氢原子光谱的规律性
氢原子光谱
氢原子光谱（spectrum of hydrogen atom ）
氢原子光谱是最简单的光谱。
在可见光和近紫外部分，氢原子的光谱是由一个谱线系组成的，谱线波长间的间隔朝着短波的方向以一种有规律的方式递减。
这个规律首先由巴耳末用数学公式表达出来：
,4
2121-=n n B λ （1） 式中的56364.0,5,4,31==B n μm 。
（1）式就叫巴耳末公式，它所代表的谱线系叫巴耳末系。
巴尔末公式后来改写成
,121212⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛-=n R σ （2） 式中λσ1
=，是谱线的波数，B
R 4=叫里德伯常量，它的现代精确数值为 .m 104153373097.1-17⨯=R
如果把上述公式中的22换成2
2n ，令2n =1,3，4，5，……且对每个2n 值都取121+≥n n ，则可以得到另外一些线系的波数。
这些线系实际上已经被观察到。
2n ＝1的线系在远紫外区，被莱曼观察到，2n ＝3，4，5，6，……的线系，都在红外区，分别由帕邢、布喇开、普逢德（August Herman pfund,1879～1949）和哈姆泼雷斯（Ｃ·Ｓ·Ｈumphreys ）所发现。
因此，氢原子光谱的所有线系，可用一个公式来表示： 21
22n R n R -=σ （3） 这个公式叫里德伯公式，式中的1n 和2n ，都是整数，且1n >2n 。
对于某一线系来说，2n 是一常数。
当1n 递增时σ趋向一极限值22
n R =∞σ，这就是线系极限。
从理论上说，靠近线系极限处有无限多条谱线。
图1－23－18是氢原子的光谱图。
试验原理1氢氘原子光谱氢原子光谱的规律氢光谱由许多谱线
实验原理1、 氢、氘原子光谱(1) 氢原子光谱的规律氢光谱由许多谱线组成，其中巴耳末线系的规律可表示为)121(122nR H -=λ (1.1) 式中，λ为谱线波长，H R 为氢的里德伯常数，n=3,4,5,……巴耳末线系是本实验拍摄和研究的对象．对应于n =3，4，5，…的谱线分别称H α，H β，H γ……它们的波长间隔、谱线强度都随n 的增大而有规律地减小．(2) 氢、氘原子光谱的异同设氢核质量为M H ，同位素氘核质量为M D ．它们的里德伯常数R H 和R D 分别为mM M R R H H H +=∞ (1.2) mM M R R D D D +=∞ 其中，m 为电子质量，R ∞是认为原子核质量无限大时的里德伯常数．以λH 和λD 代表对应于同一n 值的氢和氘谱线的波长，则巴耳末系可表示为)121(122n R H H-=λ )121(122n R D D -=λ (1.3) 由于M D ≠M H ，由式(1.2)知R D ≠R H ，则式由(1.3)可知，对同一n 值，λD ≠λH ．可见，氢、氘原子光谱既有如式(1.3)所示的相同规律，对同一n 值，波长λH 和λD 又有差异．只是其差值一般都小于0.2nm ．所以在谱片上氢、氘谱线总是靠得很近．(3) 关于M D /M H ,由式（1.2）知)/()/(m M M m M M R R H H D D H D ++= 从中解得mM R R R R M M H H D H D H D /)1/(1/--= （1.4） 由式(1.3)知，R D /R H ＝λH /λD ，故式(1.4)可化为mM M M H H D H D H D /)1/(1/--=λλλλ （1.5） 取M H /m ＝1836，对每一对氢氘谱线测得λH 和λD ，由式(1.5)即可求得M D /M H ．2 测算波长波长无法直接测量，需要寻找一个与波长有关又能直接测量的量． (1) 光栅光谱的特点 光栅摄谱仪的色散率d λ/d l 几近常数．两谱线波长差和距离成正比．这一特点将谱线的波长和谱线的坐标联系在一起．谱线在谱片上的坐标正是一个与波长有关又能直接测量的量．由谱线坐标即可推算其波长．(2) 线性内插法图1.1为光栅摄谱仪拍得的三条谱线．其中左右两条的波长λ1，λ2为已知，且λ2>λ1，中间谱线的波长λ待求．若能测定三条谱线的坐标x 1、x 和x 2，根据光栅光谱的特点应有111212x x x x --=--λλλλ从中解出)(112121x x x x ---+=λλλλ （1.6）由式(1.6)知：在谱片上，对任何一条未知波长的谱线，只要在其周围找到两条波长λ1和λ2已知的谱线，并测定三者的坐标x 1，x 和x 2即可推算出未知波长λ．实验中，常将铁谱和待测谱线上下并排拍在一张谱片上，每条铁谱的波长都可由特制的光谱图查得．应用式(1.6)的条件是波长λ和坐标x 有线性关系．若二者只在很小的范围内接近线性关系，如棱镜摄谱仪拍得的谱片，则在｜x 2-x 1｜较小的条件下也可应用．此时应在待测谱线两侧适当小的范围内选取已知波长的谱线．这就是在光谱实验中经常用以计算波长的“线性内插法”．实 验 装 置平面光栅摄谱仪,交流电弧发生器,氢氘灯,铁电极,阿贝比长计,光谱投影仪和光谱图．(1) 光路原理一般平面光栅摄谱仪的光路如图1.2所示．图中,M 1，M 2是同一大凹球面反射镜的下、上两个不同框形部分．光源A 发出的光，经三透镜照明系统L 1,L 2,L 3后均匀照亮狭缝S ，通过S 的光经小平面反射镜N 反射转向π/2后射向M 1，因S 由N 所成的虚像正好处在M 1的焦面上，所以狭逢上一点S 发出的光经M 1反射后成了微微向上射出的平行光，并正好射到N 后上方的平面反射光栅G 上．G 把入射光向M 2方向衍射．M 2把来自不同刻纹的同一波长的平行衍射光会聚成一点S λ’， S λ’正好落在照相胶版B 上．G 相邻刻纹的衍射光传播到S λ’的程差δ＝d (sin i +sin θ)，图 1.1式中d是光栅常数，I,θ分别是入射光、衍射光相对于G的法线的夹角，sinθ取+号是因为θ，i在法线的同侧．显然，Sλ’要是个亮点，必须δ＝kλ，于是得光栅方程d(sin i+sinθ)＝kλ，式中λ是光波波长，k=0¸±1, ±2,…叫衍射级．除０外，对同一k，因i相同而λ不同则θ将不同，也就是不同波长的像点Sλ＇将落在B的左右不同位置，成为一个单色像Sλ＇．狭缝S是连续的点的集合，所以Sλ＇是一条亮线．对同一k，A发出的所有波长所形成的所有单色像构成A的光谱，用胶版B就可以把它们拍摄下来．图 1.2（2）中心波长和光栅转角的关系．Sλ＇落在B中心线附近的波长λB叫中心波长．显然，这时θ＝i，对1级谱，光栅方程变为２d sin I＝λ0，所以中心波长λ0和i有—一对应关系．光栅安装在一个金属齿盘上，盘底的轴插在机座的轴套上，盘边有一蜗杆和齿轮啮合，蜗杆用一连杆和机壳外的手柄联结；转动手柄就可以转动光栅，并在手柄边上可以读出光栅转角i．仪器色散能力较大，一次摄谱B只能容下相差约100nm的波长范围，所以拍摄不同波段的光谱时，必须把光栅转到相应的i角位置．（3）谱级分离．设B上某点δ=600nm，对λ1=600nm的光波，k=1，得到了加强；对λ2=300nm 的光波，k=2，也得到了加强．这样在B上δ=600nm处出现的谱线，就无法确定它是λ1还是λ2，这叫谱级重叠．但λ2是紫外光，它不能透过玻璃，在狭缝前放一无色玻璃作为滤色片，所有紫外光便都到不了B，从而简单地实现了1级可见光谱和2级紫外光谱的分离，滤色后在δ=600nm处出现的谱线一定是λ1．（4）拍摄比较光谱的操作原则．谱线是狭缝的单色像．让12mm高的狭缝全部露出来被光照亮，可得到12mm 高的一系列谱线；让上端6mm露出，就得到上端6mm高的谱；让下端6mm露出，就得到下端6 mm高的谱．设想用Na（钠）黄光照亮S，先让上端6 mm露出摄谱后，保持胶版B和光栅转角i都不动，再换为下端 6 mm摄谱．这样摄得的4条谱线，一定是后二条在前二条的延长线上，因为它们只是同一狭缝上、下二段成像先后不同而已．Na黄双线的波长大家都很熟悉，由此我们推想：把先摄下的二条谱线看成波长未知的被测谱线，后二条看成“波长标尺”上波长已知的二条刻度线，显然测得的结果非常准确．由此得出操作原则：拍摄互相比较的两列光谱时，不能移动胶版，不能转动色散元件，只能在换光源后换用狭缝的相邻部位摄谱．换用狭缝的不同部位很简单，狭缝前有一金属薄圆盘，叫哈特曼光栏盘，盘上不同位置开了不同高度的方孔，转动盘子让狭缝在所需的孔中露出就行了．“波长标尺”也现成，Fe(铁)的光谱线相当丰富，波长都已知，把Fe的光谱拍在被测光谱的旁边，也就相当于摆上了一把“波长标尺”．Fe光谱可以用电弧发生器激发．(5) 氢氘光谱灯．氢氘光谱灯（或放电管）内所充的纯净氢氘气体，在高压小电流放电时分解成原子并被激发到高能态，在跃迁到低能态的退激过程中发出原子光谱．。
