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原子中的电子在线视频

原子中的电子

下一节:玻尔理论发展的基础

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原子中的电子课程教案、知识点、字幕

同学们好

从这一章开始

我们来为大家介绍

原子中的电子

这是什么呢

实际上就是原子的结构

那么我们知道原子的结构

在很早的时候

也就是上一个世纪初的时候

就已经有一个比较基本的认识

比如说 卢瑟福著名的

原子的核式模型

他认为原子是电子绕在

绕原子核在外边转圈的这样一个图像

那么原子的结构它是非常重要的

一方面 对于物理学家来说

这是认识微观世界的一个

必走的一个过程

同时 对于化学家来说也很重要

因为我们只有把原子结构搞清楚了

才能了解各种物质的化学性质

那么这一章内容相对来说比较多

希望咱们同学学的时候

要注意前后这个关系

首先是最简单的原子 氢原子

氢原子 它是非常简单的

原子核就是一个质子

而外边只有一个电子

那么关于原子光谱的规律

我们人类在比较早的时候

就已经认识到了

我们发现原子和分子光谱

并不是我们想象的这样连续的

像白光一样的黑体辐射谱

而是什么谱呢

而是这样的线状结构

那么下边给大家看一个演示实验

我们来看看几种

不同元素的光谱是什么样的

下边我为大家来演示一下

原子的光谱

后边这个装置

里边装了各种不同的原子气体

等一会儿我在打开电源的时候

这些气体会被激发 发光

那么前边是一个光栅

这个光栅打到光栅之后

由于光栅的衍射作用

不同波长的光会被

分到不同的角度

这样我们在后边就可以看到

这些原子的光谱情况

同学们注意一下

我是把这个东西

放的是一个斜的 而不是正面的

为什么呢

是因为在光栅的侧面去看

看到极次大于等于1的光

不同的波长它会被分开

零级是不会被分开的

我们先看一下

氦原子它的发光情况

我们可以看到

确确实实后边能看到

一根一根的线状光谱

这个和我们讲的是一样的

再看一看氖原子的气体

我们可以看到这两种光呢

都是线状光谱

但是光谱是差别很大的

完全不一样

最后看一个有意思的光谱

这个光跟刚才有一个很大的差别

什么差别呢

刚才都是线状谱

而这个是带状谱

原因是什么呢

这个并不是原子气体 而是氮气

氮它是双原子分子

所以 分子光谱在里边

会起到一个很重要的作用

将来在后边的课程里

我们会为大家介绍

为什么会产生这样的一个现象

那我们回来来看一看

这个氢原子的这个光谱

那氢原子光谱我们在很早的时候

就有这样的认识

通过什么呢

通过太阳光谱

我们发现 太阳光谱中

有一条一条对应的黑线

这些地方原来都是

太阳光里边的一些黑线

为什么是黑的地方呢

原因是太阳大气的主要成分都是氢

那么氢会把白光里边

也就是黑体辐射谱的这个光里边

把这些位置都给吸收掉

所以会形成这样的黑线

那么这种是吸收谱

另外我们可以知道发射谱

把这个氢气加热到电离的状态

然后呢 看它的辐射谱

这个时候呢

这些地方就会变成亮线

而别的地方都是黑的

这是发射谱

那么 在1853年的时候

这已经非常早了

这个人埃格斯特朗

就已经发现了这条红线

并且测量了这个红线的波长

那么我们看到这个名字

A上边一个圈就是 埃

它也是我们长度单位A的那个来历

长度单位A就是为了纪念

这个物理学家

那好了

到1885年的时候 这没隔几年

就已经发现了十四条

不同的这个谱线

后来巴耳末分析这些谱线后

得到了这么一个经验公式

就是这样的

他发现什么呢

不同的谱线

其实只是在这儿把这n换一下

n可以等于3 4 5 6

一定要比这R要大

否则就变成负的了

那么这里有一个常数

就是这个B等于它

它是一个经验的公式

在1889年的时候里德伯

就提出了普遍的一个方程

其实这两个方程差别并不大

就是把这个2的平方换成了n的平方

那么它说的什么呢

在不断的改变这个n和n’的时候

就可以得到不同的谱线

那么当然这个n’必须要比n要大

这个R叫做里德伯常数

这个常数有一个特点

我们可以看到有效数字特别多

这反映了我们光学的测量

要比其他学科要更加精准

但同时也对相应的这个理论

提出更高的要求

这个理论算出的结果

应该在更多的有效数字上

和实验要符合

否则的话这个理论就是有缺陷的

那么氢光谱

它和这个n的关系什么关系呢

就是这么一个关系

我们可以看到

