第一章原子的基本狀況

1、§2.4 類氫離子光譜,類氫離子：類似氫原子的離子,如：氦離子He+、鋰離子Li++、鈹離子Be+++ …,1. 畢克林線系及其經(jīng)驗規(guī)律,1897年，天文學(xué)家畢克林在星光譜中發(fā)現(xiàn)。,相同之處：核外只有1個電子。不同之處：核電荷數(shù)Z和核質(zhì)量.,1,里德伯指出畢克林系譜線的波數(shù)可表示為：,當(dāng)時有人認(rèn)為：畢克林線系屬于氫，由于在實驗室中觀察不到這類譜線，因此是由星體特殊條件下存在的一種不同于地球上的氫----宇宙氫 產(chǎn)生。,

2、2. 玻爾理論對He+光譜的解釋,玻爾認(rèn)為：畢克林線系屬于氦離子He+,He+與氫原子十分相似，不同之處：,核的質(zhì)量是氫的四倍，核電荷是氫的兩倍(Z=2),2,?,?,?,畢克林線系,?,1912年，有人在氫中摻雜一些氦的實驗中，發(fā)現(xiàn)了這些譜線，后來又在純氦的實驗裝置中發(fā)現(xiàn)了這些譜線，而在純氫的裝置中始終找不到它們，這就完全證明了玻爾的觀點。,3,m=1,n=2,3,4,…，遠(yuǎn)紫外區(qū)，1916年由賴曼發(fā)現(xiàn)；,當(dāng)m等于不同整數(shù)時，代表氦

3、離子的各種譜線系：,m=4,n=5,6,7,…，畢克林系，1897年由畢克林發(fā)現(xiàn)；,m=2,n=3,4,5,…，遠(yuǎn)紫外區(qū)，1916年由賴曼發(fā)現(xiàn)；,m=3,n=4,5,6,…，λ4686系，1916年由福勒發(fā)現(xiàn)；,Li++(Z=3)：,Be+++(Z=4)：,一般：,4,,問題：,?當(dāng)n=6,8,10,……等偶數(shù)時，畢克林線系與巴耳末線系幾乎重合，但波長稍短。其原因什么？,?氫原子中由玻爾理論計算得到的里德伯常數(shù)和實驗結(jié)果的誤差超過了萬分

4、之五，其原因是什么？,5,原子核靜止 ? 電子繞核做圓周運動,3. 里德伯常數(shù)的修正 折合質(zhì)量,原子核運動 ? 電子和核繞它們的質(zhì)心運動,6,考慮到原子核的運動時:,(1)牛頓第二定律,----折合質(zhì)量,核不動時：,以?代替了m。,7,(2) 原子的能量,與核靜止的情況完全一致！,(3) 角動量量子化條件,核不動時：,以?代替了m。,可見，在三個基本公式中，只要用?代替m，就從原子核靜止的情況過渡到了原子核

5、運動的情況。,8,原子核靜止,原子核運動,電子質(zhì)量： m 折合質(zhì)量：?,9,當(dāng)M→∞時，可以認(rèn)為核不動：,里德伯常數(shù)的修正:,考慮核的運動，則RA隨原子核的質(zhì)量而變：,10,故畢克林線系中相近于巴耳末線系的那一組譜線都比氫原子相應(yīng)的譜線波長稍短些。,4. 氫的同位素——氘的證實,1932年，美國化學(xué)家尤雷發(fā)現(xiàn)所攝賴曼線系的頭四條譜線都是雙線，并利用里德伯常數(shù)與原子核質(zhì)量的相關(guān)性，肯定了氫的同位素——氘的存

