1、第十八章 原子结构 第四节 玻尔的原子模型 卢瑟福的原子核式结构学说一、玻尔提出原子模型的背景：经典的电磁理论的矛盾。矛盾电子绕核运动（有加速度）辐射电磁波能量减少、轨道半径减少电子沿螺旋线轨道落入原子核原子是不稳定的原子是稳定的频率等于绕核运行的频率频率变化原子光谱应为连续光谱实际上是不连续的亮线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
2、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。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。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。为了解决这个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普郎克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论。二、玻尔理论的主要内容：1、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
3、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。2、跃迁假设：原子从一种定态（设能量为E初）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 h v=E2-E13、轨道假设：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。三、玻尔计算出氢原子的轨道和能级 rn=n r12轨道半径：（n=1,2,3)能量：Enn 21E1（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动时的能量，rn、En 分别代表第n条可能轨
4、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。1、能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。2、基态：在正常状态下，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。四、能级：五、氢原子的能级图：-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540 eVnE氢原子的能级图赖曼系巴耳末系帕邢系六、夫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
5、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，在1914年，德国科学家夫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（192
6、6年于德国洛丁根补发）。夫兰克-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)夫兰克赫兹实验的理论基础 根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3)，这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差。mnEEhv(h为普朗克常数)本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换
7、能量而实现，并满足能量选择定则：mnEEeV(为激发电位)夫兰克-赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞。电子由阴级K发出，K与栅极G之间有加速电场，G与接收极A之间有减速电场。当电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场，就成为电流计的电流。实验原理：改进的夫兰克-赫兹管的基本结构见右图。电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A。AVVG1KKVG2KG1VG2AG2电子汞原子A灯丝夫兰克赫兹管结构图 设汞原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零的电子在电位差为V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量eVrb，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