2022-2023学年高二物理竞赛课件：玻尔的氢原子理论

玻尔的氢原子理论 2023/7/30 2 玻尔的氢原子理论 为什么氢原子的光谱如此惊人地符合一个简单的整数 函数的经验规律？在它们的背后隐藏着什么呢？ 一、经典理论所遇到的困难 设电子质量为m，由于核的质量远远大于电子的质量， 所以可把核看作是静止的(一个假设)，只有电子以速 度v绕核运动。氢原子核带正电+e，但为了将来便于 推广到其它原子，我们还是考虑一个电子绕核+Ze运 动的情况。 由牛顿第二定律： 即库仑力提供向心力 2023/7/30 3 光谱项 里德伯公式准确地表述了氢原子光谱线系，而且其规律 简单而明显，这就说明它深刻地反映了氢原子内在的规 律性。最明显的一点是，氢原子发射的任何一条谱线的 波数都可以表示成两项之差，即 其中，每一项都是正整数的函数，并且两项的形式一样。 若我们用T来表示这些项值，则有 光谱项 即氢光谱的任何一条谱线都可表示成两个光谱项之差。 普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858―1947) 德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，1900年12月14日他在德国物理学会上，宣读了以《关于正常光谱中能量分布定律的理论》为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。 1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。 4 黑体 －能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体。且只与　　　　温度有关，而和材料及表面状态无关 。 黑体辐射的实验结果与理论预言 5 2023/7/30 6 2023/7/30 7 2023/7/30 8 2023/7/30 9 原子的能量： 最大的能量为0，而且轨道半径越大能量越高。 电子轨道运动的频率： 根据上面结果解释氢原子光谱时将会遇到两个方面困难： 1．原子的稳定性问题 2．原子光谱的形式问题 下面分别介绍： 2023/7/30 10 1）原子的稳定性问题 根据经典电动力学： 带电粒子  加速运动  辐射电磁波。 但实际上原子是稳定的，原子半径的数量级是10-10m， 而不是10-15m（原子核大小）。 另一方面，辐射电磁波 能量E逐渐减小 轨道半径随之减小  电子碰到原子核上  原子的“坍塌” 原子是不稳定的，或者说，稳定原子大小和原子核大小同数量级。 原子中的电子 绕核运动 有加速度 发出光谱。   2023/7/30 11 2）光谱的形式问题——原子的线状光谱 经典电动力学： 电子绕核运动发出电磁波，其频率等于电子绕核运动 的频率。 辐射电磁波  能量E逐渐减小  轨道半径随之减小  辐射频率逐渐增大  频率是连续的  连续光谱。 但实际上，原子光谱是线状的，而不是连续的。 结论：经典电动力学不能说明原子光谱的事实。 这也就是说，宏观物理中的理论不能用在讨论原子这 样的微观客体上，必须另觅途径。 2023/7/30 12 1．定态假设 玻尔假定原子中的电子绕核运动时，只能在某些特定的 允许轨道上转动，此时电子虽然绕核作加速运动，但不 辐射电磁能量，因此原子处于这些状态时是稳定的，简 称定态，其相应的能量分别为E1、E2、E3……（E1<E2 <E3<…… ）是不连续的。 与经典理论有尖锐的矛盾： 1，经典理论中能量是连续的，而假设中能量是不连续的； 2，经典理论中，作加速运动的带电粒子一定辐射能量， 而在假设中，电子虽有加速度，但只要处在定态就 不辐射能量； 3，经典理论中，原子状态是不稳定的，没有定态可言。 $$