1、,19世纪末20世纪初，人类叩开了微观世界的大门，物理学家根据研究提出了关于原子结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释实验现象，得到了多数人的支持，但是与经典的电磁理论发生了矛盾,著名的 粒子散射实验,新课标高中物理选修35,第十八章 原子结构,4 玻尔的原子模型,卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了a粒子的散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但跟经典的电磁理论发生了矛盾。1、原来，电子没有被库仑力吸引到核上，它一定是以很大的速度绕核运动，就象行星绕着太阳运动那样。按照经典理论，绕核运动的电子应该辐射出电磁波，因此它的能量要逐渐减少。随着能量的减少，电子绕核运行的轨道半径也要减
2、小于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。 这样看来，原子应当是不稳定的，然而实际上并不是这样。,玻尔提出原子模型的背景：,2、同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱。,玻尔提出原子模型的背景：,按照经典物理学的观点去推断，在轨道上运动的电子带有电荷，运动中要辐射电磁波，电子损失了能量，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上由于电子轨道的
3、变化是连续的，辐射电磁波的频率也会连续变化,事实上，原子是稳定的，辐射电磁波的频率也只是某些确定的值,1885年，玻尔(Neils Bohr) 出生于丹麦哥本哈根。他的父亲是哥本哈根大学一名杰出的生理学教授，母亲出生于一个在银行、政治和教育各界中均很活跃的富有犹太人家庭。父母从小便很关心玻尔，使他的天赋得以充分发挥。1903年，玻尔入读哥本哈根大学，主修物理学。玻尔尚未毕业时，便巳经锋芒毕露，他通过观察喷射的水流就能精密测量出水的表面张力。1909年，玻尔获理科硕士学位，1911年获哲学博士学位。,以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。为了解决这
4、个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论。,人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱，不过那时候无法解释为什么气体光谱只有几条互不相连的特定谱线,人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱，不过那时候无法解释为什么气体光谱只有几条互不相连的特定谱线，玻尔理论很好的解释了氢原子的光谱,原子从高能级跃迁到低能级时，辐射光子的能量等于前后两个能级之差由于原子的能级不连续，所以辐射的光子的能量也不连续，从光谱上看，原子辐射光波的频率只有若干分立的值,丹麦物理学家N.玻尔意识到了经典理论在解释原子结构方面的困难。在普朗克光与黑体辐射
5、的量子论和爱因斯坦关于光子的概念的启发下，他在1913年把微观世界中物理量取分立值的观念应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说。 玻尔的原子结构模型包括以下两方面的内容。,一、玻尔原子理论的基本假设,玻尔认为，原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律。但不同的是，电子运行轨道的半径不是任意的，只有当半径的大小符合一定条件时，这样的轨道才是可能的。也就是说，电子的轨道是量子化的。电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。 玻尔的理论和我们的日常观念有很大的不同。 人们常把原子核和它周围的电子比做太阳系或者地球和人造卫星。以地球和人造卫星为例，假如我们发射
6、了一颗卫星，在一定的圆轨道上运行。如果需要，可以使这颗卫星的能量稍大一些，在更大一些的轨道上运行。只要技术条件能够达到，轨道半径可以按照需要任意取值。这种情况下，我们说，轨道半径是连续的。,（一）轨道量子化与定态,但是，并非把这个模型缩小就可以看做原子核和它周围电子的运动。在玻尔的理论中，电子的轨道半径只可能是某些分立的数值。例如，氢原子中电子轨道的最小半径为0.053nm，不可能再小了；电子还可能在半径是0.212nm、0.477nm.的轨道上运行，但是轨道半径不可能是介于这些数值中间的某个值！当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态。玻尔指出，原子在不同的状态中具有不同的能量，因此，
7、原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫做基态，其他的状态叫做激发态。通常用一个或几个量子数来标志各个不同的状态，如可以用n=1、2、3、4来标志能量分别为E1、E2、E3、E4.的氢原子基态（n=1）和激发态（n=2、3、4）,能级：量子化的能量值,定态：原子中具有确定能量的稳定状态,一、玻尔原子理论的基本假设：,按照玻尔的观点，电子在一系列定态规道上运动，不会发生电磁辐射。那么，如何解释观察到的原子光谱呢？对此，玻尔假定：当光子从能量较高的定态轨道（其能量记为Em）跃迁到能量较低的定态轨道（其能量记为En，mn）时，会放
8、出能量为h 的光子(h为普朗克常量),这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即EmEnh.(1)这个式子被称为频率条件，又称辐射条件。反之，当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的频率同样由频率条件决定。,（二）频率条件,1、围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射,2、原子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态波尔指出，原子的不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也量子化的,1913年玻尔提出了自己的原子结构假说,轨道量子化假说,能量量子化假说,针对原子的核式结构模型,针对原子的稳定性,一、玻尔原子
