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1 第八章 现代光学基础 主讲：周自刚 Ph.D. 西南师范大学光电所 Email:zigzhou@163.net
原子发光 玻尔提出原子模塑的背景 卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了a粒子 的散射实验,初步建立了原子结构的正确图景,但 跟经典的电磁理论发生了矛盾。 1、原来,电子没有被库仑力吸引到核上,它 定是以很大的速度绕核运动,就象行星绕着太阳运 动那样。按照经典理论,绕核运动的电子应该辐射 出电磁波,因此它的能量要逐渐减少。随着能量的 减少,电子绕核运行的轨道半径也要减小于是电子 将沿着螺旋线的轨道落λ原子核,就像绕地球运动 的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落 到地面上一样。这样看来,原子应当是不稳定的, 然而实际上并不是这样
2 卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了a粒子 的散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但 跟经典的电磁理论发生了矛盾。 1、原来，电子没有被库仑力吸引到核上，它一 定是以很大的速度绕核运动，就象行星绕着太阳运 动那样。按照经典理论，绕核运动的电子应该辐射 出电磁波，因此它的能量要逐渐减少。随着能量的 减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小于是电子 将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动 的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落 到地面上一样。 这样看来，原子应当是不稳定的， 然而实际上并不是这样。 一、玻尔提出原子模型的背景： 8.1 原子发光的机理
2、同时,按照经典电磁理论,电子绕核运行时 辐射电磁浪的频率应该等于电子绕核运行的频率, 随着运行轨道半径的不断变化,电子绕核运行的 频率要不断变化,因此原子辐射电磁浪的频率也 要不断变化。这样,大量原子发光的光谱就应该 是包含一切频率的连续谱。 以上矛盾表明,从宏观现象总结出来的经典 电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观 现象。为了解决这个矛盾,1913年玻尔在卢瑟福 学说的基础上,把普郎克的量子理论运用到原子 系统上,提出了玻尔理论
3 2、同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时 辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率， 随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的 频率要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也 要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该 是包含一切频率的连续谱。 以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典 电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观 现象。为了解决这个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福 学说的基础上，把普郎克的量子理论运用到原子 系统上，提出了玻尔理论
二、玻尔理伦的主要内容: 1、原子只能处于一系列不连续的能量状态中 这些状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动 并不向外辐射能量。这些状态叫定态。 2、原子从一种定态(设能量为E初)跃迁到另 种定态(设能量为E终)时,它辐射(或吸收 定频率的光子,光子的能量由这两种定态的 能量差决定,即 hy E- E 3、原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨 道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的,因 此电子的可能轨道的分布也是不连续的
4 二、玻尔理论的主要内容： 1、原子只能处于一系列不连续的能量状态中， 在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动， 但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。 2、原子从一种定态（设能量为E初）跃迁到另 一种定态（设能量为E终）时，它辐射（或吸收） 一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的 能量差决定，即 h v E初 E终 3、原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨 道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因 此电子的可能轨道的分布也是不连续的
三、玻尔计算出氨的电子的各条可 能轨道半橙和电子在各条轨道上适劭 时的能量(包指动能和费能)公式 轨道半径:In=nr(n=1,2,3.…) 能1n2E1( n=1.23 (以无穷远作为零电势参考位置的能量关系) 式中r1、E1、分别代表第一条(即离核最近 的)可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动 时的能量,rn、En分别代表第n条可能轨道的 半径和电子在第n条轨道上运动时的能量,n
5 三、玻尔计算出氢的电子的各条可 能轨道半径和电子在各条轨道上运动 时的能量（包括动能和势能）公式： rn=n r1 2 轨道半径： （n=1,2,3……) 能 量： En n 2 1 E1（n=1,2,3……) 式中r1、E1、分别代表第一条（即离核最近 的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动 时的能量，rn、En 分别代表第n条可能轨道的 半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是 正整数，叫量子数。 （以无穷远作为零电势参考位置的能量关系）
n四、氨原子的能級圜 -0.54无 128eV 0.85 12.1eV3 1.51 102eV2 3.4处 放 吸收能量 出 能 候 量 Oev 13.6
6 四、氢原子的能级图： －－－－－－－－－－－－－－－－－ １ ２ ３ ４ ５ -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 eV n E ∞ 以 无 穷 远 处 为 参 考 位 置 0eV 10 .2eV 12 .1eV 12 .8eV 吸 收 能 量 放 出 能 量
五、能级 1、能级:氢原子的各个定态的能量值,叫它 的能级。(从能级图中总结各定态的能量特点 2、基态:在正常状态下,原子处于最低能级 这时电子在离核最近的轨道上运动,这种定态 叫基态。 3、激发态:除基态以外的能量较高的其他能 级,叫做激发态。 4、原子发光现象:原子从较高的激发态向较低 的激发态或基态跃迁的过程,是辐射能量的过 程,这个能量以光子的形式辐射出去,这就是 原子发光现象
7 4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低 的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过 程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是 原子发光现象。 五、能级 1、能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它 的能级。（从能级图中总结各定态的能量特点） 2、基态：在正常状态下，原子处于最低能级， 这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态 叫基态。 3、激发态：除基态以外的能量较高的其他能 级，叫做激发态
1、对玻尔理论的下列说法中,正确的是(ABCD) A、继承了卢瑟福的原子模型,但对原子能量 和电子轨道引入了量子化假设 B、对经典电磁理论中关于“做加速运动的电 荷要辐射电磁波”的观点提出了异议 C、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与 原子能量变化之间的定量关系 D、玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用 经典电磁理论和牛顿力学计算出来的
8 1、对玻尔理论的下列说法中，正确的是（ ） A、继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量 和电子轨道引入了量子化假设 B、对经典电磁理论中关于“做加速运动的电 荷要辐射电磁波”的观点提出了异议 C、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与 原子能量变化之间的定量关系 D、玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用 经典电磁理论和牛顿力学计算出来的 ABCD
2、下面关于玻尔理论的解释中,不正确的说法 是(C A、原子只能处于一系列不连续的状态中,每 个状态都对应一定的能量 B、原子中,虽然核外电子不断做加速运动 但只要能量状态不改变,就会向外辐射能量 C、原子从一种定态跃迁到另一种定态时, 定要辐射一定频率的光子 D、原子的每一个能量状态都对应一个电子轨 道,并且这些轨道是不连续的
9 2、下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法 是（ ） A、原子只能处于一系列不连续的状态中，每 个状态都对应一定的能量 B、原子中，虽然核外电子不断做加速运动， 但只要能量状态不改变，就会向外辐射能量 C、原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一 定要辐射一定频率的光子 D、原子的每一个能量状态都对应一个电子轨 道，并且这些轨道是不连续的 C
3、根据玻尔理论,氢原子中,量子数越大,则下列 说法中正确的是(ACD) A、电子轨道半径越大B、核外电子的速率越大 C、氢原子能级的能量越大D、核外电子的电势能越大 4、根据玻尔的原子理论,原子中电子绕核运动的半 径(D) A、可以取任意值B、可以在某一范围内取任意值 C、可以取一系列不连续的任意值 D、是一系列不连续的特定值
10 3、根据玻尔理论，氢原子中，量子数N越大，则下列 说法中正确的是（ ） A、电子轨道半径越大 B、核外电子的速率越大 C、氢原子能级的能量越大 D、核外电子的电势能越大 4、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半 径（ ） A、可以取任意值 B、可以在某一范围内取任意值 C、可以取一系列不连续的任意值 D、是一系列不连续的特定值 D ACD