高中物理人教版5第十八章原子结构3氢原子光谱 第十八章第3节氢原子光谱
第3节 氢原子光谱1.知道什么是光谱，能区别连续谱和线状谱，知道光谱分析的应用．2.知道氢原子光谱的实验规律． 3．知道经典电磁理论的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱的分立特征．一、光谱1．定义：按照光的波长和强度分布展开排列的记录，即光谱．2．分类：有些光谱是一条条的亮线，这样的亮线叫谱线，这样的光谱叫线状谱．有的光谱不是一条条分立的谱线，而是连续在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱．3．特征光谱：各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发射特定频率的光．不同原子发射的线状谱的亮线位置不同，说明不同原子发光频率是不一样的，因此这些亮线称为原子的特征谱线．4．光谱分析(1)定义：利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分，这种方法叫做光谱分析． (2)优点：灵敏度高．1．(1)各种原子的发射光谱都是连续谱．( ) (2)不同原子的发光频率是不一样的．( ) (3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质．( ) 提示：(1)× (2)√ (3)× 二、氢原子光谱的实验规律1．许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径． 2．巴耳末公式：1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2(n ＝3、4、5…)． 3．巴耳末公式的意义：以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征．2．(1)光是由原子核内部的电子运动产生的，光谱研究是探索原子核内部结构的一条重要途径．( ) (2)稀薄气体的分子在强电场的作用下会变成导体并发光．( ) (3)巴耳末公式中的n 既可以取整数也可以取小数．( ) 提示：(1)× (2)√ (3)× 三、经典理论的困难1．核式结构模型的成就：正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验． 2．经典理论的困难：经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征．3．(1)经典物理学很好地解释原子的稳定性．( )(2)经典物理学无法解释原子光谱的分立特征．()(3)经典物理学可以很好地应用于宏观世界，也能解释原子世界的现象．()提示：(1)×(2)√(3)×知识点一光谱和光谱分析1．光谱的分类2．太阳光谱(1)特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱．(2)对太阳光谱的解释：阳光中含有各种颜色的光，但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，到达地球的这些谱线看起来就暗了，这就形成了连续谱背景下的暗线．3．光谱分析(1)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－10 g.(2)应用①应用光谱分析发现新元素；②鉴别物体的物质成分：研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素；③应用光谱分析鉴定食品优劣．(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法中，正确的是()A．太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱B．煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱C．进行光谱分析时，可以用线状谱，不能用连续光谱D．我们能通过月球反射的日光分析鉴别月球的物质成分[解题探究] (1)光谱分析应当使用什么光谱线？ (2)能否利用反射光分析反射物的物质组成？[解析] 太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱，正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致，白炽灯发出的是连续谱，选项A 错误；月球本身不会发光，靠反射太阳光才能使我们看到它，所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分，选项D 错误；光谱分析只能是线状谱和吸收光谱，连续谱是不能用来进行光谱分析的，所以选项C 正确；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱，选项B 正确．[答案] BC(1)太阳光谱是吸收光谱，是阳光透过太阳的高层大气层时而形成的，不是地球大气造成的．(2)某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的，两者均可用来作光谱分析．(多选)关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是( )A ．发射光谱包括连续谱和线状谱B ．太阳光谱是连续谱，氢光谱是线状谱C ．线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析D ．光谱分析帮助人们发现了许多新元素解析：选ACD.线状谱和吸收光谱都是原子的特征光谱，都可用来进行光谱分析，太阳光谱是吸收光谱．A 、C 、D 选项正确．知识点二 氢原子光谱的实验规律及应用1．氢原子的光谱从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图所示．2．氢原子光谱的特点：在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性．3．巴耳末公式(1)巴耳末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式：1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2(n ＝3，4，5…)，该公式称为巴耳末公式．