2018.04.17 04:15
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高中物理中探索的原子模型一共有两种，卢瑟福核式结构模型和波尔能级模型。
通过对物质进行光谱分析，我们发现一些物质（比如氢气）的光谱是线状谱。（或者说在某个频段线状谱非常明显）
我们来做一个对比：电子围绕原子核做圆周运动，卫星围绕行星做圆周运动。
同样都是在做圆周运动，可现实中原子运动规律与基本力学理论对比是非常矛盾的。
由开普勒定律或牛顿第二定律可知，行星运行的R与v是一一对应的。
即任意一个R对应一个固定的v，对应固定的一个固定的能量E。或者说，行星与卫星构成的体系能量是可以连续分部的。（因为R连续）
卢瑟福的困惑
1911年，英国物理学家卢瑟福根据1910年进行的α粒子散射实验，提出了原子结构的行星模型（见参考文献解析）。
在这个模型里，电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。但是根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至瞬间坍缩到原子核里。
这与实际情况不符，卢瑟福无法解释这个矛盾。
我们现在的科学技术已经发现了这样的规律：氢原子的核外电子轨道，是不连续的，也就是说核外电子的运动，总是集中在固定的若干个轨道上。这就说明，氢原子的能级也是间断不连续的。
这是与卢瑟福核式结构模型相矛盾的。
波尔能级模型
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。电子虽然绕核旋转，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态 。
能量假设
原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定。hv=Em-En（h为普朗克常数）。
轨道假设
原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道。由于原子的能量状态是不连续的，因此电子运动的轨道也可能是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运动。
波尔的改进
波尔在卢瑟福核式结构模型的基础上，基于原子理论的3条基本假设构建了原子能及模型。玻尔原子理论的基本假设：
（1）定态假设：电子在原子核库仑引力作用下，按经典力学规律，沿圆形轨道运动，且不向外辐射电磁波，因而原子处于稳定状态（定态），其能量（称能级） 保持不变。
（2）频率条件：当原子由高能级Em的定态跃迁至低能级En的定态要发射光子，反之要吸收光子。王尚辅导书物理自诊断每道题都有视频讲解，哪道题不会扫题旁二维码即可看视频，学习更高效，考试分数更高。欢迎微信teacherws咨询。
光子频率满足下面的条件：hv=Em-En
（3）电子绕核轨道量子化。
电子只能在某些特定的分立轨道上运动。
玻尔认为，氢原子中的一个电子绕原子核作圆周运动，并作一个硬性的规定：电子只能处于一些分立的轨道上，它只能在这些轨道上绕核运动，且不产生辐射，当一个电子从一个定态轨道跃迁到另一个定态轨道，会以电磁波的形式放出能量。
波尔能级模型方程
hv=Em-En
波尔能级模型的发展历史
20世纪初期，德国物理wuli.in学家普朗克为解释黑体辐射现象，提出了量子论，揭开了量子物理学的序幕。
19世纪末，瑞士数学教师巴耳末将氢原子的谱线表示成巴耳末公式，瑞典物理学家里德伯总结出更为普遍的光谱线公式里德伯公式。然而巴耳末公式和式里德伯公式都是经验公式，人们并不了解它们的物理含义。
1911年，英国物理学家卢瑟福根据1910年进行的α粒子散射实验，提出了原子结构的行星模型。
在这个模型里，电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。但是根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至瞬间坍缩到原子核里。这与实际情况不符，卢瑟福无法解释这个矛盾。
1912年，正在英国曼彻斯特大学工作的玻尔将一份被后人称作《卢瑟福备忘录》的论文提纲提交给他的导师卢瑟福。
在这份提纲中，玻尔在行星模型的基础上引入了普朗克的量子概念，认为原子中的电子处在一系列分立的稳态上。回到丹麦后玻尔急于将这些思想整理成论文，可是进展不大。
1913年2月4日前后的某一天，玻尔的同事汉森拜访他，提到了1885年瑞士数学教师巴耳末的工作以及巴耳末公式，玻尔顿时受到启发。
后来他回忆到“就在我看到巴耳末公式的那一瞬间，突然一切都清楚了，”“就像是七巧板游戏中的最后一块。”这件事被称为玻尔的“二月转变”。
1913年7月、9月、11月，经由卢瑟福推荐，《哲学杂志》接连刊载了玻尔的三篇论文，标志着玻尔模型正式提出。这三篇论文成为物理学史上的经典，被称为玻尔模型的“三部曲”。
波尔能级模型学习问题与王尚老师答疑
学生问题1：请问王尚老师，波尔的模型基于卢瑟福核式结构模型的，这句话对吗？
王尚老师：是的，波尔能级模型基于卢瑟福的核式结构模型，波尔能级模型并没有否定卢瑟福的核式结构模型，而是基于核式结构，解释了模型的能量间断性问题，并指出能级间的变化与吸收或辐射光子的关系。请仔细学习《物理自诊断》专题43和专题44，通过这些典型题更好地消化这部分内容。
学生问题2：如何判定原子到底是吸收光子还是辐射出光子？
王尚老师：这个题的考点是氢原子能级模型。原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子。具体来说，当原子由高能级Em的定态跃迁至低能级En的定态要发射光子，反之要吸收光子。辐射或吸收的光子与能级差满足这样的关系：hv=Em-En；该方程即为波尔能级方程。
参考文献
引力势能的微积分推导http://gaozhongwuli.com/top/479305.html
人造卫星的加速变轨http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/480392.html
波粒二象性http://gaozhongwuli.com/zongjie/x35/481802.html
电子的发现http://gaozhongwuli.com/top/481783.html
汤姆孙的枣糕模型http://gaozhongwuli.com/top/481786.html
波尔模型的假设http://blog.teacherws.com/physics-research/13368.html
卢瑟福的核式结构模型http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/437847.html
原子物理学外传http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/437801.html
高中物理选修3-5核心考点http://gaozhongwuli.com/zongjie/x35/481815.html
光电管http://gaozhongwuli.com/zongjie/x35/481801.html
量子力学与德布罗意波http://gaozhongwuli.com/zongjie/x35/481800.html
作者：王尚，苏阳。校正：齐思源。版权归属高中物理网（gaozhongwuli.com），严禁转载。
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本文发表于2018年04月17日；标签归档: 高中物理选修3-5；本站文章拒绝任何形式转载，否则法庭见。
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