巴耳末公式里的里德伯常量

Part1教材的叙述

以下内容来自人教版教材

氢原子的光谱如图所示。光谱的结果显示氢原子只能发出发出一系列特定波长的光。

年,瑞士科学家巴耳末对当时已知的氢原子在可见光区的四条谱线,即图中 、 、 、 谱线作了分析,发现这些谱线的波长 满足一个简单的公式,即

式中 叫做 里伯德常量,实验测得的值为 。这个公式称为巴耳末公式,式中的 只能取整数,它确定的这一组谱线称为巴耳末系。

Part2巴耳末简介

约翰·雅各布·巴耳末( ),瑞士数学家, ,主要贡献为发现氢原子光谱波长的经验公式,专著《投影几何学教程》。

巴耳末曾在德国卡尔斯鲁厄大学和柏林大学攻读数学, 年以关于摆线的论文在瑞士巴塞尔大学获得博士学位。他曾先后担任瑞士巴塞尔中学的工程制图教师、巴塞尔女子中学数学教师、巴塞尔大学兼任讲师等。

巴耳末在巴塞尔大学兼任讲师时,受到物理教授哈根拜希的鼓励,寻找氢原子光谱的规律。当时,氢原子在可见光的 条谱线和紫外区的 条谱线均已被发现。

巴耳末具有深厚的数学功底,找到了下面公式,即巴耳末公式,并刊载在 年的《物理、化学纪要》杂志上。

其中 是一个常数,其值为 ,也可称为巴耳末常量。

Part3里德伯常量

里德伯( ),瑞典物理学家, ,光谱学奠基人之一。

里德伯在巴耳末提出巴耳末公式后的 年,提出了更准确、适用范围更广泛的里德伯公式:

式中 为里德伯常量,而巴耳末公式为 的一个特例。

对比巴耳末公式和里德伯公式,可以知道:

Part4光子假说

爱因斯坦为了解释光电效应,将光理解为一份一份的,每一分光的能量 为

其中 , 为光的频率。

光的波长 、频率 和光速 满足关系

结合里德伯公式可得

可以发现,式中有一个常数 ,将数值代入可得

这个数熟悉不熟悉?没错,它就是玻尔理论里的那个氢原子基态能量的绝对值。

Part5玻尔理论

不管是里德伯公式,还是巴耳末公式,都是经验公式,也有人称之为所谓的唯象理论,即只给出了计算方法,未说明其蕴含的物理意义。

年,丹麦著名物理学家玻尔创立了玻尔模型,提出了定态假设和跃迁假设,从而揭示了里德伯公式和巴耳末公式的物理意义,并且从理论上推导出了里德伯常量的数值。

根据玻尔理论,可以从理论上推导出里德伯常量的表达式,如下:

式中的 为电子的质量, 为元电荷, 为真空介电常数, 为普朗克常量, 为真空光速。

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