(2)公式中只能取n ≥3的整数，不能连续取值，波长是分立的值．4．其他谱线：除了巴耳末系，氢原子光谱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．对巴耳末公式的理解(多选)关于巴耳末公式1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2的理解，正确的是( ) A ．此公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的 B ．公式中n 可取任意值，故氢光谱是连续谱C ．公式中n 只能取大于或等于3的整数值，故氢光谱是线状谱D ．公式不但适用于氢光谱的分析，也适用于其他原子的光谱 [解题探究] 波长大小与n 的取值大小有何关系？[解析] 巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的，故A 选项正确；公式中的n 只能取大于或等于3的整数值，故氢光谱是线状谱，B 选项错误，C 选项正确；巴耳末公式只适用于氢光谱的分析，不适用于其他原子光谱的分析，D 选项错误．[答案] AC巴耳末公式的应用已知氢原子光谱中巴耳末系第一条谱线H α的波长为 nm(普朗克常量h ＝×10－34J ·s ，真空中的光速c ＝3×108 m ·s －1)，求：(1)试推算里德伯常量的值；(2)利用巴耳末公式求其中第四条谱线的波长和对应光子的能量． [思路点拨] (1)n ＝1时，λ＝ nm ，利用巴耳末公式求R . (2)R 已求，n ＝4时利用巴耳末公式求λ. (3)h 、c 已知，利用E ＝h cλ求E .[解析] (1)巴耳末系中第一条谱线为n ＝3时，即1λ1＝R ⎝⎛⎭⎫122－132 R ＝365λ1≈×107 m －1. (2)巴耳末系中第四条谱线对应n ＝6，则 1λ4＝R ⎝⎛⎭⎫122－162 λ4＝368××107 m ≈×10－7 m ＝ nm ε＝hν＝h cλ4≈×10－19 J.[答案] (1)×107 m －1 (2)×10－7 m(或 nm) ×10－19J氢原子光谱的几种线系的表示公式莱曼系1λ＝R ⎝⎛⎭⎫112－1n 2，n ＝2，3，4…(在紫外区) 巴耳末系1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2，n ＝3，4，5…(在可见光区)帕邢系1λ＝R ⎝⎛⎭⎫132－1n 2，n ＝4，5，6…(在红外区) 布喇开系1λ＝R ⎝⎛⎭⎫142－1n 2，n ＝5，6，7…(在近红外区)[随堂达标]1．(多选)下列说法正确的是( ) A ．发射光谱一定是连续谱B ．线状谱和暗线谱都可以对物质成分进行分析C ．霓虹灯发光形成的光谱是连续谱D ．巴耳末公式只适用于氢原子发光 答案：BD2．(2023·南通高二检测)白炽灯发光产生的光谱是( ) A ．连续光谱 B ．明线光谱 C ．原子光谱D ．吸收光谱解析：选A.白炽灯发光属于炽热的固体发光，所以发出的是连续光谱． 3．(多选)下列说法中正确的是( )A ．进行光谱分析，可以用线状谱，也可以用吸收光谱B ．光谱分析的优点是非常灵敏而迅速C ．使一种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气，取得吸收光谱，就可以对前者的化学组成进行分析D ．摄下月球的光谱，可以分析出月球是由哪些元素组成的解析：选AB.由于每种元素都有自己的特征谱线，因此，可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成．所以光谱分析可以用线状谱或者吸收光谱．月球的光谱是太阳的反射光谱，故不能分析月球是由哪些元素组成的．4．(多选)关于巴耳末公式，下列说法正确的是( ) A ．巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式 B ．巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性 C ．巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式D ．巴耳末公式准确反映了氢原子发光的实际，其波长的分立值并不是人为规定的解析：选CD.由于巴耳末是利用当时已知的、在可见光区的4条谱线作了分析总结出的巴耳末公式，并不是依据核式结构理论总结出来的，巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性，也就是氢原子实际只发出若干特定频率的光，由此可知，选项C 、D 正确．5．(选做题)(2023·常州高二检测)氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( ) B ．49解析：选A.由巴耳末公式1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2，n ＝3，4，5，… 当n ＝∞时，最小波长1λ1＝R 122①当n ＝3时，最大波长1λ2＝R ⎝⎛⎭⎫122－132② 由①②得λ1λ2＝59.[课时作业] [学生用书P90(独立成册)]一、单项选择题1．下列说法中正确的是( )A ．炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱B ．各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应C ．气体发出的光只能产生明线光谱D ．甲物体发出的白光通过乙物质的蒸气形成了甲物质的吸收光谱解析：选A.据连续光谱的产生知A 对；由于吸收光谱中的暗线和明线光谱中的明线相对应，但通常吸收光谱中看到的暗线要比明线光谱中的明线少，所以B 不对；气体发光也可以形成连续光谱，所以C 不对；甲物体发出的白光通过乙物质的蒸气形成了乙物质的吸收光谱，所以D 不对，应选A.2．关于光谱，下列说法正确的是( ) A ．一切光源发出的光谱都是连续谱 B ．一切光源发出的光谱都是线状谱 C ．稀薄气体发出的光谱是线状谱D ．作光谱分析时，利用连续谱和线状谱都可以鉴别物质和确定物质的化学组成解析：选C.不同光源发出的光谱有连续谱，也有线状谱，故A 、B 错误．稀薄气体发出的光谱是线状谱，C 正确．利用线状谱和吸收光谱都可以进行光谱分析，D 错误．3．太阳的光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线．产生这些暗线是由于( ) A ．太阳表面大气层中缺少相应的元素 B ．太阳内部缺少相应的元素C ．太阳表面大气层中存在着相应的元素D ．太阳内部存在着相应的元素解析：选C.太阳光谱中的暗线是由于太阳内部发出的强光经过温度较低的太阳大气层时产生的，表明太阳大气层中含有与这些特征谱线相应的元素．4．(2023·南京高二检测)关于物质的吸收光谱和明线光谱之间的关系，下列说法中正确的是( ) A ．吸收光谱和明线光谱的产生方法不同，它们的谱线互不相关 B ．吸收光谱和明线光谱的产生方法相同，它们的谱线重合 C ．明线光谱与吸收光谱都是原子光谱，它们的特征谱线相对应D．明线光谱与吸收光谱都可以用于光谱分析，以鉴别物质和确定化学组成解析：选D.吸收光谱和明线光谱的产生方法不同，同种物质吸收光谱中的暗线与它明线光谱中的明线相对应，A、B错误．