氫原子模型不可不看詳解
是在盧瑟福原子模型基礎上加上普朗克的量子概念後建立的。 氫原子光譜 氫原子模型 1 發現簡史 2 光譜系列 3 光譜線公式 4 經典理論局限 5 玻爾理論詮釋 6 實驗和套用 氫原子光譜發現簡史 編輯 18 玻爾模型描述的氫原子光譜 85年,瑞士數學… 原子結構 電球模型、棗糕模型、土星模型、太陽系模型、波爾模型、有核模型以及查德威克模型…玻爾的理論成功地說明了原子的穩定性和氫原子光譜線規律。 新量子力學就是在解決舊量子論問題的過程中，繼承和發展了物理學的新成果，向人們展示了原子結構的真實面貌。 起初皮克林線系被認為是氫的譜線，然而玻爾提出皮克林線系是類氫離子He+發出的譜線。
- 在这个模型里，电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。
- 在定態軌道上運動的電子既不吸收能量，也不放出能量。
- 當氫原子從外界獲得能量時，電子就會躍遷到能很較高的激發態，處於激發態的電子不穩定，就會自發地躍遷回能量較低的軌道，同時將能量以光的形式發射出來。
和的縱坐標已放大，的縱坐標放大更多使分裂更明顯。 波爾模型的成功之處在於它成功的解釋了氫原子的光譜。 定量的計算出了氫原子各個軌道的能量和躍遷的能量關係。 ②頻率條件：當原子從一個定態躍遷到另一個定態時，發出或吸收單色輻射的頻率滿足：只有當原子從一個較大的能量En的穩定狀態躍遷到另一較低能量Ek的穩定狀態時，才發射單色光。
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隨後英國物理學家埃萬斯在實驗室中觀察了He的光譜，證實玻爾的判斷完全正確。 原子的不同能量狀態對應於電子的不同運行軌道。 由於原子的能量狀態是不連續的，因此電子運動的軌道也可能是不連續的，即電子不能在任意半徑的軌道上運動。 氫原子模型 然而， Bohr的量子论毕竟是建立在经典物理学的基础上,存在问题和局限性是难以避免的。 对氢原子光谱的精细结构无法解释，Bohr假改的平面轨道与电子围绕原子核呈球形对称的现象也不符合等.。 1911年，英国物理学家卢瑟福根据1910年进行的α粒子散射实验，提出了原子结构的行星模型。
其角度位置應該是一樣的，可以利用此結果確認實驗設備的功能是否正常。 在色散元件之後，有一個望遠鏡（telescope）可以收斂原來經過準直的平行光束。 而準直器前方的｢狹縫｣（collimator slit），會被觀察者的眼睛成像在視網膜之上。 當要進行光束波長的測量時，則需要轉動望遠鏡的角度位置，使望遠鏡對準狹縫。 然後利用光譜儀的角度位置，再進一步推算所對應之波長。 望遠鏡是否已經對準，可以利用視窗內垂直方向的黑色細線來做為依據。
氫原子模型: 原子模型
定态假设 原子的核外电子在轨道上运行时，只能够稳定地存在于具有分立的、固定能量的状态中，这些状态称为定态（能级），即处于定态的原子能量是量子化的。 除了接觸光譜測量所需之光學系統與技巧之外，並由實驗數據推算普朗克常數的過程，加強對於Bohr的氫原子模型的了解。 原子量大的原子（像金原子），稱為重原子，其質量幾乎全部都聚集於原子核。 氫原子模型 實驗結果的分析，顯示出高速度ɑ粒子的散射並沒有使原子核移動。 與電子的動量相比，高速度ɑ粒子擁有很大的動量，可是比較重原子又小了很多。 儘管此原子模型能夠模擬氫原子中電子的行為，但涉及到具有更高電子數的元素時，它並不是那麼精確。
19世紀末，瑞士數學教師巴耳末將氫原子的譜線表示成巴耳末公式，瑞典物理學家裡德伯總結出更為普遍的光譜線公式里德伯公式。 然而巴耳末公式和里德伯公式都是經驗公式，人們並不了解它們的物理含義。 在氫原子的波爾模型裡，以原子核為圓心的電子圓周運動的半徑被量子化，最小的半徑是玻爾半徑。