它可以看成是

这样的一些从上往下掉的线

比如说 赖曼系 它的紫外区

它要求n等于1

n’就是2 3 4 5 6这样跑

1914年发现的

因为它主要是紫外光

巴耳末系是可见光

它是末态实际上等于2

也就是从n’等于3 4 5 6

一直降到这个2的格子上面

后边还有帕邢系 红外光

布喇开系也是红外光等等等等

它们只是这个n的不同

来区分不同的这个谱系

那么提到氢原子的模型

我们不得不提到玻尔对氢原子

模型的这个贡献

玻尔是

二十世纪最伟大的物理学家之一

他奠定了整个量子力学重要的基础

那么其中最重要的工作

就是这个玻尔的

关于氢原子的这个模型

那么1913年2月的时候

玻尔从好友那里得知了

氢原子光谱的经验公式

他说什么 他得到了

七巧板中的最后一块

正如他后来说的

我一看到巴耳末公式

整个问题

对我来说就完全清楚了

这个引自玻尔的“二月转变”

那么什么意思呢

他从这个经验公式

也就是里德伯方程里边看

这么一个关系

那么左边是什么呀 是波数

也就是波长的倒数

他把他变成能量

我们知道对于光来说 能量等于hν

因此在上边乘一个hc

hc比λ就是hν

那么右边就得到这么一个结果

那么这个结果什么意思呢

左边是发光的光子能量

右边应该是什么

是某两个东西的能量的差

这个就是玻尔的模型的出发点

玻尔的氢原子理论

它有几个非常重要的假设

第一就是所谓的定态条件

他认为电子绕着整个原子核

做一个圆周运动

这个是和卢瑟福的模型是一样的

但是它有要求

这个圆周运动

它具有确定的能量

这个实际上就是所谓的

经典电子加定态的一个假设

这个定态的定态的说法

和我们之前

定态薛定谔方程这个定态是

完全一样的 一个意思

第二 频率条件

他说什么呢

当氢原子里的电子

从某一个确定的状态

跑到另外一个状态的时候

它就会放出能量

这个能量的形式就是光子

那么光子的频率

满足这样一个关系

这就是频率条件

第三 这个就更加神奇了

量子化条件

他说电子绕着整个氢原子核

在这儿绕转的时候 它的角动量

因为是个圆轨道

所以角动量就可以直接写成

m乘以它的速率 乘以它的半径

就是角动量大小

那里标志n

是指第n个确定的状态

也就是定态

那么它说什么呢

这个要求等于h拔的整数倍

h拔是普朗克常数

这里n取非负整数 不能取零

这个条件它怎么来的呢

当玻尔当时提出这个模型的时候

并没有给出这个理由

而后来德布罗意

在他的博士论文当中

提出这个德布罗意波的时候

那么给出了一个比较好的解释

他说什么呀

这个电子做圆周运动的时候

它其实也是一个德布罗意波

而这个德布罗意波要稳定

它一定是一个什么呢

是一个驻波

那怎么才能稳定呢

一定是这个圆周的周长

等于波长的整数倍

也就是后边这个条件

同时根据德布罗意关系

我把这里边代进去

这个就是动量

带进去就是h比上λ

r换成n倍的λ比上2π

那么结果就剩下一个n

乘以一个普朗克常数除以2π

普朗克常数除以2π就等于h拔

就得到这个关系

可见德布罗意关系

是能够比较好的去解释这个东西的

那么下边就是简单的运算了

这是什么呀

这是核外电子跟

氢原子核之间的库仑吸引力

这个是向心加速度乘以质量

这实际上就是一个

牛顿第二定律F=ma

然后 我把它简单处理一下

因为我已经知道了角动量

m乘以v乘以r

要等于h拔的整数倍

所以把这个式子变成一个什么呢

变成一个角动量的平方

这是两边同时乘的一个r的3次方

再乘以一个m

那么右边这个东西变成h拔的平方

左边就是这么一个结果

这样我就可以得到这个半径

也就是某一个定态的半径

轨道半径得出来了

它等于n方乘以某一个常数r1

这个r1代进去算一下

等于这么一个东西

等于0.53A

也就是5.29乘以10的-11次方米

这个有个名字叫做玻尔半径

同时我把这r代进去

又可以得到总的能量

这是总的机械能

等于什么呢

等于n方分之E1

E1也是确定的

把它代进去之后

等于负的13.6个电子伏特

注意到因为E1是负的

所以n越大

这个能量实际上是越高

有了前边这些基础呢

我们就可以对氢原子光谱

做出非常好的解释了

玻尔理论说

氢原子的这个光谱怎么获得的呢

就是从一个高的定态

跃迁到一个低的定态的时候

放出的一个光子

那么光子放出的这个

频率是多少呢

等于这个能量的差除以h

然后能量呢

又满足这么一个关系

把它代进去就得到这么一个结果

这个和里德伯公式去比

如果把里德伯公式的n和n’