明线光谱与吸收光谱都是原子的特征谱线，但是明线光谱是原子光谱，吸收光谱不是原子光谱，C错误．明线光谱和吸收光谱都可以进行光谱分析，D正确．5．对于巴耳末公式下列说法正确的是()A．所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应B．巴耳末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长C．巴耳末确定了氢原子发光的一个线系的波长，其中既有可见光，又有紫外光D．巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长解析：选C.巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系的波长，不能描述氢原子发出的各种波长，也不能描述其他原子的发光，故A、D错误；巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的，但它适用于整个巴耳末线系，该线系包括可见光和紫外光，故B错误，C正确．6.(2023·湛江高二检测)如图甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为()A．a元素B．b元素C．c元素D．d元素解析：选B.把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照，b元素的谱线在该线状谱中不存在，故选项B 正确，与几个元素的特征谱线不对应的线说明该矿物中还有其他元素．二、多项选择题7．要得到钠元素的特征谱线，下列做法中正确的是()A．使固体钠在空气中燃烧B．将固体钠高温加热成稀薄钠蒸汽C．使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸汽D．使炽热固体发出的白光通过高温钠蒸汽解析：选BC.炽热固体发出的是连续谱，燃烧固体钠不能得到特征谱线，A错误；稀薄气体发光产生线状谱，B正确；强烈的白光通过低温钠蒸汽时，某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱，C正确，D错误．8．(2023·哈尔滨高二检测)关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系，下列说法正确的是()A．经典电磁理论很容易解释原子的稳定性B．根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上C ．根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的D ．氢原子光谱彻底否定了经典电磁理论解析：选BC.根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上，经典物理学无法解释原子的稳定性，并且原子光谱应该是连续的．氢原子光谱并没有完全否定经典电磁理论，而是要引入新的观念．故正确答案为B 、C.9．(2023·杭州高二检测)对原子光谱，下列说法正确的是( ) A ．原子光谱是不连续的B ．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的C ．由于各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同D ．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素解析：选ACD.原子光谱为线状谱；各种原子都有自己的特征谱线；据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成．由此知A 、C 、D 说法正确，B 说法错误．10．关于太阳光谱，下列说法正确的是( ) A ．太阳光谱是吸收光谱B ．太阳光谱中的暗线，是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后而产生的C ．根据太阳光谱中的暗线，可以分析太阳的物质组成D ．根据太阳光谱中的暗线，可以分析地球大气层中含有哪些元素解析：选AB.太阳是高温物体，它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时，某些特定频率的光会被太阳大气层中的某些元素的原子吸收，从而使我们观察到的太阳光谱是吸收光谱，因此，选项A 、B 正确．分析太阳的吸收光谱，可知太阳大气层的物质组成，由于地球大气层的温度很低，太阳光通过地球大气层时不会被地球大气层中的物质原子吸收，故选项C 、D 错误．三、非选择题11．氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的光波的光子能量为E 1，其次为E 2，则E 1E 2为多少？解析：由1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2得：当n ＝3时，波长最长，1λ1＝R ⎝⎛⎭⎫122－132，当n ＝4时，波长次之，1λ2＝R ⎝⎛⎭⎫122－142，解得：λ1λ2＝2720，由E ＝h c λ得：E 1E 2＝λ2λ1＝2027.答案：202712．氢原子光谱除了巴耳末系外，还有莱曼系、帕邢系等，其中帕邢系的公式为1λ＝R ⎝⎛⎭⎫132－1n 2，n ＝4，5，6，…，R ＝×107 m －1.若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域，试求：(1)n ＝6时，对应的波长；(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多少？n ＝6时，传播频率为多大？解析：(1)由帕邢系公式1λ＝R ⎝⎛⎭⎫132－1n 2 当n ＝6时，λ＝×10－6 m.(2)帕邢系形成的谱线在红外线区域，而红外线属于电磁波，在真空中以光速传播，故波速为光速c ＝3×108 m/s ，由v ＝λT ＝λν，得ν＝v λ＝c λ＝3×108×10－6 Hz ＝×1014 Hz. 答案：(1)×10－6 m (2)3×108 m/s ×1014 Hz。
氢原子光谱
１８８５年巴耳末（Ｂａｌｍｅｒ，Ｊ．Ｊ．１８２ １８８５年巴耳末（Ｂａｌｍｅｒ，Ｊ．Ｊ．１８２ 年巴耳末（Ｂａｌｍｅｒ，Ｊ．Ｊ． １８９８） ５—１８９８）根据埃格斯充（Ａｕｇｓｔｒｏｍ， １８９８ 根据埃格斯充（Ａｕｇｓｔｒｏｍ， Ａ．Ｊ．１８１４ １８７４）对光谱线的精确测量，提 Ａ．Ｊ．１８１４—１８７４）对光谱线的精确测量， １８１４ １８７４ 出了氢原子光谱可见光区域光谱线波长的经验公式。 出了氢原子光谱可见光区域光谱线波长的经验公式。１９ １３年 玻尔（Ｂｏｈｒ，Ｎ．Ｈ．Ｄ．１８８５ １９ １３年，玻尔（Ｂｏｈｒ，Ｎ．Ｈ．Ｄ．１８８５—１９ （Ｂｏｈｒ，Ｎ．Ｈ．Ｄ．１８８５ ６２）引入量子概念提出的氢原子模型假说， ６２）引入量子概念提出的氢原子模型假说，给出了氢光 谱线系规律的理论解释。 谱线系规律的理论解释。
五．数据记录与处理
１．高压汞灯 入射线= 入射线
φ0 右 + φ
2
0左
２、氢灯
特征 谱线
谱线位置
波数Leabharlann 红青蓝若此时仍保持入射角i不变， 若此时仍保持入射角 不变，用未知波长的光线入 不变 射，测出相应的偏向角θ′，便可从定标曲线上找 测出相应的偏向角 ， 出它所对应的波长来。 出它所对应的波长来。本实验用汞原子光谱作出 定标曲线，再测出氢原子三条可观察到的光谱线 定标曲线， 的偏向角，在定标曲线上求出它们所对应的波长， 的偏向角，在定标曲线上求出它们所对应的波长， 验算里德伯常数。 验算里德伯常数。
