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1、,18.4 玻尔的原子模型,经典理论的困难,核外电子绕核运动,事实上：原子是稳定的,辐射电磁波频率只是某些确定值,历史回顾,在普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦关于光子概念的启发下，波尔于1913年把微观世界中物理量取分立值的观念应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说。,卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了散射实验。但是，经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。,丹麦物理学家。玻尔通过引入量子化条件，提出了玻尔模型来解释氢原子光谱;提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学，他还是哥本哈根学派的创始人，1922年获得诺贝尔物理学奖。对二十世纪物理
2、学的发展有深远的影响。,爱因斯坦评价说： “作为一个科学的思想家，玻尔具有那么惊人的吸引力，在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的结合”,他是卢瑟福的学生，在其影响下具有严谨的科学态度，勤奋好学，平易近人，后来很多的科学家都有纷纷来到他身边工作。当有人问他，为什么能吸引那么多科学家来到他身边工作时，他回答说：“因为我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢”。这种坦率和实事求是的态度是使当时他领导的哥本哈根理论研究所永远充满活力，兴旺发达的原因。,1、轨道假设：原子中的电子在库仑力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律。,一、玻尔原子理论的基本假设,但是，电子轨道半径不是任意的，只有当半径大小符合一
3、定条件时，这样的轨道才是可能的。即电子的轨道是量子化的。 电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。,2、能级假设：当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同状态,具有不同能量，所以原子能量也是量子化的。,一、玻尔原子理论的基本假设,氢原子在基态（第一能级）的能量：,这些量子化的能量值叫能级；原子中这些具有确定能量的稳定状态叫定态。,能量最低的状态叫基态，其他状态叫激发态。,氢原子的轨道及对应的能级,n：电子脱离核束缚,氢原子能级图,3、跃迁假设：当电子从能量较高的定态轨道（设能量为Em）跃迁到能量较低的定态轨道（设能量为En，mn）时，它辐射出一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能
4、量差决定，即,一、玻尔原子理论的基本假设,反之，当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由两种定态的能量差决定。,轨道半径：,能 量：,（n=1,2,3),式中r1 =0.5310-10m 、E1=-13.6ev,二、玻尔理论对氢光谱的解释,氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量,频率条件,n=6,n=5,n=4,n=1,n=3,n=2,根据：E=hv，=c/v又E =1.89eV= 3.03 10-19J 所以， =hc/ E= 6.6310-34 3.0 10-8 / 3.03 10-19J = 6.57 10-7(m),（巴尔末系）,H,H,H,H,H,H
5、,H,H,巴尔末系氢吸收光谱,-13.6,-3.4,-1.51,-0.85,-0.54,0 eV,n,E/eV,基态,激发态,赖曼系,巴耳末系,帕邢系,布喇开系,普丰德系,氢原子的能级图,大量氢原子处于n=4激发态,1、会辐射出几种频率的光？,2、其中波长最短的是在哪两个能级之间跃迁时发出的？,光子的能量必须等于能级差,电离：,电离后电子剩余动能为：,注意：En为负值,思考:分别能量为2eV、10eV的光子照射处于n=2激发态的氢原子，结果如何？,使原子电离,实物粒子使原子跃迁,实物粒子和原子碰撞的情况，由于实物粒子的动能可全部或部分地为原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能
6、量之差，也可使原子受激发而向较高能级跃迁。,知识拓展：,夫兰克赫兹实验的历史背景及意义：,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
7、。,科学足迹,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（1926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),玻尔理论解决了原子的稳定性和辐射的频率条件问题，但是也有它的局限性,在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念,同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律,除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难,三、玻尔模型的局限性,氦原子光谱,波尔理论还没有完全解释微观粒子运动的规律。,电子是一种微观粒子，在
8、原子如此小的空间（直径约10m）内作高速（接近光速310ms）运动，核外电子的运动与宏观物体运动不同，没有确定的方向和轨迹，只能用电子云描述它在原子核外空间某处出现机会（几率）的大小。,电子云是近代对电子用统计的方法，在核外空间分布方式的形象描绘，它的区别在于行星轨道式模型。,达标练习：,ABC,2、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半径（ ）A、可以取任意值 B、可以在某一范围内取任意值C、可以取一系列不连续的任意值D、是一系列不连续的特定值,D,3、按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知rarb，则在此过程中（ ） A、原子
9、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,4、根据玻尔理论，氢原子中，量子数n越大，则下列说法中正确的是（ ）A、电子轨道半径越大 B、核外电子的速率越大C、氢原子能级的能量越大 D、核外电子的电势能越大,ACD,5、如图所示是某原子的能级图,a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长的光.在下列该原子光谱的各选项中,谱线从左向右的波长依次增大,则正确的是_.,C,三种光的频率，波长满足什么关系？,达标练习：,1、对玻尔理论的下列说法中，正确的是（ ） A、继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设 B
10、、对经典电磁理论中关于“做加速运动的电荷要辐射电磁波”的观点提出了异议 C、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与原子能量变化之间的定量关系 D、玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用经典电磁理论和牛顿力学计算出来的,ABCD,2、下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是（ ） A、原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量 B、原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变，就会向外辐射能量 C、原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子 D、原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的,C,3、根据玻尔理论，氢原子中，量子数N越大，则
11、下列说法中正确的是（ ）A、电子轨道半径越大 B、核外电子的速率越大C、氢原子能级的能量越大 D、核外电子的电势能越大,4、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半径（ ）A、可以取任意值 B、可以在某一范围内取任意值C、可以取一系列不连续的任意值D、是一系列不连续的特定值,D,ACD,5、按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知rarb，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,一、玻尔原子理论的基本假设,1、轨道假设：,2、能
12、级假设：,3、跃迁假设：,二、玻尔理论对氢光谱的解释,三、玻尔模型的局限性,小结,n=6,n=5,n=4,n=1,n=3,n=2,根据：E=hv，=c/v又E =1.89eV= 3.03 10-19J 所以， =hc/ E= 6.6310-34 3.0 10-8 / 3.03 10-19J = 6.57 10-7(m),（巴尔末系）,H,H,H,H,玻尔的原子模型,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
13、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。,(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能量而实现，并满足能量选择定则：,(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。,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eVE1-E0时，电子能量几乎不损失。如果eVE1-E0=E，则汞原子从电子中取得能量E，而由基态跃迁到第一激发态，E=eVC。相应的电位差VC即为汞原子的第一激发电位。 在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下图所示的变化曲线.,第十八章 原子结构 第四节 玻尔的原子模型,人教版选修3-5,
