高中物理第十八章原子結(jié)構(gòu)18.4波爾的原子模型

第十八章原子結(jié)構(gòu)

第4節(jié)波爾原子模型第1頁(yè)

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類叩開了微觀世界大門，物理學(xué)家依據(jù)有研究提出了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)各種模型，盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型能夠很好解釋?duì)辽⑸湓囼?yàn)現(xiàn)象，得到了許多人支持，不過(guò)與經(jīng)典電磁理論發(fā)生了矛盾，也有很多人反對(duì)．歷史回顧盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型存在哪些致命弱點(diǎn)？第2頁(yè)原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論矛盾核外電子繞核運(yùn)動(dòng)輻射電磁波電子軌道半徑連續(xù)變小原子不穩(wěn)定輻射電磁波頻率連續(xù)改變實(shí)際上：原子是穩(wěn)定輻射電磁波頻率只是一些確定值怎樣處理這個(gè)矛盾？哪些科學(xué)家觀點(diǎn)能夠啟發(fā)我們呢？第3頁(yè)2、能級(jí)假設(shè)：a.電子在不一樣軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子處于不一樣狀態(tài)含有不一樣能量，所以原子能量也是量子化。b.原子量子化能量值叫能級(jí)；原子中這些含有確定能量穩(wěn)定狀態(tài)叫定態(tài)；能量最低狀態(tài)叫基態(tài)，其它狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)。（本假設(shè)是針對(duì)原子穩(wěn)定性提出）3、頻率條件：電子從一個(gè)定態(tài)軌道（設(shè)能量為Em）躍遷到另一個(gè)定態(tài)（設(shè)能量為En）時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率光子，光子能量由這兩種定態(tài)能量差決定，即

（本假設(shè)針對(duì)線狀譜提出）Em

Enhv1、軌道量子化：圍繞原子核運(yùn)動(dòng)電子軌道半徑只能是一些分立數(shù)值，即電子軌道是量子化。（針對(duì)原子核式模型提出，是能級(jí)假設(shè)補(bǔ)充）一、玻爾原子理論基本假設(shè)（1913年玻爾提出）第4頁(yè)軌道半徑：能量：（n=1,2,3……)式中r1=0.53×10-10

、E1=-13.6ev分別代表第一條（即離核最近）可能軌道半徑和電子在這條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)能量，rn、En

分別代表第n條可能軌道半徑和電子在第n條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)能量（包含動(dòng)能和勢(shì)能）

，n是正整數(shù)，叫量子數(shù)。二、玻爾理論對(duì)氫光譜解釋思索：

比較和，利用波長(zhǎng)和頻率關(guān)系，試推導(dǎo)氫原子能級(jí)表示式。怎樣解釋你得到結(jié)論？氫原子中電子可能軌道半徑和對(duì)應(yīng)能量

第5頁(yè)－－－－－－－－－－－－－－－－－１２３４５-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540eVnE/eV∞基態(tài)激發(fā)態(tài)賴曼系巴耳末系帕邢系布喇開系普豐德系2、氫原子能級(jí)圖第6頁(yè)n=6n=5n=4n=1n=3n=2依據(jù)：E=hv，λ=c/v又Eδ=1.89eV=3.03×10-19J所以，λ

δ=hc/Eδ=6.63×10-34×3.0×10-8

/

3.03×10-19J=6.57×10-7(m)（巴爾末系）HδHγHβHα第7頁(yè)HδHγHβHαn=4n=6n=5n=1n=3n=2巴爾末系氫吸收光譜第8頁(yè)玻爾理論處理了原子穩(wěn)定性和輻射頻率條件問(wèn)題，不過(guò)也有它不足．在處理核外電子運(yùn)動(dòng)時(shí)成功引入了量子化觀念同時(shí)又應(yīng)用了“粒子、軌道”等經(jīng)典概念和相關(guān)牛頓力學(xué)規(guī)律除了氫原子光譜外，在處理其它問(wèn)題上碰到了很大困難．三、玻爾模型不足氦原子光譜量子化條件引進(jìn)沒(méi)有適當(dāng)理論解釋。第9頁(yè)夫蘭克—赫茲試驗(yàn)歷史背景及意義：

