根据玻尔理论,电子绕氢原子核运动可以看作是仅在库仑引力作用下的匀速圆周运动,已知普朗克常数
h,真空中光速为
c,电子的电荷量为
e,质量为
m,电子在第1轨道运动的半径为
r1,静电力常量为
k.
氢原子在不同的能量状态,对应着电子在不同的轨道上绕核做匀速圆周运动,电子做圆周运动的轨道半径满足
rn=
n2r1,其中
n为量子数,即轨道序号,
rn为电子处于第
n轨道时的轨道半径。电子在第
n轨道运动时氢原子的能量
En为电子动能与“电子-原子核”这个系统电势能的总和。理论证明,系统的电势能
Ep和电子绕氢原子核做圆周运动的半径
r存在关系:
Ep=-
k
(以无穷远为电势能零点)。请根据以上条件完成下面的问题。
①试证明电子在第
n轨道运动时氢原子的能量
En和电子在第1轨道运动时氢原子的能量
E1满足关系式

②假设氢原子甲核外做圆周运动的电子从第2轨道跃迁到第1轨道的过程中所释放的能量,恰好被量子数
n=4的氢原子乙吸收并使其电离,即其核外在第4轨道做圆周运动的电子脱离氢原子核的作用范围。不考虑电离前后原子核的动能改变,试求氢原子乙电离后电子的动能。
③氢原子光谱中巴耳末系的谱线波长公式为:

,
n = 3、4、5…,请根据玻尔理论推导巴耳末公式并确定里德堡常数
R的表达式。