9、理论的基本假设：,玻尔,3、当电子从能量较高的定态轨道（其能量记为m）跃迁到能量较低的定态轨道（能量记为n，mn）时，会放出能量为h的光子（h是普朗克常量），这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 hm-n 称为频率条件，又称辐射条件,1913年玻尔提出了自己的原子结构假说,针对原子光谱是线状谱提出,跃迁假说,一、玻尔原子理论的基本假设：,玻尔,一、玻尔原子理论的基本假设：,1、能级（定态）假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。（本假设是针对原子稳定性提出的）,2、跃迁假设：原子从一种定态（设能量为E初
10、）跃迁到另一种定态（设能量为E终）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 （本假设针对线状谱提出）,3、轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）,4、玻尔根据经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式：,rn=n2r1,轨道半径：,（n=1,2,3),能 量：,（n=1,2,3),式中r1、E1、分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运
11、动时的能量，rn、En分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是正整数，叫量子数。(能量级模拟演示）,二、玻尔理论对氢光谱的解释 从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道半径及相应的能量。氢原子的能级图如图18.4-2所示。,氢原子的能级图（演示）,-13.6,-3.4,-1.51,-0.85,-0.54,0 eV,n,E/eV,氢原子的能级图,思考和讨论 巴耳末公式中正整数n 出现，这里我们也用正整数n来标志氢原子的能级，它们之间是否有某种联系？,1、能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级.,能级：,2、基态：在正常状态
12、下，原子处于最低能级，这时 电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。,3、激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。,4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。,玻尔的频率条件告诉我们，原子从较高的能级E3跃迁到较低的能级E2时，辐射的光子的能量为hE3E2。按照玻尔理论，巴耳末公式中的正整数为n和2，正好代表电子跃迁之前和跃迁之后所处的定态轨道的量子数 n和2 。因此，巴耳末公式代表的应该是电子从量子数分别为n3、4、5.能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线。按照这个思路可以根据玻
13、尔理论推导出巴耳末公式，并从理论上算出里德伯常量R的值，所得结果与实验值符合得很好。同样，玻尔理论也能很好地解释甚至预言氢原子地其他谱线系。,原子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出,原子最低能级所对应的状态叫做基态，比基态能量高的状态叫激发态,原子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加要吸收能量,光子的发射和吸收,能级,光子的发射和吸收,通常情况下，原子处于基态，基态是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态。处于激发态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低
14、的能级跃迁，放出光子，最终回到基态。 原子从高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。因此原子的发射光谱是一些分立的亮线。 由于不同的原子具有不同的结构，能级各不相同，因此，辐射（或吸收）的光子频率也不相同。这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。,原子在始、末两个能级Em和En（ EmEn ）间跃迁时发射光子的频率可以由下式决定：,光子的发射和吸收,玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量,氢原子能级,二、玻尔的原子理论对氢光谱的解释,玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的
15、可见光系。同样也成功地解释了氢原子光谱的红外线系与紫外线系。玻尔理论对氢光谱的解释的如下。,例题：用13.0eV的电子轰击基态的氢原子。(1)试确定氢原子所能达到的最高能级态；(2)氢原子由上述最高能级态跃迁到n=2能级态发出的光子可能的波长为多少？(3)欲使处于基态的氢原子电离至少用多大能量的电子轰击氢原子？,解：（1）,n=4,（2）可能的跃迁,n=1,n=2,n=4,n=3,42,32,(2)氢原子电离能：,所以至少要13.6eV能量的电子,结论：能较好地解释氢原子光谱和类氢原子光谱,电离:原子吸收能量使电子脱离原子束缚的现象.,巴耳末系,赖曼系,帕邢系,思考:在具有下列能量的光子中,能
16、被基态氢离子吸收而发生跃迁的是( )A、13.6eVB、12.75eVC、 10evD、1.9eV,玻尔理论成功解释了氢光谱的规律,甚至预言了氢原子的其他谱线系,AB,弗兰克赫兹实验的历史背景及意义：,1911年，卢瑟福根据粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子核式结构模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间跃迁时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差。随着英国物理学家埃万斯对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，