分别换成这个

n换成nf n’换成ni

那么我们可以看到

这个式子跟刚才这个式子

是很相像的

只是前边的常数不一样而已

然后 我再把这个换成波数

也换成频率

这样我就知道了

这个里德伯常数

和前边那一堆 这儿呢

这个结果的关系

这个关系是什么呢

就是这样的 里德伯常数等于它

那么里德伯常数呢

是通过实验测出来的

而后边这些结果都是

已知的一些常数

把这个代进去一比

跟实验是符合的很好

咱们前边说了

这个里德伯常数

后边有非常长的一串有效数字

这个结果代进去

有效数字有没有那么长呢

这个结果呢 没有那么长

小数点后几位就不太一样了

不一样的原因在于哪呢

我们这个模型假设

电子绕着

氢原子核在这儿绕转的时候

氢原子核是不动的

但事实上氢原子核运动的是

不能完全忽略的

这个时候它是一个典型的两体系

这个电子的质量应该代成

电子跟氢原子核构成的

折合质量

那么代入折合质量之后

就会发现

会有更长的一串有效数字是

跟实验是相符的

这个就是氢原子能级

跃迁的一个图

那么很好的给出的赖曼系

巴耳末系等等这些系

那么所有的这些光谱的这个计算

理论和实验都符合的非常好

好了 这节我们就讲到这儿

同学们再见

大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)课程列表:

WEEK1

-电荷和库仑定律

--引言

--电荷

--库仑定律

-WEEK1--电荷和库仑定律

-电场及叠加原理,电偶极子

--电场和电场强度

--点电荷电场及叠加原理

--点电荷电场及叠加原理(续1)

--点电荷电场及叠加原理(续2)

--点电荷电场及叠加原理(续3)

-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子

-高斯定律

--电通量

--立体角*

--高斯定律的证明*

--高斯定律和电场线

--高斯定律的应用

--高斯定律的应用(续)

-WEEK1--高斯定律

-WEEK1--本周作业

-week1课件

WEEK2

-静电场环路定理、电势和叠加原理

--环路定理

--电势和叠加原理

--电势和叠加原理(续)

--电势梯度

--等势面

-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理

-静电能

--电荷系静电能

--电荷系静电能(续1)

--电荷系静电能(续2)

-WEEK2--静电能

-导体静电平衡

--物质中电场

--导体静电平衡

--导体静电平衡条件(续1)

--导体静电平衡条件(续2)

-WEEK2--导体静电平衡

-WEEK2--本周作业

-week2课件

WEEK3

-导体周围电场

--有导体时静电场的计算

--有导体时静电场的计算(续)

-WEEK3--导体周围电场

-静电屏蔽

--导体壳与静电屏蔽

-WEEK3--静电屏蔽

-电容及电容器

--电容及电容器

--电容及电容器(续)

-WEEK3--电容及电容器

-电介质

--介质对电场的影响

-WEEK3--电介质

-极化强度矢量,极化电荷

--极化强度

--极化电荷

-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷

-WEEK3--本周作业

-week3课件

WEEK4

-极化规律、电位移矢量

--电介质的极化规律

--电介质的极化规律(续)

--电位移矢量及其应用

--电位移矢量及其应用(续)

-WEEK4--极化规律、电位移矢量

-有介质时静电场能量

--有介质时静电场能量

-WEEK4--有介质时静电场能量

-电流密度、稳恒电流和稳恒电场

--电流密度

--稳恒电流和稳恒电场

-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场

-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律

--电动势

--欧姆定律

--欧姆定律(续)

-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律

-电流微观图像和暂态过程

--电流微观图像

--电容器的充放电(暂态过程)*

-WEEK4--电流微观图像和暂态过程

-本周作业

--week4--本周作业

-week4课件

WEEK5

-洛仑兹力、磁感应强度

--电流磁效应

--磁场和磁感应强度

-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度

-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理

--毕-萨-拉定律

--毕-萨-拉定律(续)

--磁场高斯定律

-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理

-静磁场环路定理

--安培环路定理及其应用

--安培环路定理及其应用(续1)

--安培环路定理及其应用(续2)

