四、氢原子光谱和玻尔的量子论(§15-4)

    1. 原子的核型结构模型及其与经典理论的矛盾

    (1)  a粒子是氦原子核,是由放射性物质发射出来的带正电的微观粒子,a粒子的散射实验表示了a粒子与原子的相互作用,可以为原子的结构提供有用的信息:

    a)  绝大多数 a粒子几乎按原方向出射,偏转角只有2°~3° 。这表示原子内部是空旷的,a粒子从这个空间穿越,几乎不受到原子中电荷的作用;

    b)  个别 a粒子发生了大角度散射,甚至被反弹的现象表明,原子中心存在一个很小的坚实体,它集中了原子的几乎全部质量,并且带有正电荷,这个坚实体就是原子核。同时可以推断,既然原子核带正电,那么原子中等量的负电荷一定分布在原子核周围的空旷空间里。

    (2)  根据 a粒子散射实验,可以得到原子的核型结构模型假设;反之,根据原子的核型结构模型假设,又可以从理论上计算出散射 a粒子数随散射角的分布规律,并且由计算所得的规律与实验观测的结果的一致性,进一步证实了原子的核型模型假设的正确性。

    (3)  原子的核型结构模型与经典概念是不相容的,表现在下面两点:

    a)  按照经典理论,电子绕原子核旋转必定要辐射电磁波,并且所发射的电磁波是连续谱。实际上,通常情况下的原子并不辐射电磁波,只有从外界吸取了能量之后,才可能发射电磁波,并且发射的电磁波频谱是分立谱,不是连续谱;

    b)  随着系统自身能量的不断减少,电子绕核运动的轨道半径将随之减小,最后电子必定落在原子核上,可见,按照经典理论,原子的核型结构不是稳定结构。实际上,正常情况下的原子是十分稳定的。

    所以,原子的核型结构模型的建立,是向旧观念的又一次挑战,是人类认识上的又一次飞跃。

    (4)  核外电子沿一定轨道绕核运行的概念,是玻尔建立起来的。但是随着认识的不断深入,人们发现,核外电子的运动状态不能用轨道来表示,而只能用波函数来描述,这种波函数代表了电子在核外空间某处出现的概率。所以,人们常用另一个概念来形象地表示核外电子的分布,这就是“电子云”。“云层”浓密的地方,表示电子在该处出现的概率大;“云层”稀疏的地方,表示电子在该处出现的概率小。无论轨道,还是电子云,都是人们对核外电子状态的形象描述。

    2. 氢原子光谱的规律性

    (1)  组合原理是氢原子光谱规律性的反映,这个原理可以表示为:把对应于任意两个整数的光谱项组合起来,组成它们的差,就得到氢原子光谱中一条谱线的波数。学习时应注意以下两点。

    a)  组合原理不仅是氢原子光谱规律性的反映,其他原子光谱也具有类似的规律,只是对于不同的原子,光谱项的具体形式不同而已;

    b)  组合原理揭示了原子能量变化的不连续性。光谱线的波数遵从组合原理,说明原子只能发出某些特定频率的光子。进而推断,原子发光时能量变化不是任意的,只能变化到某些特定的能量状态。

    (2)  由组合原理可以得到光谱项的物理意义:因为任意一条谱线波数中包含了两个光谱项,它们分别与原子放出光子前、后的两个状态的能量相对应,所以光谱项实际上代表了原子所处状态的能量。

    3. 玻尔的量子论

    (1)  玻尔理论包含关于原子的核型结构模型的以下三个基本假设:

         a)  原子存在一系列不连续的稳定状态,即定态,处于这些定态中的电子虽作相应的轨道运动,但不辐射能量;

         b)  作定态轨道运动的电子的角动量L的数值只能等于的整数倍,这称为角动量量子化条件;

         c)  当原子中的电子从某一轨道跳跃到另一轨道时,就对应于原子从某一定态跃迁到另一定态,这时才辐射或吸取一相应的光子,光子的能量由下式决定:

                           hn = EA -EB .

式中EAEB 分别是初态和末态的能量,EA < EB 表示吸取光子,EA > EB 表示辐射光子。

    (2)  学习这部分内容时,应紧紧抓住上述三个基本假设。

    a)  从第一个假设出发,考虑到原子核对电子的库仑力提供了向心力,电子沿特定轨道围绕原子核作圆周运动,就对应于原子的一个稳定状态。当电子沿另一特定轨道运动时,就对应于原子的另一个稳定状态。电子就是处于这样一系列特定的轨道上运动,对应于原子的一系列不连续的稳定状态。原子处于这些稳定状态中的任意一个状态中,电子虽然在某个确定的轨道上作圆周运动,但不辐射能量。

    b)  考虑到第二个基本假设,既然电子的角动量是量子化的,那么电子的轨道半径、运动速度和原子的总能量等都必定也是量子化的。其中下面两个量子化公式显得更为重要些:

    电子轨道半径的量子化公式

                   ;

    氢原子能量的量子化公式

                   .

这种量子化的能量就称为能级,其中E1是氢原子的基态能量。

    c)  有了能级的概念后,根据第三个基本假设,就得到了氢原子的各个线系的光谱。

    (3)  玻尔的量子论揭示了原子等微观客体的两个带有普遍意义的规律,它们是:

    a)  原子等微观客体所处状态及其能量的量子化概念;

    b)  原子等微观客体在能量为EAEB的两个定态之间跃迁时发射或吸取辐射的频率为

                          .

这就是辐射的频率法则。

       
XML 地图 | Sitemap 地图