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《氫原子光譜和玻爾的原子模型》教學(xué)

2022.06.20 山西

發(fā)現(xiàn)電子、原子核式結(jié)構(gòu)、氫原子能級(jí)，普朗克量子論應(yīng)用的三部曲。湯姆孫、盧瑟福、波爾師徒三人組對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不斷趨于完善。

一．光譜：

每種原子都有其特征譜線，氫原子的光譜為分立譜。

經(jīng)典電磁理論解釋氫原子光譜的困難之處:核式結(jié)構(gòu)解釋了α粒子大角度散射，但無法解釋原子的穩(wěn)定性核原子光譜的分析性。太陽系模型的原子結(jié)構(gòu)，電子繞原子核旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)射電磁波，這樣導(dǎo)致原子光譜是連續(xù)的，同時(shí)由于電子旋轉(zhuǎn)不斷發(fā)射電磁波，會(huì)導(dǎo)致原子系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能減少，電子就是不斷降低旋轉(zhuǎn)軌道的半徑，最終會(huì)撞向原子核，也就是原子會(huì)塌縮，原子式不穩(wěn)定的。這與實(shí)驗(yàn)中原子光譜的分立譜和原子的穩(wěn)定性相矛盾。

二．波爾的原子理論：

為了解釋原子光譜的分立性和原子的穩(wěn)定性，波爾同樣大膽借鑒了普朗克的量子概念思想，實(shí)際上是對(duì)經(jīng)典和現(xiàn)代的一種妥協(xié)。

假定：

1.軌道量子化和定態(tài)：電子繞原子核旋轉(zhuǎn)到軌道半徑不是任意的，是滿足一定條件的，和太陽系模型有很大不同。

。而且在這些特定的軌道上，原子是穩(wěn)定的。n=1時(shí)是基態(tài)，n=2時(shí)是第一激發(fā)態(tài)，依次類推。

2.能量量子化:電子在特定的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的電勢(shì)能和動(dòng)能也是量子化的。

3.躍遷理論:電子變軌時(shí)，從低到高需要吸收能量；從高到低需要釋放能量，若都是依靠吸收或釋放電磁波來完成變軌。則吸收或釋放的電磁波能量必須恰好能與兩能級(jí)之間的差值。

波爾理論的成功之處，對(duì)于氫原子光譜的解釋與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的相當(dāng)完美，對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的原子結(jié)構(gòu)，則不大恰當(dāng)。實(shí)質(zhì)上，波爾的理論是一個(gè)半經(jīng)典半現(xiàn)代的理論，保留了經(jīng)典的軌道概念，同時(shí)借鑒了量子的思想。為原子結(jié)構(gòu)的研究引入了新的思想，后續(xù)的研究表明，原子內(nèi)部軌道的概念也純屬多余，電子不存在什么軌道，和經(jīng)典的太陽系模型有很大的不同，所謂的軌道，僅是電子相對(duì)待得時(shí)間比較長得位置，電子在原子核外的位置是不確定的，但在某個(gè)位置的概率是相對(duì)確定的。形象化的稱之為電子云。

波爾理論的意義，為原子結(jié)構(gòu)的理論研究注入了新的血液，通過研究，為量子理論的發(fā)展起到了加速的作用，其本人還提出了量子力學(xué)中的互補(bǔ)原理，也成為了哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)軍人物。

寫到最后，感覺波爾提出量子力學(xué)中重要的互補(bǔ)原理好像具有某種必然性，從剛開始對(duì)氫原子的解釋中，不就可以看出是經(jīng)典和現(xiàn)代的互補(bǔ)，不徹底拋棄傳統(tǒng)，但勇于接受新的思想。這或許是一種人格特征，心中沒有執(zhí)念，與事實(shí)相符的理論就是相對(duì)正確的理論，從這一點(diǎn)上來說，能成為量子力學(xué)的領(lǐng)軍人物，某種程度是一種必然，相比之下，偉大的愛因斯坦執(zhí)念就比較重，這可能也是后來未在量子力學(xué)領(lǐng)域相對(duì)而言未再做出更大成果的原因。

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