德系
处于基态的氢原子再某单色光的照射下，只能发出频率为 1> 2> 3的三 种光子。则照射光的能量为：
γ γ γ
高中物理课件第2章 第4节 氢原子光谱与能级结构
[后思考]
被测电阻值越大，流过电流表表头的电流越小，电流的大小与被测电阻的阻
值成反比，这种说法对吗？为什么？
【提示】
电流I＝
E Rx＋R＋Rg＋r
，Rx越大，电流越小，但二者不是反比关
系．
[合作探讨]
甲
乙
丙
图2-8-2
如图2-8-2所示，甲、乙、丙分别为欧姆表红黑表笔短接、红黑表笔断开、被
测电阻为Rx所对应的电路图．
[再判断] 1．氢原子光谱是不连续的，是由若干频率的光组成的．( √ ) 2．由于原子都是由原子核和核外电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相 同的．( × ) 3．由于不同元素的原子结构不同，所以不同元素的原子光谱也不相同．(√ )
[后思考] 氢原子光谱有什么特征，不同区域的特征光谱满足的规律是否相同？ 【提示】 氢原子光谱是分立的线状谱．它在可见光区的谱线满足巴耳末公 式，在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式．
[后思考] 玻尔理论的成功和局限是什么？
【提示】 成功之处在于引入了量子化的观念，局限之处在于保留了经典粒 子的观念，把电子的运动看做是经典力作用下的轨道运动．
[核心点击] 1．成功方面 (1)运用经典理论和量子化观念确定了氢原子的各个定态的能量并由此画出能 级图． (2)处于激发态的氢原子向低能级跃迁辐射出光子，辐射光子的能量与实际符 合的很好，由于能级是分立的，辐射光子的波长也是不连续的． (3)不仅成功地解释了氢光谱的巴尔末系，计算出了里德伯常数，而且，玻尔 理论还预言了当时尚未发现的氢原子的其他光谱线系，这些线系后来相继被发 现，也都跟玻尔理论的预言相符．
[先填空]
1．理论推导
按照玻尔原子理论，氢原子的电子从能量较高的能级跃迁到n＝2的能级上
氢原子光谱和玻尔原子理论
失重状态无关 ，所以 Ａ 、Ｃ 、Ｄ 错 ，Ｂ 正确 ．
根据气体压强的微观解释 ，大量气体分子跟容器壁的碰
撞 ，对容器壁形成一个持续的作用力 ，由压强公式 ｐ ＝
Ｆ Ｓ
，
气体压强可以说成是“单位面积上的平均作用力” ，Ｅ 正确 ．
Ｆ ．气体对器壁的压强就是大量气体分子单位时间作用
在器壁上的平均冲量
解析 由气体分子自身的重力产生的压强很小 ，可忽
略不计 ．如果我们在一个很小的容器中加入少量的气体也照
样能获得较大的气压 ．同时 ，对处于封闭容器中的气体 ，即使
放到失重的状态下也仍然能保持原有的压强 ．气体的压强是
气体分子与器壁碰撞产生 ，与分子间的斥力和分子是否处于
射电磁波 ，辐射的电磁波的频率等于电子做圆周运动的频
率 ．那么 ，经典理论至少遇到下面两个困难 ：
（１） 由于电子运动时辐射电磁波 ，能量会不断减小 ，从而
导致轨道半径越来越小 ，最终落到原子核上 ，即原子和原子
核的大小是一样的 ，这与卢瑟福核式结构矛盾 ．
（２） 由于不断辐射导致轨道半径连续减小 ，频率连续增
１ 氢原子光谱
在 １８８５ 年从星体的光谱中观察到的氢光谱线已达 １４
条 ．巴尔末将这些谱线的波长归纳为 ：
λ＝
Ｂ
ｎ２ ｎ２ －
４
ｎ
＝
３
，４
，５
，…
即巴尔末公式 ．
随后又发现了氢原子光谱的其他谱线 ：即紫外区的赖曼
系 ，红外区的帕邢系 、布喇开系和普丰特系 ．如果令 ＲＨ ＝
４ Ｂ
，ＲＨ 称里德伯常数 ，实验测得其值为
