《原子物理学》(褚圣麟)第二章 原子的能级和辐射.ppt

重 点 玻尔氢原子理论、类氢离子光谱 夫兰克—赫兹实验 量子化通则 空间量子化 旧量子数的取值范围和所表征的物理量表达式 玻尔的对应原理 2.1 玻尔理论的实验基础 一、 黑体辐射 普朗克能量子 分子是由带电粒子组成的，所以当分子热运动时将有电磁波辐射。这种辐射与温度有关，又称热辐射。 热辐射可以在任何温度下发生，其显著的特征是，辐射谱是连续的，即含有各种波长的电磁波成份。 物体除因热运动向外辐射电磁波外，还具有吸收和反射电磁波的本领。如果从物体辐射出去的能量正好等于它所吸收的能量，那么物体和辐射场之间处于热平衡状态，具有同一个温度T。 若处在平衡态的物体的吸收本领很强，那么它的辐射本领也一定很强。对于吸收比 吸收的电磁能量与入射的电磁能量之比 为1的物体 全吸收不反射 称为黑体。黑体也是最好的辐射体，因此研究黑体的辐射最有意义。 事实上用不透明的材料制成一个开小孔的空腔就可看作是一个实际的黑体。空腔内的热平衡辐射称黑体辐射。测量从空腔小孔泻流出来的电磁能流，就可以获得空腔内热平衡辐射的信息——黑体辐射的能量密度 . 1 光谱知识 光 谱 种 类 按波长分：红外光谱、可见光谱、紫外光谱 按产生分：原子光谱、分子光谱； 按形状分：连续光谱、线状光谱和带状光谱 棱镜光谱仪示意图 2、频率条件 氢原子的轨道和能级 四、非量子化轨道跃迁——连续谱的形成 电子从非量子化轨道跃迁到一个量子化的轨道，原子发射光子的能量为 第一项可以是从0起的任何正值，第二项是相当于一个谱线系限的能量。 光的频率可以连续变化。 毕克林系与巴尔末系比较图 玻尔理论成功的解释了氢原子和类氢离子光谱的实验规律。关键在于：这个理论中提出了能量量子化的假设，即原子内部存在着一系列不连续的稳定状态—能级。 椭圆轨道的量子化条件 椭圆轨道的相对大小 一个电子轨道的进动 展成级数形式得： § 2 .6 空间量子化与史特恩—盖拉赫实验 一、电子轨道运动的磁矩 1.电子的轨道磁矩的经典表示式 二、轨道取向量子化理论： 轨道的方向量子化 三、史特恩—盖拉赫实验 史特恩—盖拉赫实验的仪器示意图 方法：基态银原子束以相同的速度方向通过 与速度方向垂直的不均匀磁场，不同 ?Z的原子受力不同，因而落在照相底 片上位置不同。由底片上银原子的分布 情况可以判断?Z的分布情况。 （3）用其它原子来做实验时，测出?等 于?B的整数倍，原子束也分成若干 束。具有空间量子化特性。 小 结 §2 .7 玻尔对应原理 一、玻尔对应原理 二、玻尔理论的成功之处 三、玻尔理论的困难 四、波尔理论与量子力学主要结论对比表 一、玻尔对应原理 原 因 1、理论内在的不统一，不是自洽的。一方面提出了与经典理论完全矛盾的假设。另一方面又认为经典理论（牛顿定律、仑定律）适用。所以不是一贯的量子理论，也不是一贯的经典理论，而是量子论 + 经典理论的混合物。 一、玻尔的氢原子理论 椭圆轨道量子化 椭圆轨道特征 存在问题：理论上预言应分为2n??+1束,即 奇数束。实验上是两束，为偶数。为什么？ 实 验 装 置 例 磁矩在非均匀磁场B中如同电偶极子在非均匀电场中一样，质心会受力作用产生运动，如沿z方向磁场不均匀，则有 原子进入非均匀磁场l中，沿x方向不受力,作匀速运动。x＝v0t。沿Z方向作匀加速运动： 在x＝l1处 原子不受力，作自由运动。经l后沿Z偏移为 在l段 原子沿Z总位移 原子蒸气被送入不均匀磁场后，发射的原子束将分裂为多束。这证明了原子磁矩 μz 的空间量子化行为。但实验发现H（基态）原子（T 7×104K,kT 9.0eV 10.2eV）进入史特恩－盖拉赫装置后分裂为两束；基态氧原子分裂为五束，汞原子束不分裂。 按照H原子理论，基态H是1s，l＝0，m＝0, μz ＝0,不受力，不会分裂为二。 实验发现 如何解释这一矛盾呢？ 一、电子轨道运动的磁矩 二、轨道取向量子化理论 三、史特恩—盖拉赫实验 他们让加速后的低能电子与 汞原子碰撞，发现当栅压小于4.9v时，碰撞是弹性的，电子与汞原子（质量很大）碰撞损失能量很少。板极电流随栅压v增加而上升；当栅压上升到4.9伏时，电流突然下降。如图所示 4.9V 二、实验过程 这个现象说明发生了非弹性碰撞，电子的4.9ev能量被汞原子全部吸收了。这个能量正是汞原子从基态跃迁至低激发态所需的能量，它正对应着两个能级之差。当汞原子从该激发态向下跃迁时，还会出现相应的253.7nm的紫外光谱线。 在这个实验装置中，加速电子只要达到4.9ev，就被汞原子全部吸收了；因此不可能出现大于4.9ev能量以上的非弹性碰撞，故不能观察汞原子的更高激发态。为此他们作了进一步改进，如图所示 三、实验结果与分析 改进的实验装置主要是把