氢原子光谱
引言
每种原子、分子都有其特征光谱。 每种原子、分子都有其特征光谱。因此分析其特征 光谱，对研究不同原子、分子及其结构有着重大的意义。 光谱，对研究不同原子、分子及其结构有着重大的意义。 光谱学已成为光学的一个重要分支， 光谱学已成为光学的一个重要分支，并被广泛用于科研 和生产中。 和生产中。 氢原子是最简单的原子，其光谱线在按波长（ 氢原子是最简单的原子，其光谱线在按波长（或波 数）大小的排列次序上显示出简单的规律性。研究原子 大小的排列次序上显示出简单的规律性。 结构，很自然氢原子首先被关注。 结构，很自然氢原子首先被关注。
实验氢原子光谱的研究
实验 氢原子光谱的研究氢原子的结构最简单，它的线光谱明显地具有规律，早就为人们所注意。
各种原子光谱线的规律性的研究正是首先在氢原子上得到突破的。
氢原子又是一种典型的最适合于进行理论与实验比较的原子，对氢原子光谱的种种研究在量子论的发展中多次起过重要作用。
1913年玻尔建立了半经典的氢原子理论，成功地解释了包括巴耳末线系在内的氢光谱的规律。
事实上氢的每一谱线都不是一条单独的线，换言之，都具有精细结构，不过用普通的光谱仪器难以分辨，因而被当作单独一条而已。
这一事实意味着氢原子的每一能级都具有精细结构。
1916年索末菲考虑到氢原子中电子的椭圆轨道上近日点的速度已经接近光速，他根据相对论性力学修正了玻尔的理论，得到了氢原子能级精细结构的精确公式。
但这仍是一个半经典理论的结果。
1925年薛定谔建立了波动力学（即量子学中的薛定谔方程），重新解释了玻尔理论所得到的氢原子能级。
不久海森伯和约丹（1926年）根据相对论性薛定谔方程推得一个比索末菲所得的在理论基础上更加坚实的结果，将这结果与托马斯（1926年）推得的电子自旋轨道相互作用的结果合并起来，也得到了精确的氢原子能级精细结构公式。
尽管如此，根据该公式所得巴耳末系第一条的（理论）精细结构与不断发展的精密测量中所得实验结果相比，仍有约百分之几的微小差异。
1947年蓝姆和李瑟福用射频波谱学方法，进一步肯定了氢原子第二能级中轨道角动量为零的一个能有确实比上述精确公式所预言的高出1057MHz （乘以普朗克常数即得相应的能量值），这就是有名的蓝姆移动。
直到1949年，利用量子电动力学理论将电子与电磁场的相互作用考虑在内。
这一事实才得到了解释，成为量子电动力学的一项重要实验根据。
［实验目的］1.学习识谱和一种测量谱线波长的方法。
2.通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴耳末公式的正确性，从而对玻尔理论的实验基础有具体了解，力求准确测定氢的里德伯常数，对近代测量所达到的精度有一初步了解。
大学物理,量子物理基础21-03 氢原子光谱的实验规律 玻尔理论
第21章 量子物理基础
普芳德系
巴耳末系 赖曼系
波长 5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.8
0.6 可 见 光
0.4
0.2
mm
红
外
线
紫 外 线
10
21.3 氢原子光谱的实验规律 玻尔理论
第21章 量子物理基础
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：
1 1 R 2 2 （广义巴尔末公式） n m 1
实验上的发现成为人们构思原子模型的依据 之一。原子模型如雨后春笋，竞相脱颖而出。 其中最有影响的是汤姆孙的原子模型和卢瑟福 的原子模型。
2
21.3 氢原子光谱的实验规律 玻尔理论
第21章 量子物理基础
早在原子理论建立以前，光谱学已经取得很大发 展，积累了有关原子光谱的大量实验数据。人们已 经知道，原子光谱是提供原子内部信息的重要资料， 不同原子的辐射光谱特征也完全不同。故研究原子 光谱的规律是探索原子结构的重要线索。 应当说，量子论、光谱学、电子的发现这三大 线索，为运用量子论研究原子结构提供了坚实的理 论和实验基础。 在所有的原子中，氢原子是最简单的，这里就 先从氢原子的光谱着手。
8
21.3 氢原子光谱的实验规律 玻尔理论
第21章 量子物理基础
1 1 可见光：巴尔末系 R ( 2 2 ) , n பைடு நூலகம்,4, 2 n 1 1 1 帕邢系 R ( 2 2 ) , n 4,5, 3 n
红外：
1 1 紫外： 莱曼系 R( 2 2 ) , n 2, 3, 1 n
式中： m 1,2,3
n m 1, m 2, m 3,
氢原子光谱
玻尔理论成功的解释并预言了氢原 子辐射的电磁波的问题，但是也有它的 子辐射的电磁波的问题， 局限性． 局限性．
同时又应用了“轨道” 同时又应用了“轨道” 等经典概念和有关牛 顿力学规律
在解决核外电子的运动 时成功引入了量子化的 观念 除了氢原子光谱外 除了氢原子光谱外， 除了氢原子光谱外，在解 决其他问题上遇到了很大的困 难．
答案： 答案：A
4、根据玻尔理论，氢原子的电子由外层 、根据玻尔理论， 轨道跃迁到内层轨道后 A、原子的能量增加，电子的动能减少 、原子的能量增加， B、原子的能量增加，电子的动能增加 、原子的能量增加， C、原子的能量减少，电子的动能减少 、原子的能量减少， D、原子的能量减少，电子的动能增加 、原子的能量减少，
E1 = −13.6eV
nLeabharlann n2这表明电子在外轨道的能级高于电子在内轨道时的 能级。 能级。又根据原子由 高能级向低能级跃迁要放出一 个光子， 个光子，原子由低能级向高能级跃迁要吸收一个光子 可见， 。可见，原子放出光子是电子由外轨道向内轨道跃迁 原子吸收光子是电子由内轨道向外轨道跃迁。 ，原子吸收光子是电子由内轨道向外轨道跃迁。
跃迁到n=4的能级时，辐射的光子的频 的能级时， 从n=5跃迁到 跃迁到 的能级时 率最小， 率最小，
课堂练习
1、玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有 、 A、原子处于称为定态的能量状态时 ， 虽然电子做加 、 原子处于称为定态的能量状态时， 速运动， 速运动，但并不向外辐射能量 B、原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核 、 运动相对应， 运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的 C、电子从一个轨道跃迁到另一轨道时 ， 辐射 （ 或吸 、 电子从一个轨道跃迁到另一轨道时，辐射（ 收）一定频率的光子 D、电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆 、 周运动的频率
玻尔的氢原子理论
玻尔的氢原子理论
为此,J.汤姆孙在1904年提出了原子结构的枣糕式模型.该模型认 为，原子可以看作一个球体，原子的正电荷和质量均匀分布在球内， 电子则一颗一颗地镶嵌其中.1909年，J.汤姆孙的学生卢瑟福为了验证 原子结构的枣糕式模型，完成了著名的α粒子散射实验.实验发现α粒 子在轰击金箔时，绝大多数α粒子都穿透金箔，方向也几乎不变，但 是大约有1/8 000的α粒子会发生大角度偏转，即被反弹回来.这样的 实验结果是枣糕式模型根本无法解释的，因为如果说金箔中的金原子 都是枣糕式的结构，那么整个金箔上各点的性质应该近乎均匀，α粒 子轰击上去，要么全部透射过去，要么全部反弹回来，而不可能是一 些穿透过去，一些反弹回来.