17、在1914年，德国科学家弗兰克和他的助手赫兹采用电子与稀薄气体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。,1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。弗兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。,(JAMES FRANCK),(GUSTAV HERTZ),阅读：课本P60-61弗兰克-赫兹实验,玻尔的原子理论第一次将量子观念引入了原子区域，提出了定态和跃迁的观念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律。但对于稍微复杂一
18、点的原子如氦原子，玻尔理论就无法解释他的光谱现象。这说明玻尔理论还没有完全解释微观粒子运动的规律。它的不足之处在于保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍然看作经典力学描述下的轨道运动。 实际上，原子中电子的坐标没有确定的值，因此，我们只能说某时刻电子在某处附近单位体积内出现的概率是多少，而不能把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动。,三、玻尔模型的局限性,玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，但是也有它的局限性,在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念,同时又应用了“轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律,除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难,当原子处于不同的状态时
19、，电子在各处出现的概率是不一样的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像云雾一样，可以形象地称作电子云。 图18.4-4甲是氢原子处于 n=1的状态时的电子云，当n=2时有几个可能的状态，图乙画的是其中一个状态的电子云,电子在某处单位体积内出现的 概率电子云,电子云,三、玻尔理论的局限性,玻尔理论虽然把量子理论引入原子领域，提出定态和跃迁概念，成功解释了氢原子光谱，但对多电子原子光谱无法解释，因为玻尔理论仍然以经典理论为基础。如粒子的观念和轨道。,电子在某处单位体积内出现的概率电子云(演示1、演示2),小结：,提出假说：玻尔的原子结构假说：1）轨道量子化假说2）能量量
20、子化假说3）跃迁假说：,提出问题：原子的稳定性、原子光谱是线状谱,验证：氢原子光谱弗兰克赫兹实验,玻尔原子理论的意义在于：,1)揭示了微观体系具有量子化特征(规律),是原子物理发展史上一个重要的里程碑,对量子力学的建立起了巨大推进作用。,2)提出“定态”、“能级”、“量子跃迁”等概念，在量子力学中仍很重要,具有极其深远的影响。,达标练习：,1、对玻尔理论的下列说法中，正确的是（ ）A、继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设B、对经典电磁理论中关于“做加速运动的电荷要辐射电磁波”的观点提出了异议C、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与原子能量变化之间的定量关系D、玻尔的两
21、个公式是在他的理论基础上利用经典电磁理论和牛顿力学计算出来的,ABCD,2、下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是（ ）A、原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量B、原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变，就不会向外辐射能量C、原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子D、原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的,C,3、根据玻尔理论，氢原子中，量子数N越大，则下列说法中正确的是（ ） A、电子轨道半径越大 B、核外电子的速率越大 C、氢原子能级的能量越大 D、核外电子的电势能越大,4、根据玻尔的原子理论，原子中电子
22、绕核运动的半径（ ） A、可以取任意值 B、可以在某一范围内取任意值 C、可以取一系列不连续的任意值 D、是一系列不连续的特定值,D,ACD,5、按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知rarb，则在此过程中（ ）A、原子要发出一系列频率的光子B、原子要吸收一系列频率的光子C、原子要发出某一频率的光子D、原子要吸收某一频率的光子,C,6、一群处于n=5的激发态的氢原子，当它们向n=2的能级跃迁时，可能辐射n种频率的光子，其中光子的最大和最小的频率各为多少？,分析：原子辐射光子的能级跃迁情况如图所示。原子由第5能级向第2能级跃迁时，辐射的
23、光子能量最大，频率也最大。原子由第5能级向第4能级跃迁时，辐射的光子能量最小，频率也最小。,解答：一群处于n=5的激发态的氢原子，当它们向n=2的能级跃迁时，可能辐射6种频率的光子。从n=5直接跃迁到n=2的能级时，辐射的光子的频率最大，从n=5跃迁到n=4的能级时，辐射的光子的频率最小，,7、用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子。停止照射后，发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为1、2、3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为： h1；h3；h(1+2)；h(1+2+3) 以上表示式中,A.只有正确 B.只有正确 C.只有正确 D.只有正确,答案：C,8、氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时，可能发生的情况有： A、放出光子，电子动能减小，原子势能增加； B、放出光子，电子动能增加，原子势能减少； C、吸收光子，电子动能减小，原子势能增加； D、吸收光子，电子动能增加，原子势能减小。,答：选项B、C正确。,说明：电子在半径为r的轨道上绕核做匀速圆周运动时，电子具有的动能设电子距原子核为无穷远时，原子的电势能为零，那么，电子在半径为r的轨道上绕核运行时，原子的电势能原子具有的总能量,