波尔能级模型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。 波尔能级模型方程波尔能级模型方程: hv=Em-En 其中,v为光子的频率,h为普朗克常量,Em与En分别为m定态和n定态的原子能量。 什么是基态基态 是指在正常状态下,原子处于最低能级,这时电子在离核最近的轨道上运动的这种定态。 基态的概念是基于能层原理、能级概念、能量最低原理而来的。基态是原子最稳定的状态。比如,氢原子能级图像中,-13.6eV所对应的定态,就是基态。 什么是激发态除了基态之外,所有的定态,都是激发态。激发态是不稳定的,在自然情况下,会向基态跃迁。在从激发态向基态跃迁的过程中,原子会辐射出光子。 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:王尚老师您好,请问波尔能级模型中的电离是怎么一回事儿呢,这种情况到底是如何跃迁的?
王尚老师:波尔能级模型解决的是原子能量的问题,其公式为hv=Em-En,指的是不同能级之间跃迁,对应着不同的光子的吸收或释放。能级模型中的电离,与化学电离的理解是类似的,就是电子的离开。我们以氢原子能级为案例,如果某个氢原子处于基态,当它吸收了13.6ev能量后,就会跑到无穷大的能级上去,对应的是无穷大的半径,即电子的圆周轨道距离原子核无限远了,就是被电离了。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3: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,它会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的定态要辐射(释放)光子,反之要吸收(俘获)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。 扫码关注王尚老师微信公众号teacherws,免费获取物理教学视频资料。 收藏这篇文章到:
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