第第 44 节 氢原子的光谱与能级结构节 氢原子的光谱与能级结构

宁强天津中学 张映平

一、光谱 复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案

观察光谱实验

1.实验

早在 17 世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱

一、光谱及分类光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。

发射光谱可分为两类：连续光谱和明线光谱。

1. 发射光谱

物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。

平行光管

标度管三棱镜

观察管

分光镜

分光镜原理分析

标度管

• （ 1）连续光谱• • •

• 例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。

炽热的固体、液体及高压气体的光谱，是由连续分布的一切波长的光组成的，这种光谱叫做连续光谱。

2）明线光谱（原子光谱） 只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，也叫原子光谱。

高压电源

光谱管

各种元素都只能发出具有本身特征的某些波长的光，明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。

吸 收 光 谱

钠蒸气

光谱中产生的一组暗线，每条暗线的波长都跟那种气体原子的特征谱线相对应。

氢 气 的 吸 收 光 谱

氢气

返 回

（ 3）吸收光谱

• 高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线与明线相对应，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。

光

谱

发射光

谱定义：由发光体直接产生的光谱

连续光谱｛产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发 光形成的光谱的形式：连续分布，一切波长的光都有

线状光谱｛（原子光谱）

产生条件：稀薄气体发光形成的光谱光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）

吸收光谱

定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应）

各种光谱的特点及成因：

（（ 44 ）光谱分析）光谱分析 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以

根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。

原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。

研究太阳高层大气层所含元素

氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。

二、氢原子光谱

2 2

1

1 1 1( ) 3,4,5,...2

R nn

m

7

　 　

巴耳末公式　 R=1. 10 10 　 　 里德伯常量

特点特点

1.1. 几种特定频率的光几种特定频率的光

2.2. 光谱是分立的亮线光谱是分立的亮线

( 红色）( 蓝绿色）( 青色）( 紫绿色） HαHβHγHδ652.2nm434.0nm410.1nm

λ/nm

486.1nm

原子光谱

每一种原子都有自己特定的原子光谱，不同原子，其原子光谱均不同

每一种光谱 ------- 印记

巴尔末的研究氢原子光谱

（里德伯常数： R=1.09677581×107m-1)

（可见光区）

hc

ER 1

巴尔末公式

N > 6 N > 6 的符合巴耳末公式的光谱线（大部分在紫外区）的符合巴耳末公式的光谱线（大部分在紫外区）

巴尔末系巴尔末系

人们把一系列符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系人们把一系列符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系

适用区域：适用区域： 可见光区、紫外线区可见光区、紫外线区

氢原子光谱的其他线系

赖曼线系 赖曼线系

22

1

1

11

nR

,4,32，n

红外区还有三个线系

帕邢线系

22

1

3

11

nR

,6,5,4n

布喇开系

22

1

4

11

nR

，7,6,5n

普丰特线系

22

1

5

11

nR

，，87,6n

紫外线

紫外线区区

玻尔理论对氢原光光谱的解释

λ/nm

652.2nm434.0nm

410.1nm

HαHβHγHδ486.1nm

n=1

n=2

n=3

n=4n=5n=6

E1= -13.6ev

E2= -3.4ev

E3= -1.51ev

E4= -0.85ev

HδHγHβHα

eVn

En 2

6.13

)2

11(

122

1 nhc

E

三、卢瑟福模型的困难三、卢瑟福模型的困难

原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾核外电子绕核运动

辐射电磁波

电子轨道半径连续变小

原子不稳定 辐射电磁波频率连续变化

事实上：原子是稳定的 原子光谱是线状谱

卢瑟福原子核式模型无法解释氢原子光谱的规律。

按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。实验表明原子相当稳定，

轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的， 原子光谱应是连续的光谱。实验测得原子光谱是不连续的谱线。

卢瑟福原子核式模型无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征。