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玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律。 Bohr所提出的概念如量子化、能级和电子跃迁等，至今仍被广泛采用。 正如我們已經提到的，該模型還存在某些缺點和錯誤。
將雷射光波長調到原子吸收光波長的一倍時，原子可從兩方向相反的雷射光各吸收一個光子，而被激發到激態。 在此情況下，原子所吸收的兩個光子是從方向相反的雷射光而來的，因此不論原子本身的速度為何，兩個光子的都卜勒效應互相抵消，因此每個原子都可激發，並不限於靜止的原子。 而當雷射光的波長稍微失調時，則很少原子可以吸收二光子而激發。 此時，每個光子的能量只要原有的一半，也就是用兩個波長2430埃的光子可激發一個氫原子1S1/2轉移到2S1/2，這也就是雙光子光譜學（two photon spectroscopy）。
氫原子模型: 穩定性
利用以上幾個假設，加上一些簡單代數運算，就可以正確算出氫原子光譜各譜線的頻率。 雖然用玻爾原子模型可以説明簡單的氫原子光譜，但這只是其成功的一面。 儘管如比，玻爾理論第一次把光譜實驗事實納人了一個理論體系中，在含核原子模型的基上提出一種動態的原子結構輪席。 該理論指出了經典物理學不能完全適用於微觀粒子，提出了微觀粒子運動特有的量子規律，開闢了當時原子物理學向前發展的新途徑. 但是，玻爾的原子模型卻無法說明多電子原子的光譜，甚至不能說明氫原子光譜的精細結構。 也就是說，玻爾理論雖然引用了普朗克的量子化概念，卻沒有跳出經典力學的範圍。
節面的數量等於 n-1，是徑向節數（ n-l-1 ）與角節數（ l ）的總和。 將繪圖繞着 z-軸旋轉，則可得到三維空間的概率密度。
氫原子模型: 原子模型卢瑟福的含核原模型
而電子的運動並不遵循經典物理學的力學定律，而是具有微觀粒子所特有的規律性——波粒二象性，這種特殊的規律性是玻爾在當時還沒有認到的。 而電子的運動並不遵循經典物理學的力學定律，而是具有微觀粒子所特有的規律性—波粒二象性，這種特殊的規律性是玻爾在當時還沒有認到的。 1911年，英國物理學家盧瑟福根據1910年進行的α粒子散射實驗，提出了原子結構的行星模型。 在這個模型里，電子像太陽系的行星圍繞太陽轉一樣圍繞著原子核旋轉。 但是根據經典電磁理論，這樣的電子會發射出電磁輻射，損失能量，以至瞬間坍縮到原子核里。 玻爾理論的基礎是普朗克（M。Planck）的量子論和愛因斯坦的光子學說。
本授權條款允許使用者散布、傳輸著作，但不得為商業目的之使用，亦不得修改該著作。 氫原子模型 使用時必須按照著作人指定的方式表彰其姓名與來源。 1932年尤雷（H.C.Urey）觀察到了氫的同位素氘的光譜，測量到了氘的里德伯常數，和玻爾模型的預言符合得很好。 將繪圖繞著 z-軸旋轉，則可得到三維空間的機率密度。 特別注意，在每一個軌道的圖片內，黑線出現的次數。
氫原子模型: 氫原子歷史
這些模型無一例外的無法完美解釋原子表現出來的各種行為。 這也告訴我們必須拋棄經典理論才能得到更符合事實的原子模型。 按照梅子布丁模型，正電荷均勻分布在原子內如同一個雲球（布丁）一樣，那麼各個點的庫侖位勢不會發生大的變化，阿爾法粒子束的出射角應該只有小角度的偏差。 大約每8000個阿爾法粒子中就有一個的出射角有很大角度的偏差（大於90度）。 要解釋這個現象唯一的辦法就是完全推翻原子的梅子布丁模型。 原子只能處於一系列不連續的能量狀態中，在這些狀態中原子是穩定的。
對於在給定時間我們如何精確地知道粒子的位置和動量，存在一個基本的限制。 原子所有的正電荷，都集中於原子中心的很小區域內，稱為「原子核」。 當電子從一個軌道移動到另一個軌道時，它們吸收或釋放電磁能。 如果您從一個以上的能量水平降低到另一個以下的能量水平，則會釋放剩餘的能量，反之亦然。
氫原子模型: 重水
