3类氢离子夫兰克赫解析.pptx

波尔氢原子理论：波尔氢原子理论：1.1.原子只能较长久的停留在一些稳定状态（定态）。原子只能较长久的停留在一些稳定状态（定态）。处于这些态时不辐射能量或吸收能量；定态对应一定的处于这些态时不辐射能量或吸收能量；定态对应一定的能量，数值是彼此分隔的。原子能量发生改变时只能使能量，数值是彼此分隔的。原子能量发生改变时只能使原子由一个定态跃迁到另一定态。原子由一个定态跃迁到另一定态。2.2.原子由一个定态跃迁到另一个定态发射或吸收辐射原子由一个定态跃迁到另一个定态发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的，由两定态的能量差决定。时，辐射频率是一定的，由两定态的能量差决定。玻尔理论的最主要成功之处是：玻尔理论的最主要成功之处是：（1）它从理论上满意地解释了氢光谱的经验规律里德伯公式。（2）它用已知的物理量计算出了里德伯常数，而 且和实验值符合得较好。（3）它较成功地给出了氢原子半径的数据。（4）它定量地给出了氢原子的能级。2.4、类氢离子光谱、类氢离子光谱1.1.类氢离子类氢离子：原子核外边只有一个电子的原子体系原子核外边只有一个电子的原子体系 氦离子氦离子He+、锂离子、锂离子Li+、铍离子、铍离子Be+毕克林线系毕克林线系 毕克林系：毕克林系：a每隔一条谱线和巴耳末系的谱线差不多重合，每隔一条谱线和巴耳末系的谱线差不多重合，但另有上些谱线位于巴耳末系的邻近线之间但另有上些谱线位于巴耳末系的邻近线之间b毕克林系与巴耳末系差不多重合的那些谱线显毕克林系与巴耳末系差不多重合的那些谱线显然稍有波长的差别然稍有波长的差别里德堡指出：毕克林系可以用下列公式代表：里德堡指出：毕克林系可以用下列公式代表：即，即，k为半整数为半整数 玻尔理论的解释玻尔理论的解释设，设，n1，则，则，n2,，令令n=n2/2,则则 n=2.5,3,3.5 有有对类氢离子的光谱都可能表示成：对类氢离子的光谱都可能表示成：对一个对一个n1，则可以取，则可以取n2 n1+1,n1+2,里德堡常数的变化里德堡常数的变化a从类氢离子的光谱式可知，只要取合适的光谱从类氢离子的光谱式可知，只要取合适的光谱项，不同光谱中的有些线能够重合，但实际上不项，不同光谱中的有些线能够重合，但实际上不是这回事，原因来自于，的不同来自哪里？是这回事，原因来自于，的不同来自哪里？分析可知是由于原子核质量的改变分析可知是由于原子核质量的改变 b原子中的电子和原子核绕二者的质心运动原子中的电子和原子核绕二者的质心运动在这种情况下讨论问题，利用玻尔理论在这种情况下讨论问题，利用玻尔理论 有有由玻尔理论：角动量量子化：由玻尔理论：角动量量子化：令令 可得可得可以得到可以得到：r=此时二粒子所受向心力是此时二粒子所受向心力是再计算原子体系的能量：再计算原子体系的能量：与与H原子波数公式比较可原子波数公式比较可以得到以得到：代入代入r值有：值有：进一步可得到光谱系的公式进一步可得到光谱系的公式当当时有时有结论：结论：较准确的较准确的 ：各种原子的里德伯常数是不同的，是随着原各种原子的里德伯常数是不同的，是随着原子核的质量子核的质量M而改变的。而改变的。有了精密的有了精密的 值，又可以计算还没有测定的值，又可以计算还没有测定的某些原子的里德伯常数。某些原子的里德伯常数。里德伯常数随着原子核质量变化的情况曾被用里德伯常数随着原子核质量变化的情况曾被用来证实来证实H的同位素氘的存在。的同位素氘的存在。按照玻尔（按照玻尔（Bohr）理论，在原子内存在一系列分立）理论，在原子内存在一系列分立的能级，如果吸收一定的能量，就会从低能级向高的能级，如果吸收一定的能量，就会从低能级向高能级跃迁，从而使原子处于激发态，而激发态的原能级跃迁，从而使原子处于激发态，而激发态的原子回到基态时，也必然伴随有一定频率的光子向外子回到基态时，也必然伴随有一定频率的光子向外辐射。光谱实验从电磁波发射或吸收的分立特征，辐射。光谱实验从电磁波发射或吸收的分立特征，证明了量子态的存在，而夫兰克证明了量子态的存在，而夫兰克-赫兹（赫兹（Frank-Hertz）实验用一定能量的电子去轰击原子，把原子）实验用一定能量的电子去轰击原子，把原子从低能级激发到高能级，从而证明了能级的存在。从低能级激发到高能级，从而证明了能级的存在。2.4 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验在玻尔理论发表的第二年，即在玻尔理论发表的第二年，即1914年，夫兰年，夫兰克和赫兹进行了电子轰击汞原子的实验，证克和赫兹进行了电子轰击汞原子的实验，证明了原子内部能量的确是量子化的。可是由明了原子内部能量的确是量子化的。