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氢原子光谱-玻尔的氢原子理论 ​

氢原子光谱 ​

氢原子的光谱呈现分立离散的线状光谱,称为氢光谱。

用波长的倒数 σ=1λ 来代替光谱线的波长

谱系 ​

σ=R∞(122−1n2)

巴尔末系 ​

式中 R∞=1.097×107m−1 称为里德伯常量

莱曼系 ​

σ=R∞(111−1n2)

帕邢系 ​

σ=R∞(132−1n2)

布拉开系 ​

σ=R∞(142−1n2)

普丰德系 ​

σ=R∞(152−1n2)

广义巴尔末系 ​

σ=R∞(1m2−1n2),m=1,2,3,⋯,n−1

玻尔的氢原子理论 ​

玻尔突破经典物理学的束缚,结合了经典力学和量子力学的思想,提出了氢原子的理论模型,包含下面三个假设:

  1. 定态假设 一个原子系统能够并且只能经常的处于一系列特定的能量状态,这些状态称为定态。 虽然电子在绕核旋转,但是它不会辐射能量,也不会坠入核内。
  2. 频率条件 电子在不同的能级之间跃迁时,辐射或者吸收的光子的频率满足hν=|Ef−Ei|其中 Ef 为最终能级, Ei 为初始能级。
  3. 角动量量子假设 电子以速度 v 在半径为 r 的圆周上绕核运动,只有电子的角动量大小 L 等于 ℏ 的整数倍的那些轨道是稳定的,即L=mevr=nℏ其中 ℏ=h2π 为约化普朗克常数, n 为量子数, n=1,2,3,⋯

氢原子的能量公式 ​

从这些假设出发,可以推导出氢原子的能量公式

14πε0e2r2=mev2rrn=4πε0ℏ2mee2n2

当 n=1 时,轨道半径最小为 a0=0.529×10−10m,称为玻尔半径。

电子在某一定态轨道上运动时,氢原子系统的总能量即定态能量为

E=Ek+Ep=12mev2−14πε0e2r=−e28πε0r

将 rn 代入上式可得

En=−e22(4πε0)rn=−mee42(4πε0)2ℏ2⋅1n2=−13.6n2eV

其中 n 只能取一系列正整数,称为主量子数。

n=1 时,称为基态, n=2,3,4,⋯ 时,称为激发态。 E1=−13.6eV,氢原子的电离能 Ei=E∞−E1=13.6eV

类氢离子的能级公式 ​

类氢离子如 He+,Li2+ 等的能级公式为

En=−mee42(4πε0)2ℏ2⋅Zn2=−13.6Zn2eV

其中 Z 为核电荷数。

光子的频率与波长 ​

ν=En−Emh=(14πε0)2mee44πℏ3(1m2−1n2)σ=1λ=νc=(14πε0)2mee44πℏ3c(1m2−1n2)

与广义巴尔末系的公式相同。可得里德堡常量

R∞=(14πε0)2mee44πℏ3c=1.097×107m−1

大学物理AII 学习笔记