1911年，盧瑟福依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說(shuō)利用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違反兩個(gè)主要概念：原子定態(tài)能級(jí)和能級(jí)躍遷概念。電子在能級(jí)之間躍遷時(shí)伴隨電磁波吸收和發(fā)射，電磁波頻率大小取決于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間能量差。伴隨英國(guó)物理學(xué)家埃萬(wàn)斯對(duì)光譜研究，玻爾理論被確立。不過(guò)任何主要物理規(guī)律都必須得到最少兩種獨(dú)立試驗(yàn)方法驗(yàn)證。隨即，在1914年，德國(guó)科學(xué)家夫蘭克和他助手赫茲采取電子與稀薄氣體中原子碰撞方法(與光譜研究相獨(dú)立)，簡(jiǎn)單而巧妙地直接證實(shí)了原子能級(jí)存在，從而為玻爾原子理論提供了有力證據(jù)?？茖W(xué)足跡第10頁(yè)1925年，因?yàn)樗俗吭截暙I(xiàn)，他們?nèi)〉昧水?dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1926年于德國(guó)洛丁根補(bǔ)發(fā)）。夫蘭克-赫茲試驗(yàn)至今仍是探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要伎倆之一。所以，在近代物理試驗(yàn)中，仍把它作為傳統(tǒng)經(jīng)典試驗(yàn)。(JAMESFRANCK)(GUSTAVHERTZ)第11頁(yè)夫蘭克—赫茲試驗(yàn)理論基礎(chǔ)

依據(jù)玻爾原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一定能量值Ei(i=1,2,3‥)，這些能量值稱為能級(jí)。最低能級(jí)所對(duì)應(yīng)狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級(jí)所對(duì)應(yīng)態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)就會(huì)吸收或輻射一定頻率電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間能量差。(h為普朗克常數(shù))

本試驗(yàn)中是利用一定能量電子與原子碰撞交換能量而實(shí)現(xiàn)，并滿足能量選擇定則：

(Ｖ為激發(fā)電位)第12頁(yè)夫蘭克-赫茲試驗(yàn)玻璃容器充以需測(cè)量氣體，本試驗(yàn)用是汞。電子由陰級(jí)K發(fā)出，K與柵極G之間有加速電場(chǎng)，G與接收極A之間有減速電場(chǎng)。當(dāng)電子在KG空間經(jīng)過(guò)加速、碰撞后，進(jìn)入KG空間時(shí)，能量足以沖過(guò)減速電場(chǎng)，就成為電流計(jì)電流。第13頁(yè)第14頁(yè)試驗(yàn)原理：

改進(jìn)夫蘭克-赫茲管基本結(jié)構(gòu)見右圖。電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2A。μAVVG1KKVG2KG1VG2AG2電子汞原子A燈絲夫蘭克—赫茲管結(jié)構(gòu)圖第15頁(yè)

設(shè)汞原子基態(tài)能量為E0，第一激發(fā)態(tài)能量為E1，初速為零電子在電位差為V加速電場(chǎng)作用下，取得能量為eV，含有這種能量電子與汞原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子能量eV<E1-E0時(shí)，電子能量幾乎不損失。假如eV≥E1-E0=ΔE，則汞原子從電子中取得能量ΔE，而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，ΔE=eVC。對(duì)應(yīng)電位差VC即為汞原子第一激發(fā)電位。在試驗(yàn)中，逐步增加VG2K，由電流計(jì)讀出板極電流IA，得到以下列圖所表示改變曲線.圖2-2-4夫蘭克—赫茲管IA～VG2K曲線oIAacbdeV1V2V3V4V5V6(uA)VG2Ko第16頁(yè)1、對(duì)玻爾理論以下說(shuō)法中，正確是（）

A、繼承了盧瑟福原子模型，但對(duì)原子能量和電子軌道引入了量子化假設(shè)

B、對(duì)經(jīng)典電磁理論中關(guān)于“做加速運(yùn)動(dòng)電荷要輻射電磁波”觀點(diǎn)表示贊同

C、用能量轉(zhuǎn)化與守恒建立了原子發(fā)光頻率與原子能量改變之間定量關(guān)系

D、玻爾兩個(gè)公式是在他理論基礎(chǔ)上利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)計(jì)算出來(lái)ACD課堂練習(xí)第17頁(yè)2、下面關(guān)于玻爾理論解釋中，不正確說(shuō)法是（）A、原子只能處于一系列不連續(xù)狀態(tài)中，每個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一定能量B、原子中，即使核外電子不停做加速運(yùn)動(dòng)，但只要能量狀態(tài)不改變，就不會(huì)向外輻射能量C、原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，一定要輻射一定頻率光子D、原子每一個(gè)能量狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一個(gè)電子軌道，而且這些軌道是不連續(xù)C第18頁(yè)3、依據(jù)玻爾理論，氫原子中，量子數(shù)N越大，則以下說(shuō)法中正確是（）A.電子軌道半徑越大B.核外電子速率越大C.氫原子能級(jí)能量越大D.核外電子電勢(shì)能越大4、依據(jù)玻爾原子理論，原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)半徑（）A.能夠取任意值B.能夠在某一范圍內(nèi)取任意值C.能夠取一系列不連續(xù)任意值D.是一系列不連續(xù)