玻尔的氢原子理论
二、 原子结构模型
1897年，J.汤姆孙发现了电子.在此之前，原 子被认为是物质结构的最小单元，是不可分的，可 是电子的发现却表明原子中包含带负电的电子.那 么，原子中必然还有带正电的部分，这就说明原子 是可分的，是有内部结构的.执着的科学家就会继 续追问：原子的内部结构是什么样的？简洁的里德 伯光谱公式是不是氢原子内部结构的外在表现？
玻尔的氢原子理论
三、 玻尔的三点基本假设
为了解决原子结构有核模型的稳定性和氢原子光谱的分 立性问题，玻尔提出以下三个假设：
（1）定态假设.原子中的电子绕着原子核做圆周运动， 但是只能沿着一系列特定的轨道运动，而不能够任意转动， 当电子在这些轨道运动时，不向外辐射电磁波，原子系统处 于稳定状态，具有一定的能量.不同的轨道，具有不同的能 量，按照从小到大的顺序记为E1、E2、E3等.
玻尔的氢原子理论
可是这个模型却遭到很多物理学家的质疑.因为按照当时的物 理理论（包括经典力学、经典电磁理论及热力学统计物理），这 样一个模型是根本不可能的，原因有以下两个：
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。
氢原子光谱
0.529 1010 m
第n级轨道半径
rn n2 r1 (n 1,2,3)
电子轨道半径可能值为 r1 ， 4 r1 ， 9 r1 ， 16r1，... n2r16 1
2) 氢原子能量 选无穷远为电势能零点，半径为 rn 的电子 与原子核系统能量: En Ek E p 2 e 1 2 E k me n Ep 电子动能 系统势能 2 40 rn 2 1 e 2 原子能量 En me n 2 40 rn
H： 红色 656.210nm； Hg ： 青色 434.010nm； Hb ；深绿 486.074nm Hd ；紫色 410.120nm
1885 年瑞士数学家巴耳末把氢原子在可见光的谱 线归纳为巴耳末公式： 巴尔末公式 常数
n2 B 2 2 n 2
( n 3,4,5,6,)
6
B 364 .57nm
4
24
例：氢原子从n＝5 的激发态跃迁到基态， 能发射多少种不同的光子？
解：
由图可见，可能有10 种辐射光产生。
En E1 12.2 13.6 12.2 1.4eV
由
即
E1 n E1 / En 3.12 En 2 n n3 12.2eV的能量不能全部被吸收
当原子由这个能态跃迁回基态时，将有可 能发射三种不同波长的电磁波。
23
3→1
3→2
2→1
1 31 1/[1.097 10 (1 2 )](nm) 3 102.6nm 属于赖曼系 1 4 1 32 1/[1.097 10 ( 2 2 )](nm) 2 3 属于巴尔末系 656.3nm 1 4 21 1/[1.097 10 (1 2 )](nm) 2 属于赖曼系 121.5nm
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
原子不断地向外辐射能量， 能量逐渐减小，电子绕核旋转的
e
v
F
r + e
频率也逐渐改变，原子光谱应是
连续光谱；
由于原子总能量减小，电子 运动轨道越来越小，电子最终落
e
到原子核上，因此原子结构是一 个不稳定。
实验：①原子光谱是离散的线状光谱。
e +
②原子结构是稳定的。
四、玻尔氢原子的理论
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 m
原子辐射单 色光的波数
= 1
c
me 4
8
2 0
h3
c
(
1 m2
1 n2
)
式中： m 1,2,3 n m 1, m 2, m 3,
与
R
1 m2
实验氢-氘原子光谱
实验氢-氘原子光谱原子光谱的测定与分析，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。
1885年巴尔末（J. J. Balmer ）总结出了氢光谱线的经验公式。
1913年玻尔（N. Bohr ），1925年，海森伯（W.Heisenberg ）建立起他们的理论都是建筑在原子光谱的测量基础之上的。
现在，无论在工业生产部门还是在科学研究领域，原子光谱的观察、测定和分析都是研究原子结构、物质分析的重要方法之一。
在物理学、化学化工、材料、生命科学领域内有广泛的实际应用。
一 实验目的1．掌握WPG-100型平面光栅摄谱仪的工作原理和使用方法，学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。
2．通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长（误差小于0.5Å），验证巴耳末公式并准确测出氢（氘）的里德伯常数。
3．测量氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。
二 实验原理1．原子的激发与辐射原子内部的不同能量状态称为能级。
处于基态的原子可以吸收能量而跃迁到较高的能量状态，这个过程称为原子的激发。
原子也可以从较高的能级退到较低的能级或基态而放出能量，如果放出的能量取辐射形式，那么放出的能量就成为一个光子的能量hv ，这个过程称为原子的辐射。
要使原子发光必须先将它激发，原子激发的方式通常分为碰撞激发和光激发两种。
具有一定能量的电子、原子、分子与某原子相碰撞而使后者激发称为碰撞激发；原子吸收一个光子引起的激发称为光激发，即光的吸收过程。
本实验采用碰撞激发，它又分为热激发和电场引起的碰撞激发两种形式，前者指在高温下各原子有较大的运动速度，相互碰撞而产生激发，本实验的铁光谱就是这种方式产生的。
电场引起的碰撞激发是带电粒子在电场作用下加速运动，与原子发生非弹性碰撞使原子激发，氢（氘）光谱就是采用这种方式产生的。
2．氢原子光谱的实验规律早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据，发现氢原子光谱可用一个普通的公式表示，即⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2211~n mR v （1）其中：m 取1、2、3、4、5等正整数，每一个m 值对应一个光谱线系，如当m=2时便得到谱线在可见光和近紫外区的巴耳末线系；n 取m+1、m+2、m+3、…等正整数，每一个n 值对应一条谱线；R 称为里德伯常数。
18.3 氢原子光谱
【自主解答】 (1)巴耳末系中第一条谱线为 n
＝3 时，
即λ11＝R212－312
R＝53λ61＝5×6563.56×10－9m－1≈1.097×107m－1. (2)巴耳末系中第四条谱线对应 n＝6，则
λ14＝R212－612
λ4＝8×1.03967×107m≈4.102×10－7m，
早在17世纪，牛顿就发现了日光 通过三棱镜后的色散现象，并把实验 中得到的彩色光带叫做光谱。
一、光谱
1．定义： 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按
波长展开，获得光的波长（频率）和强度 分布的记录，即光谱．
2．分类： （1）有些光谱是一条条的亮线，这样的 亮线叫谱线，这样的光谱叫线状谱． （2）有的光谱不是一条条分立的谱线， 而是连续在一起的光带，这样的光谱叫做 连续谱
如白炽灯，故B错.