波爾模型仍然無法解釋為什麼處於定態的原子不會發出電磁波，並且波爾對躍遷的過程也沒有詳細的描述。 最致命的是波爾模型只能解釋氫原子等一些及其簡單的原子的光譜，對稍微複雜一些的原子或更精細的光譜波爾理論還是無能為力。 1913年2月4日前後的某一天，玻爾的同事漢森拜訪他，提到了1885年瑞士數學教師巴耳末的工作以及巴耳末公式，玻爾頓時受到啟發。 後來他回憶到“就在我看到巴耳末公式的那一瞬間，突然一切都清楚了，”“就像是七巧板遊戲中的最後一塊。
1897年，美國天文學家皮克林在恆星弧矢增二十二的光譜中發現了一組獨特的線系，稱為皮克林線系。 皮克林線系中有一些譜線靠近巴耳末線系，但又不完全重合，另外有一些譜線位於巴耳末線系兩臨近譜線之間。 起初皮克林線系被認為是氫的譜線，然而玻爾提出皮克林線系是類氫離子He發出的譜線。
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光譜儀可以將各色光分開的原因，是利用｢光柵｣（grating）或是｢稜鏡｣（prism）的色散特性，將光束中各個不同波長的光偏折到不同的角度上。 台灣在國際物理奧林匹亞的參賽與發光，是台師大已退休教授林明瑞所領導的團隊經長年耕耘的成果，我有幸自2003年起開始參與，十年來隨隊征戰不少國家，今年則來到丹麥。 他們處理問題的步調雖然緩慢，但一週下來似乎也順利完成各項複雜的任務。 丹麥的慢和北歐其它國家間的快所形成的對比，是舉世皆知的，但這番另類的處世哲學，卻也不禁觸發旁人深思的神經。 拉塞福更進一步地建議原子中間的單位電荷數目可能與其原子量成比例（大約一半）。
如果一個電子向外移動，那麼其內球面的正電荷將增加，對該電子的吸引力也將增加，最終將電子拉回原來的球面上。 1914年，夫兰克和赫兹进行了用电子轰击汞蒸汽的实验，即夫兰克-赫兹实验。 实验结果显示，汞原子内确实存在能量为4.9eV的量子态。 1920年代，夫兰克和赫兹又继续改进实验装置，发现了汞原子内部更多的量子态，有力地证实了玻尔模型的正确性。 光束在進入光譜儀時，首先需要通過｢狹縫｣（collimator slit）。
氫原子模型: 氫原子波爾模型
決定譜線寬度最重要的因素是原子與光子相對運動所造成的都卜勒加寬效應。 用原子束的方法可減少都卜勒加寬效應，但是卻使原子的數目減少，以致譜線變弱而無法測到。 雖然這些實驗很成功，但氫原子一直是物理定律的重要考驗場所。 氫原子模型 所以當新的實驗技術發展出來時，氫原子光譜的實驗又要重行測定，以求更深入了解。 目前，最有希望的是光譜的解析力可以增進，光譜線的寬度減少，進而可以更精確地測定譜線位置。
在这个模型里，电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。 但是根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至瞬间坍缩到原子核里。 也就是說，物質吸收和發射能量，就像物質微粒一樣，只能以單個的、一定分量的能量，一份一份地或按照這一基本分量的倍數吸收或發射能量 ， 即能量是量子化 的。
20世纪初，物理学家卢瑟福（Rutherford，英国）等人做了多次α粒子（即氦原子核He）散射实验，如图2所示。 在原子核外有与原子核所带正电荷数目相同的电子，这些电子在原子核外绕核高速旋转。 原子核的直径大约在10-15~10-14m之间，而原子直径通常约为10-10m。 氫原子模型 發現了原子之後，物理學界分成了兩派，一部分科學家（當然也包括很多哲學家）認為原子就是他們苦苦尋找的組成世界的基本粒子。
氫原子模型: 電子郵件中的新聞
光柵擺設的位置，以光柵可以容納全部的光束截面為原則。 氫原子模型 氫原子模型 光柵下方的｢Spectrometer table｣有三個旋鈕可以調整光柵的傾斜角度。 光柵如果有傾斜的情形，可能會使後方的繞射無法維持水平，使 telescope 的對準動作產生困擾。 Spectrometer talbe的高度，也可以下方支撐桿的伸長程度進行調整。