氢原子模型与能级跃迁

实验目的

理解玻尔氢原子模型,掌握能级跃迁与光子能量的关系。

实验原理

氢原子能级 En = -13.6 eV/n²(n = 1,2,3…),轨道半径 rn = n²r1。原子处于定态时不辐射能量。电子在能级间跃迁时,辐射或吸收光子的能量 hν = Em - En(m > n)。基态能量为 -13.6 eV,电离能为 13.6 eV。n ≥ 3 跃迁到 n = 2 的谱线属于巴耳末系,其中有可见光。

实验器材

• 氢原子核与核外电子
• 不同的电子轨道(能级)
• 跃迁时吸收或辐射的光子
• 能级图与能量数值

实验步骤

1. 观察基态(n = 1)时电子所在轨道和能量
2. 使电子吸收光子跃迁到较高能级,记录能量变化
3. 观察电子从高能级向低能级跃迁时辐射的光子
4. 记录跃迁前后能级,计算光子能量 hν = Em - En
5. 比较不同跃迁对应的光子能量,判断谱线系的归属

实验现象与结论

电子只能处于特定轨道;吸收特定能量的光子才能跃迁到高能级,从高能级跃迁到低能级会辐射光子。例如 n = 2 到 n = 1 辐射的光子能量为 10.2 eV。结论:氢原子能量是量子化的,光谱是分立的线状谱。

常见问题

氢原子从n = 3跃迁到n = 2会怎样?

会辐射一个光子,能量为 E3 - E2 ≈ 1.89 eV,属于巴耳末系的可见光。

氢原子的电离能是多少?

基态氢原子的电离能为 13.6 eV。