大 ，所以辐射的电磁波的频率应该是连续的 ．这与氢原子光
氢原子光谱和波尔的原子模型ppt课件
Na原子的发射光谱（明线）
H原子的吸收光谱（暗线）
H原子的发射光谱（明线）
吸收光谱和线状谱（发射光谱）的关系：
各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱（线状光谱）中的
一条明线相对应。
3.光谱分析
既然每种原子都有自己的特征谱线，我们就可以利用它来鉴别物质和确定物质的组
成成分。这种方法称为光谱分析。
4.由于不同的原子具有不同的结构，能级各不
相同，因此辐射（或吸收）的光子频率也不相
同。这就是不同元素的原子具有不同的特征谱
线的原因。
六、玻尔理论的局限性
1.玻尔理论的不足之处在于保留了
经典粒子的观念，仍然把电子的运
动看作经典力学描述下的轨道运动。
2.玻尔理论成功地解释了氢原子光
谱的实验规律。但对于稍微复杂一
1
E1
激
发
态
h E n E m
基态
原子从低能级向高能级跃迁（电子从低轨道向高轨道跃迁）： 吸收光子，原子能量增大
电子从低轨道向高轨道跃迁，电子克服库仑引力做
功，电势能增大，原子的能量增加，要吸收能量。
吸收光子能量：
h E n E m
原子从高能级向低能级跃迁（电子从高轨道向低轨道跃迁）： 辐射光子，原子能量减小
优点：灵敏度高
样本中一种元素的含量达到10-13kg时就可
以被检测到。
利用白炽灯的光谱，能否检测出灯丝的成分？
不能，白炽灯的光谱是连续谱，不是原子
的特征谱线，因而无法检测出灯丝的成分
原子的特征光谱
二、氢原子光谱（发射光谱）的实验规律
氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。
n=6
n=5
氢原子光谱
根据玻尔的第二个假设,原子系统中 电子从较高能级Wn,跃迁到较低能级Wk时, 发出单色光,其频率为(图2)
两谱系.这些谱系,的确都在氢原子光谱中观 察到,而且有些还是在玻尔理论发表以后先从理 论上计算出来,然后才通过实验找到的.在k=1时 所表示的谱系在光谱的远紫外部分,称为赖曼系. k=3所表示的谱系在红外部分,称为帕邢系.k=4 和k=5所表示的谱系也都在红外范围,分别称为布 喇开系和普芳德系.在某一瞬时,一个氢原子只 能发射一个一定频率的光子,这一频率相应于一 条谱线,不同的受激氢原子才能发射不同的谱线. 实验中观察到的是大量不同受激状态的原子所发 射光的组合,所以能观察到大量的谱线.[1]
按照经典物理学,核外电子受到原子的库仑引力 的作用,不可能是静止的,它一定是以一定的速 度绕核转动.既然电子在运动,它的电磁场就在 变化,而变化的电磁场会激发电磁波.也就是说, 它将把自己绕核转动的能量以电磁波的形式辐射 出去.因此,电子绕核转动这个系统是不稳定的, 电子会失去能量,最后一头栽在原子核上.但是 事实不是这样,原子是个很稳定的系统. ②连续光谱与明线光谱的矛盾
根据经典电磁理论,电子辐射的电磁波的频率, 就是它绕核转动的频率.电子越转能量越小,它 离原子核就越来越近,转的也就越来越快.这个 变化是连续的,也就是说,我们应该看到原子辐 射的各种频率(波长)的光,即原子的光谱应该 总是连续的.而实际上我们看到的是分立的线状 谱. 这些矛盾说明,尽管经典物理学理论可以很 好地应用于宏观物体,但它不能用于解释原子世 界的现象,引入新观念是必要的.
(2)当原子从一个具有较大能量E2的定态 跃迁到另一个能量较低的定态E1时,它辐 射出具有一定频率的光子,光子的能量为 这一假设确定了原子发光的频率—— 它就是频率假设.