氢原子光谱和玻尔的原子模
从里德伯公式到玻尔轨道,看懂氢光谱如何被精确解释,及其经典边界的瓦解
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氢原子光谱和玻尔的原子模
从里德伯公式到玻尔轨道,看懂氢光谱如何被精确解释,及其经典边界的瓦解
利用光谱识别元素
上一页氢原子只发几条特定波长的光——如果把任何元素的光都「拆」细看,每种元素都有自己的「光名片」。
指纹全球不重样,谱线组合每种元素不重样——只测光就能「认人」
光谱
上一页我们用光谱识别元素,但光谱到底是什么?不同元素的光谱为什么不同?这一页我们从定义开始,把基础打牢。
条形码组合唯一标识商品,谱线组合唯一标识元素
线状谱
上一页讲过,连续光谱是白光展成的彩虹。现在换一种光源:让稀薄气体通电发光再过棱镜,铺开的不是彩虹,而是一根根孤立的亮线——这就是线状谱。
琴键是离散的,不能'按在两个键之间';能级也一样,电子只在特定能级间跳,光子能量是分立的
连续谱
从上一页的线状谱出发——稀薄气体给出的是离散的亮线。而我们日常见到的白炽灯、太阳光,却呈现一条连续的彩虹色带。这就是连续谱。
通电后灯丝受热,密集原子一起发出所有颜色的光
特征谱线
不同元素发出不同的线状谱——这套'只属于它'的波长组合就是特征谱线。它不是巧合,而是原子能级结构决定的'身份证',也是光谱分析的基础。
每个人都有独一无二的指纹;每个元素也有一套独一无二的特征谱线,看波长位置就能反推元素种类
光谱分析
上一页我们看到,每种元素都有独一无二的特征谱线——就像每个人的指纹。那拿到一组光谱后,我们到底能'读'出什么呢?这就轮到光谱分析登场了。
每人指纹唯一、每种元素谱线也唯一,用'特征'匹配'身份'
巴耳末公式
上页讲到线状谱里藏着元素身份,那有没有数学规律能描述谱线位置?1885 年一位瑞士中学数学教师,靠「凑数字」发现了巴耳末公式。
都是从观测数据凑出来的纯经验规律,理论解释要等数十年才出现
定态
上一页氢原子只发出特定波长的光。但经典电磁学预言:绕核运动的电子必然辐射能量,瞬间坠入原子核——真实原子却稳定存在。玻尔用一个大胆的假设打破了这个矛盾。
人能站稳的只是台阶平面本身,不会悬空在两级之间——电子也只允许站在离散的能级上
激发态与基态
上一页我们说电子只能在特定的「定态」轨道上存在。但这些定态并不平等——其中有一个最低能量态最为特殊,叫基态;其余都叫激发态。这是理解光谱起源的关键。
一楼最稳是基态,住客想往下跳不允许;高层住客会自发溜回一楼并放光
跃迁
上页我们知道了电子只能待在几个固定的"楼层"——基态和激发态。但它是怎么从一个楼层跑到另一个楼层的?不能像滑梯一样滑过去,必须"跳"。这一跳,就叫跃迁。
只能从一个台阶整个跳到另一台阶,中间不停留,不存在"半层"
频率条件
前几页我们看到电子会在能级之间跳跃——跳下来吐光子,爬上去吃光子。但吐出来那颗光子的颜色(即频率),到底由谁决定?玻尔给出的那条简洁规则,就是「频率条件」。
落了 N 级台阶就砸出对应的声响;能级差多少,光子频率就多少——只看「落差」,不看来路与速度
玻尔原子模型
上一页讲跃迁——电子从一个能级跳到另一能级时会发光。但'能级'从哪来?为什么电子不能停在两能级之间?玻尔用三条假设回答。
每层=一个能级——只能整层跨,不能停在楼中间,n 就是层号
电子云
玻尔模型里电子沿固定轨道运行,像行星绕日。但量子力学发现:位置和动量不可同时精确测定。那电子'在哪里',只能换种说法——用概率。
每次单孔不可预知,多次射击后密集处=电子大概率出现处
能级
前面说电子在「定态」和「激发态」之间跳跃,那这些态本身长什么样?玻尔的答案是——电子只能在一些特定的、不连续的轨道上待着,每条轨道对应一个确定的能量。能级,就是这些被允许的能量台阶。
品格位置离散,越往琴桥越密——和 E_n 的间距收敛对应
本节要点
- ✓线状谱是元素的唯一指纹,可用于远程鉴别成分
- ✓巴耳末公式只是对氢谱波长的经验归纳,不通用
- ✓玻尔以量子化能级解释谱线,但轨道图像被电子云取代
- ✓频率条件 hν=E初−E末 是跃迁与光谱的共同桥梁
课后思考
先自己思考再看参考答案,三道题分别对应回顾、应用与拓展。
参考答案电子只能在特定能级间跃迁,能级差决定光子频率,所以光谱是线状的、不连续。
参考答案取样激发其发光,用分光仪测量光谱,对比锂的特征谱线(如 670.8 nm 红线),存在即含锂。
参考答案玻尔模型只考虑单电子绕核运动,氦有两个电子,电子间相互作用会让能级偏移,玻尔公式不再适用。