-WEEK5--静磁场环路定理

-安培力和霍尔效应

--带电粒子在磁场中的运动

--霍尔效应

--安培力

-WEEK5--安培力和霍尔效应

-WEEK5--本周作业

-week5课件

WEEK6

-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩

-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

-磁介质对磁场的影响和原子磁矩

--磁场中的磁介质

--原子的磁矩

-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩

-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

--磁介质的磁化

--磁化电流

--有磁介质时磁化的规律

-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

-WEEK6--本周作业

-week6课件

WEEK7

-铁磁介质和简单磁路

--磁场的界面关系

--铁磁性材料

-WEEK7--铁磁介质和简单磁路

-法拉第电磁感应定律

--法拉第电磁感应定律

--电磁感应定律和磁通连续定理的普适性

-WEEK7--法拉第电磁感应定律

-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

--动生电动势

--感生电动势和感生电场

--涡电流

-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

-自感和互感

--自感

--互感

-WEEK7--自感和互感

-WEEK7--本周作业

-week7课件

WEEK8

-暂态过程和磁场能量

--RL电路的暂态过程

--磁场的能量

-磁场和电场的相对性

--电场和磁场的相对性

-位移电流和麦克斯韦方程组

--麦克斯韦方程组和电磁波

--麦克斯韦方程组

-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组

-电磁波、坡因廷矢量和光压

--电磁波

--坡印廷矢量

--电磁波的动量

--光压——辐射压强

-本周作业

--week8--本周作业

-week8课件

WEEK9

-波动光学—引言

--波动光学——引言

-WEEK9--波动光学—引言

-杨氏双缝干涉、相干光

--光的干涉

--双缝干涉

-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光

-光源及发光性质

--光源的发光特性

--时间相干性

--空间相干性

-WEEK9--光源及发光性质

-光程、等倾和等厚干涉

--光程

--薄膜干涉(一)

--薄膜干涉(二)

-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉

-迈克耳逊干涉仪

--迈克耳逊干涉仪

-WEEK9--本周作业

-week9课件

WEEK10

-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

--惠更斯原理

--单缝夫琅禾费衍射

--单缝夫琅禾费衍射(续)

-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

-光栅衍射

--光栅衍射

--光栅衍射(续)

-WEEK10--光栅衍射

-光学仪器分辨本领

--光学仪器的分辨本领

--光学仪器的分辨本领(续)

-WEEK10--光学仪器分辨本领

-X射线晶体衍射

--X射线的衍射

-WEEK10--X射线晶体衍射

-WEEK10--本周作业

-week10课件

WEEK11

-光的偏振状态和偏振片

--光的偏振状态

--光的偏振状态(续)

--起偏和检偏

-WEEK11--光的偏振状态和偏振片

-反射和折射光偏振

--反射和折射及散射光的偏振

-WEEK11--反射和折射光偏振

-晶体双折射、波片

--双折射

--双折射(续)

--波片

-WEEK11--晶体双折射、波片

-偏振光干涉、人工双折射和旋光

--偏振光的干涉

--人工双折射

--旋光现象

-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光

-量子物理诞生和黑体辐射

--量子物理

--黑体辐射

-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射

-WEEK11--本周作业

-week11课件

WEEK12

-光电效应、光子和康普顿效应

--光电效应

--光子

--光子(续)

--光子(续2)

--康普顿效应

-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应

-物质波、波函数和概率密度

--物质波

--波函数

--波函数(续)

-WEEK12--物质波、波函数和概率密度

-不确定性关系

--不确定关系

-WEEK12--不确定性关系

-薛定谔方程

--薛定谔方程

-WEEK12--薛定谔方程

-一维无限深势阱

--一维无限深势阱

-WEEK12--一维无限深势阱

-WEEK12--本周作业

-week12课件

WEEK13

-一维问题

--一维谐振子

--势垒穿透

--扫描隧道显微镜

-WEEK13--一维问题

-氢原子能级和角动量

--原子中的电子

--玻尔理论发展的基础

--氢原子的量子力学处理

--能量量子化

-WEEK13--氢原子能级和角动量

-电子自旋、费米子和泡利不相容原理

--电子自旋与自旋轨道耦合

--碱金属原子光谱的双线

--微观粒子的不可分辨性

--各种原子核外电子排布

-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理

-WEEK13--本周作业

-week13

WEEK14

-X射线、激光、分子光谱简介

--video

--Video

--分子光谱简介

--激光

--光学谐振腔

-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介

-固体电子气模型和量子统计

--固体

--自由电子气体模型

--量子统计

-WEEK14--固体电子气模型和量子统计

-能带模型

--能带

-能带模型--作业

-本周作业

--WEEK14--本周作业

-week14

WEEK15

-半导体和PN结

--Video

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-WEEK15--半导体和PN结

-原子核性质、核磁共振

--Video

--Video

--Video

-WEEK15--原子核性质、核磁共振

-放射性和衰变规律

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--α衰变

--穆斯堡尔效应

--β衰变

-WEEK15--放射性和衰变规律

-结合能、核力

--核的结合能

--核力

-WEEK15--结合能、核力

-粒子物理简介

--基本粒子

-WEEK15--粒子物理简介

-本周作业

--WEEK15--本周作业

-week15课件

期末考试

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原子中的电子笔记与讨论

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