可是由于这套实验装置的缺陷，电子的动能难以超于这套实验装置的缺陷，电子的动能难以超过过4.9ev，这样就无法使汞原子激发到更高的，这样就无法使汞原子激发到更高的能态，而只得到汞原子的一个量子态能态，而只得到汞原子的一个量子态 4.9ev。1920年，夫兰克改进了原来的实验装置，把电子的年，夫兰克改进了原来的实验装置，把电子的加速与碰撞分在两个区域内进行，获得了高能量的加速与碰撞分在两个区域内进行，获得了高能量的电子，从而得到了汞原子内一系列的量子态。电子，从而得到了汞原子内一系列的量子态。夫兰克夫兰克-赫兹实验的结果表明，原子被激发到不同赫兹实验的结果表明，原子被激发到不同状态时，吸收一定数值的能量，这些数值是不连续状态时，吸收一定数值的能量，这些数值是不连续的。即原子体系的内部能量是量子化的，原子能级的。即原子体系的内部能量是量子化的，原子能级确实存在。确实存在。一、夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验1实验装置实验装置 电压电子的能量（）增加 能够到达A极的电子增加电流 夫兰克-赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞.电子由阴级K发出，K与栅极G之间有加速电场，G与接收极A之间有减速电场。当电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场，就成为电流计的电流。2 2实验结果实验结果电电流流突突然然下下降降时时的的电电压压相相差差都都是是4.9V4.9V，即即，KGKG间间的的电电压压为为4.9V4.9V的的整整数数倍倍时时，电电流流突突然然下降。下降。4.9eV是不是Hg原子的第一激发态与基态之间的能级之差呢？3 3分析和结论分析和结论Hg原子只吸收4.9eV的能量。这就清楚地证实了原子中量子态的存在，原子的能量不是连续变化的，而是由一些分立的能级组成。HgHg原子的第一激发电势为原子的第一激发电势为4.9V4.9V。实验中观察到的这个光谱线测得波长是实验中观察到的这个光谱线测得波长是2537埃埃为什么更高的激发态未能得到激发？二、改进二、改进夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验（19201920）由于原试验装置的缺陷，难以产生高能量电子，夫兰克由于原试验装置的缺陷，难以产生高能量电子，夫兰克对装置进行了改进。将加速和碰撞分在两个区进行。对装置进行了改进。将加速和碰撞分在两个区进行。实验结果显示出原子被激发到不同状态时，吸收一定数值实验结果显示出原子被激发到不同状态时，吸收一定数值的能量，这些数值不是连续的，可见原子内部的能量是量的能量，这些数值不是连续的，可见原子内部的能量是量子化的，证实了原子能级的存在。子化的，证实了原子能级的存在。当 4.68，4.9，5.29，5.78，6.73V时，下降。结果：结果：分析：分析：4.9V是已测得的第一激发电势，是已测得的第一激发电势，6.37V有相应的光谱线被观察到，波有相应的光谱线被观察到，波长是长是1849埃，其余的相当于原子被激埃，其余的相当于原子被激发到一些状态，但是很难发生自发跃发到一些状态，但是很难发生自发跃迁而发出辐射，所以光谱中没有相应迁而发出辐射，所以光谱中没有相应谱线，这些状态称为亚稳态。谱线，这些状态称为亚稳态。结论：结论：三三.电离电势的测定电离电势的测定电离电势：电子在电场中加速后与原子碰撞刚电离电势：电子在电场中加速后与原子碰撞刚好使原子电离，加速时跨过的电势差称为电离好使原子电离，加速时跨过的电势差称为电离电势。电势。第一电离电势：从中性的原子中把一个电子电第一电离电势：从中性的原子中把一个电子电离出去需要的电压。其对应的能量即为第一电离出去需要的电压。其对应的能量即为第一电离能。离能。电离电势的测量：电离电势的测量：2.6 量子化通则量子化通则1玻尔玻尔H原子理论原子理论 H原子中电子能够实现的轨道是在一个周期内原子中电子能够实现的轨道是在一个周期内 n=1,2,3,4,2.索末菲的量子化通则索末菲的量子化通则对一切微观粒子的广义动量与广义位移的乘积在一对一切微观粒子的广义动量与广义位移的乘积在一个周期内的积分等于普朗克常数的整数倍，即个周期内的积分等于普朗克常数的整数倍，即 n=1,2,3,4,3.验证验证 a.H原子中的电子原子中的电子 b.谐振子辐射（线性）谐振子辐射（线性）谐振子的运动：谐振子的运动：速度：速度：但是，由旧量子理论知，谐振子向外辐射能量但是，由旧量子理论知，谐振子向外辐射能量时，外辐射的能量为时，外辐射的能量为即得线性谐振子向外辐射能量时满足索末菲量子化即得线性谐振子向外辐射能量时满足索末菲量子化条件条件。证明该条件是可以广泛应用的量子法则。证明该条件是可以广泛应用的量子法则。