4.下列关于光谱的说法正确的是( ) A.炽热固体、液体和高压气体发出的光谱是连续谱 B.各种原子的线状谱中的明线和它的吸收谱中的暗线必 定一一对应 C.气体发出的光只能产生线状谱 D.甲物质发出的白光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物 质的吸收光谱
【解析】选A.由于通常看到的吸收光谱中的暗线比线状 谱中的明线要少一些，所以B不对.而气体发光时，若是 高压气体发光形成连续光谱，若是稀薄气体发光形成线 状谱，故C也不对.甲物质发出的白光通过低温的乙物质 蒸气后，得到的是乙物质的吸收光谱，所以D错误,答案 为A.
对原子光谱的理解 例1 对原子光谱，下列说法正确的是( ACD )
A．原子光谱是不连续的 B．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种 原子的原子光谱是相同的 C．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子 光谱也不相同 D．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元 素
第三节氢原子光谱
R(
1 22
1 n2
)
n=3，4，5，6……
其中R称为里德伯常量
R 1.097 10 m 对于氢原子
7
-1
注意表达的顺序,因为不同
的原子,该常数也不同.
氢原子光谱的实验规律
H
H H H
H
656.3n m 486.1n m 434.1nm 410.2nm 364.6nm
n=3
n=4
不同的m对应不同的谱系；当m一定时，每 T (n)
式中
T
(m)
R m2
，
T
(n)
R n2
称为光谱项
６、原子光谱
氢原子光谱只是众多原子光谱中最简单的一种，下图列出 了钠、氦和汞等原子的光谱。
科学家观察了大量的 原子光谱，发现每种原子都有 自己特定的原子光谱。不同的原子，其原子光谱均不相同， 因而，原子光谱被称为原子的“指纹”。我们可以通过对 光谱的分析鉴别不同的原子，确定物体的化学组成并发现 新元素。
1 R( 42
1 n2
)
n=5，6，7，8……
普丰德系（红外区）1 R( 1 1 ) n=6，7，8，9……
52
n2
简称为莱巴帕布普. 请标出课本图3-3-4中帕邢系的4.5.6.7;强调n越小,波长越大
3、广义巴尔末公式
1
1 R( m2
1 n2 )
式中 m与n都是正整数，且 n > m.
莱区 用曼发一系现个（了简紫氢单原的外子公区的式）其表他示1线。系，R这(些11线2 系也n和12巴)耳n末=系2，一3样，可4，以5，…
17.3 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论2
巴尔末（ 巴尔末（Balmer）系 ） 赖曼（ 赖曼（Lyman）系 ） + 普芳德（ 普芳德（Pfund）系 ）
n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6
帕邢（ 帕邢（paschen）系 ）
布喇开（ 布喇开（Brackett）系 ）
三. 弗兰克 — 赫兹实验
按照玻尔（Bohr）理论，在原子内存在一系列分立的能级 分立的能级. ● 按照玻尔（Bohr）理论，在原子内存在一系列分立的能级. 1914年 夫兰克和赫兹（Frank德国物理学家) ● 1914年,夫兰克和赫兹（Frank-Hertz,德国物理学家) 进行了电子轰击汞原子的实验， 进行了电子轰击汞原子的实验， 证明了原子内部的能级的确是分立的。 证明了原子内部的能级的确是分立的。 充汞原子蒸汽 电子由阴级K发出， 电子由阴级K发出， 与栅极G之间有加速电场， K与栅极G之间有加速电场， 与接收极A之间有减速电场。 G与接收极A之间有减速电场。
h 角动量量子化假设 L = mvr = n = nh 2π
r
r v
2、玻尔对氢原子的诠释
1 e v 库仑力提供向心力 2 =m 4πε0 r r 由上两式得, 由上两式得, 第 n 个定态的轨道半径为 ε0h2 ) = n2r1 n = 1,2,3,L rn = n2 ( r2=4r1 πme 2 2 1 e r3=9r1 玻尔半径 r1 = 0.0529 nm E1 = 8πε0 r1 定态能量: 定态能量: 2 E1 -13.6 eV 1 e2 1 2 1 e2 1 e = 2 =− En = mv − =− 2 8πε0 n r1 n 2 4πε0 rn 8πε0 rn
（2） 跃迁假设 ）
原子从一个定态跃迁到另一定态， 原子从一个定态跃迁到另一定态，会 E 跃迁到另一定态 k 发射或吸收频率为 的一个光子
氢原子光谱的规律性巴尔末公式
波数：
1
n 3,4,
巴尔末系
（可见光）
1 1 RH 2 2 n 2
里德伯-里兹并合原则
RH 1.097 373 153 4 10 7 m 1 ―里德伯常量
1 1 RH 2 2 T (m) T (n) (n > m) m n RH 光谱项： T (n) 2
谱线的波数可以表示为两光谱项之差。
n
氢原子光谱中的其他谱线系： 1 1 赖曼系（1916） RH 2 2 （紫外光） n 1 帕邢系（1908）
（红外光）
n 2,3,
1 n 4,5, 1 RH 2 2 n 3
1 1 n 5,6, 布喇开系（1922） R 2 H 2 （红外光） n 4
r
e
v e F +
e
e +
2.玻尔理论的假设：
⑴ 原子中的电子只能在一些特定圆轨道上运动而不 辐射电磁波，这时原子处于稳定能量状态（定态）。
⑵ 电子在稳定圆轨道运动，轨道角动量呈量子化。
h L mvr n 2 n 1,2,3,
—量子化条件 —主量子数
⑶ 当原子从一个能量为En的定态跃迁到能量为Em 的定态时，要发射或吸收一个频率为ν的光子。
§15-4 氢原子的玻尔理论
一、近代氢原子观的回顾 1、 氢原子光谱的规律性
H
Hα
H
Hβ
H H
Hγ Hδ
656.3nm
486.1nm 434.1nm 410.2nm
n2 巴尔末公式： 364.56 2 nm (n 3,4,5,) 2 n 2 n 3 实验值 656.28 nm；计算值 656.21 nm
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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c
或M (T )d 2 c
作出理论曲线与实验曲线比较： 1)在低频(长波)部分符合很好； 2)在高频(紫外)部分出现巨大分歧. 实验指出: , M (T ) 0 理论得到: , M (T ) (紫外光灾难）
4
kTd
五、普朗克假设、黑体辐射公式
1、假设:金属空腔壁上带电谐振子(电子)只 吸收或发射 的整数倍的能量 ,即 h 能量的变化不连续.