6、在。,由于,則相應(yīng)譜線的波數(shù):,,波長:,11,,例1 如果氘和氫各自的H?線的波長分別是656.101nm 和656.280nm，試確定氘和氫的質(zhì)量比。,解：H?線即巴耳末線系的第一條譜線,?,12,?,?,例2 已知一對正負(fù)電子繞其共同的質(zhì)心轉(zhuǎn)動會暫時形成類似于氫原子結(jié)構(gòu)的“正電子素”或“電子偶素”。試計算“正電子素”的(1)第一玻爾軌道半徑，(2)基態(tài)能量，(3)電離電勢和第一激發(fā)電勢，(4)賴曼線系中的最長波長。,解：,

7、(1),13,?,(2),(3),(4),14,§2.5 夫蘭克-赫茲實驗與原子能級,1914年，德國物理學(xué)家夫蘭克和赫茲采取慢電子與原子碰撞的方法，測量到了汞的激發(fā)電位和電離電位，從而證明了原子能級的存在，這就是著名的F-H實驗。,,,設(shè)計思想：,電子與原子碰撞將進(jìn)行能量交換,若原子能量不連續(xù),原子吸收的能量不連續(xù),電子失去的能量不連續(xù),電子的能量變化不連續(xù),15,一、第一激發(fā)電勢的測定,1.實驗裝置,F-H管中充有 Hg

8、 蒸汽,電子從K射出,K、G之間碰撞、加速(UGK),G 、A 之間減速(UAG),當(dāng)電子進(jìn)入GA后，若剩余的能量大于eUAG，就能到達(dá)A，形成電流。,當(dāng)電子剩余的能量小于eUAG ，就不能到達(dá)A，電流將減小。即,電壓(UGK)??電子的能量(Ee=eUGK)??電流?,16,2.實驗結(jié)果,UGK為4.9V的整數(shù)倍時，電流突然下降。,3.分析和結(jié)論,電子與Hg原子相碰,原子的能量不是連續(xù)變化的。,? 不能到達(dá)A形成電流,? 將能量傳

9、遞給Hg原子,? 板極電流下降,? 當(dāng)外來能量達(dá)到4.9eV時，汞原子才吸收,17,Hg原子吸收能量后，從基態(tài)被激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)，所以Hg原子的E2-E1=4.9eV,實際上，在Hg原子光譜中，確實有一條波長為253.7nm的譜線，在實驗誤差范圍內(nèi)兩者重合。,Hg原子從第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)躍遷時發(fā)出光子的波長：,二、較高的激發(fā)電勢的測定,對儀器做三方面的改進(jìn)：,18,1．在K前加一極板，使電子均勻發(fā)射，從而把電子的能量測得更準(zhǔn)；,2．

10、在靠近K處加了一個柵極G1，建立一個無碰撞的加速區(qū)，使電子在KG1內(nèi)只加速不碰撞；,3．使Gl與G2處于同電位，建立一個等勢區(qū)來作為碰撞區(qū)，電子在G1G2內(nèi)只碰撞不加速 。,19,,實驗結(jié)果：,在4.68，4.9，5.29，5.78，6.73V處，I 下降。4.9V是第一激發(fā)電勢，其它的幾個激發(fā)電勢中，只觀察與6.73V相應(yīng)的光譜線，波長為184.9nm。,6.73V稱為第二激發(fā)電勢,未觀測到相應(yīng)光譜線的狀態(tài)比較穩(wěn)定→亞穩(wěn)態(tài),實驗結(jié)果表

11、明：原子體系的能量是量子化的。,即第二激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差為6.73eV。,20,三、電離電勢的測量,電離電勢：把電子在電場中加速，如使它與原子碰撞剛足以使原子電離，則加速時的電勢就叫電離電勢。,電離：若給予原子足夠大的能量，可以使原子中的電子離去。,例：基態(tài)氫原子電離電勢:,電離態(tài)：,氫原子的基態(tài)：,基態(tài)的電離能：,基態(tài)的電離電勢：,21,例：若用能量為12.6eV的電子去轟擊基態(tài)氫原子，試求氫原子所能達(dá)到的最高能態(tài)，在能級圖上標(biāo)出受