原子物理学第二章原子的能级和辐射

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1、2.1光谱---研究原子结构的重要手段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）光谱仪将混合光按不同波长成分展开成光谱的仪器。按光谱结构分类连续光谱固体热辐射线光谱原子发光第二章原子的能级和辐射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，包含内部结构信息连续光谱线状光谱太阳光谱钠的吸收光谱NaHHgCu2.2氢原子的光谱实验规律一．氢原子光谱的线系1.巴尔末系光谱的研究从1853年Angstron发现开始。18

2、85年，已观察到14条谱线，Balmer经验公式线系限1890年Rydberg用波数改写:氢原子的Rydberg常数巴尔末线系限：2.H原子光谱的其它线系（远紫外）赖曼系：（红外三个线系）帕邢系：布喇开系：普丰特系：这些经验公式是否反映了原子内部结构的规律性？？线系的一般表示：令：光谱项并合原则：每一谱线的波数差都可表达为二光谱项之差2.3玻尔氢原子理论一、经典理论的困难1．经典理论（行星模型）对原子体系的描述库仑力提供电子绕核运动的向心力：原子体系的能量：电子轨道运动的频率：2．经典理论的困难!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

3、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:电子绕核运动频率电磁波频率等于电子回转频率，发射光谱为连续谱。描述宏观物体运动规律的经典理论,不能随意地推广到原子这样的微观客体上。必须另辟蹊径！二、玻尔的基本假设氢原子光谱的经验公式：两边同乘：物理含义左边：为每次发射光子的能量；右边：也必为能量，应该是原子在辐射前后的能量之差原子的能量仍采用负值，则原子能量的一般表示：玻尔基本假设(1913年)(1)定态（stationarystate）假设电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电磁波，能量稳定。电子轨道和能量分立(2)跃迁（transiti

4、on）假设吸收发射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。频率条件吸收吸收hn跃迁频率：一个硬性的规定常常是在建立一个新理论开始时所必须的。(3)角动量量子化假设为保证定态假设中能量取不连续值，必须取不连续值，如何做到？玻尔认为：符合经典力学的一切可能轨道中，只有那些角动量为的整数倍的轨道才能实际存在。三、关于氢原子的主要结果1、量子化轨道半径圆周运动：电子定态轨道角动量满足量子化条件：氢原子玻尔半径轨道量子化电子的轨道半径只能是，，等玻尔半径的整数倍，即轨道半径是量子化的。电子的轨道运动速度：精细结构常数：有用的组合常数：2、量子化能量能量的数值

5、是分立的，能量量子化氢原子能级图激发态基态自由态基态（groundstate）激发态（excitedstate）电离能：将一个基态电子电离至少需要的能量。对氢,13.59eV.结合能：对氢原子（理论值）（实验值）3、氢原子光谱赖曼系巴耳末系帕邢系电子轨道4、非量子化轨道跃迁——连续谱的形成连续谱是由自由电子与氢离子结合形成氢原子时产生的光谱。俘获前：俘获后：电子处于氢原子某一能量状态，减少的能量以光子的形式辐射，频率连续分布,在线系限的短波方向。2.4类氢离子及其光谱原子核外只有一个电子的离子，但原子核带有Z>1的正电荷，Z不同代表不同的类氢体系。类氢离子毕克林

6、线系（1897年）1．类氢离子光谱He+，Li2+，Be3+，B4+，…Pickering从星光中发现类巴耳末系核电荷里德堡：宇宙氢谱线玻尔：He+谱线当m=4时，n=5,6,7,…..n〉4高的激发态，实验室条件下不易达到。n=4,6,8…..类似氢原子的巴尔末系，但不重合；n=5，7，9…..中间的谱线类氢离子光谱的正确解释，是玻尔理论被接受的一个关键问题。实验值2．原子核质量有限带来的修正两体问题两质点在相互作用下运动质心速度不变质心系质点1相对2的运动相当于固定2后质量为的质点的运动。Urey发现巴耳末系的双线结构，证实氘的存在，获1934年Nobel化

7、学奖1932年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)里德堡原子当多电子原子的外层一个电子被激发到量子数n很高激发态上时，它看到内层电子屏蔽后的剩余电荷是+e，所以可以借助玻尔氢原子理论描述。这样的原子称里德堡原子。这样的原子半径很大，对n=250，r250~3.3µm接近细菌大小；其寿命也很长，τ正比于

8、n4.5；但能级间距十分