频率为 的谐振子,其能量只能取 一系列不连续的值。
等 nh
——能量量子化假设
h 6.630 10
34
J s ——普朗克常数
2、普朗克辐射公式 3 2 h d M (T )d h 2
二、实验规律：
三、经典理论的困难
1、饱和电流强度与入射光强度成正比。 2、光电子的初动能随入射光频率线性增 加,与光的强度无关。 3、对给定金属，存在一截止频率。 4、光电子是即时发射的。 1、认为不存在 0,只要光强足够大,即能发生 光电效应.但实验证明:只要 不管光强 0 多大,都不会有光电子逸出。 2、认为电子吸收能量需要一定的时间积累, 但实验发现具有瞬时性。 3、光电子初动能应该与入射光强度成正比.
1 c e kT 与实验曲线符合的很好 “新概念”:能量量子化.开始人们不相信, 后来1905年爱因斯坦利用其发展了光量子 概念,成功解释了光电效应,才被人们普遍接 受,1918年获Nobel奖。
一、实验装置
20-2 光电效应
1、K—阴极,A—阳极,电子从K A在电路 中形成光电流。 2、光电效应:在入射光照射下,电子获得能量 从金属表面逸出。 3、遏止电压:电子能从K A,说明电子具有 动能;加反向电压,当 U U 0时, I 光 0, 此时Ek max eU0 4、饱和光电流 I s:加正向电压,使逸出金属表 面的电子全部到达阳极A,此时光电流为 最大值。
M (T ) M (T )d
0
二、黑体辐射
1、黑体:辐射(吸收)能力最强的物体,能全 部吸收一切外来辐射。 人造黑体模型:不透明材料制成的带小 孔空腔。 2、黑体的单色辐射强度(单色辐出度) M (T ) 1)意义:温度为T的黑体,在单位时间,单位面 d 积上,单位波长间隔 所辐射出的能量 . 定量说明了辐射强度的大小。
四、爱因斯坦的光量子理论
1、光量子:光可以看成是微粒—光量子组成 的粒子流,每个光子具有能量 . h 2、爱因斯坦光电效应方程：
1)瞬时性解释:单个电子完全吸收光子能量, 只要 ,就立即有光电子逸出 . 0 2)光电流I正比于光电子数目n和速度v,但n 是主要因素。 至此,爱因斯坦不仅完美解释了光电效应, 还使人们对光的本性的认识有了质的飞跃— —波动性兼具粒子性。
3、了解德布罗意的物质波假设及电子衍射实 验理解光和实物粒子的波粒二象性 4、理解描述物质波动性的物理量和粒子性的 物理量之间的关系。 5、了解波函数及其统计解释、不确定关系了 解一维定态薛定谔方程。
十九世纪末,经典物理学达到了相当完 善的程度,正当人们欢呼:“物理学的大厦 已经建成,以后人们的工作只是为其添砖 加瓦而已”之时,一些新的实验事实却使 物理学大厦的根基发生了动摇。 1、迈—莫实验否定了绝对参照系 (以太系)的存在； 2、热辐射现象中的 “紫外光灾难”； 3、放射性现象发现原子是可分的。 这些实验事实迫使科学家们抛弃以往惯用的 思维方法,重新思考物理学的基本概念,在曲折 艰苦的阵痛中终于诞生了相对论和量子论。
量子物理
主要内容：
1、黑体辐射;普朗克量子假设;光电效应 ;康普顿效应. 2、氢原子光谱的规律性;玻尔的氢原子理 论;夫兰赫兹实验. 3、德布罗意波;不确定关系. 4、量子力学简介. 5、激光 重点:黑体辐射、光电效应、康普顿效 应;氢原子光谱的规律性。
教学要求：
1、理解黑体、光电效应、康普顿效应及其实 验规律。 2、理解氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子 理论,并了解此理论的意义及其局限性。
2)测定黑体 M ( 实验原理 T)
三、黑体辐射定律
由黑体实验 M (T )曲线可以看出 : 1、斯特藩—玻尔兹曼定律： 1)黑体的 M (T )分布规律是温度 T的函数, 与材料无关。 2)温度T时,在单位时间、单位面积上 的总辐射能 M (T ： ) M (T ) M (T )d 曲线下面积 0 1879年,斯特藩从实验中发现此规律,五年 后玻尔兹曼从理论上得到：
20-1 黑体辐射 普朗克量子假设 一、热辐射现象
1、热辐射:决定于物体温度的电磁辐射. 2、平衡热辐射:辐射与吸收平衡,温度恒定. 3、描述热辐射的物理量 单色辐射强度：在单位时间内从物体表 面单位面积上、单位波长间隔内所辐射 出的能量 M (。 T) 总辐射能：在单位时间内从物体表面单 位面积上辐射的各种波长的能量
W0 1 2 h W0 mv 截止频率 0 h 2
20-3 康普顿效应 一、实验装置 二、实验结果
三、对康普顿效应的解释
表明:x射线通过物质散射时,波长发生变化 ,散射后的波长有两个峰值,一个与原来波长 相同,另一个 与散射角有关。
5.670 10 w / m k ( J / s m k )
M (T ) M (T )d T 4
0
M (T ) T 4
2 4
8
2
4
2、维恩位移定律
曲线峰值对应的
m , T , m
1893年,维恩得到他们之间关系 ： 3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱmT b
b 2.898 10 m k
向短波方向移动;
表明: 1)T , M (T ) —曲线m
2) M (T ) M (T )
2 M (T ) M (T ) c T , M (T ) 曲线 m 向高频方向移动
四、瑞利—金斯公式 经典物理的困难