第十八章 原子结构 4节 玻尔的原子模型

1．知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容。2．了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念。3．能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型。4．了解玻尔模型的不足之处及其原因。本节是本章内容的重点章节，也是难点。玻尔理论的内容不易理解，介绍玻尔理论时，可根据卢瑟福原子模型跟经典电磁理论之间的矛盾，说明经典电磁理论不适用于原子结构，直接提出玻尔理论的内容，简洁明了，学生容易接受。关于氢原子核外电子跃迁时的辐射（或吸收）光子问题，可根据不同层次学生选定难度。玻尔理论的局限性，学生了解即可。本节在介绍玻尔原子理论的内容之后，用它来成功地解释了氢光谱的实验规律。玻尔理论的一个重要假设就是原子能量量子化，“弗兰克-赫兹”实验证明了正确性。尽管玻尔模型后来被证明不完善，但仍是人们认识原子结构的一个重要里程碑。电子绕核运动将不断向外辐射电磁波，电子损失了能量，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上,而使原子变得不稳定e+e经典理论认为事实+vFree原子是稳定的经典理论认为事实由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率等于绕核运动的频率，连续变化，原子光谱应该是连续光谱原子光谱是不连续的，是线状谱以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。为了解决这个矛盾，1913年丹麦的物理学家玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论。针对原子核式结构模型提出围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射，也就是说，电子的轨道是量子化的。假说1：轨道量子化分立轨道针对原子的稳定性提出电子在不同的轨道上运动，原子处于不同的状态。玻尔指出，原子在不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。在这些状态中原子是稳定的。假说2：能级(定态)假说能级：量子化的能量值。定态：原子中具有确定能量的稳定状态。基态：能量最低的状态(离核最近)基态激发态：其他的状态激发态量子数123轨道与能级相对应E412345E1E3E2E5E∞n针对原子光谱是线状谱提出假说3：频率条件(跃迁假说)E412345E1E3E2E5E∞n原子在始、末两个能级Em和En(EmEn)间跃迁时，发射(或吸收)光子的频率可以由前后能级的能量差决定：mnhEE激发态跃迁电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加吸收光子电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少辐射光子基态mnhEE(EmEn)rn=n2r1En=E1/n2r1=0.053nm（n=1，2，3，···）玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量2.这里的电势能Ep＜0，原因是规定了无限远处的电势能为零。这样越是里面轨道电势能越少，负得越多。3.量子数n=1定态，能量值最小，电子动能最大，电势能最小；量子数越大，能量值越大，电子动能越小，电势能越大。4.跃迁时电子动能、原子电势能与原子能量的变化：当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能Ep减小，电子动能增大，原子能量减小。反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大。－－－－－－－－－123450nE/eV∞赖曼系（紫外线）巴耳末系（可见光）帕邢系（红外线）布喇开系逢德系N=1N=2N=3N=4N=5N=6成功解释了氢光谱的所有谱线+巴耳末系-13.6eV-3.40eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0n=1n=2n=3n=4n=5n=巴尔末公式有正整数n出现，这里我们也用正整数n来标志氢原子的能级。它们之间是否有某种关系？22111()34,5,2Rnn　，巴尔末公式：1mR7=1.1010　　n=6n=5n=4n=1n=3n=21mR7=1.1010　　HδHγHβHαH22111()234,5,Rnn　，1.从高能级向低能级跃迁发射光子：以光子形式辐射出去（原子发光现象）。2.从低能级向高能级跃迁(1)吸收光子对于能量大于或等于13.6eV的光子(电离)；对于能量小于13.6eV的光子(要么全被吸收，要么不吸收)。(2)吸收实物粒子能量只要实物粒子动能足以使氢原子向高能级跃迁，就能被氢原子吸收全部或部分动能而使氢原子向高能级跃迁，多余能量仍为实物粒子动能。玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，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氦原子光谱量子化条件的引进没有适当的理论解释汤姆孙发现电子汤姆孙的西瓜模型α粒子散射实验卢瑟福的核式结构模型原子不可割汤姆孙的西瓜模型原子稳定性事实氢光谱实验卢瑟福的核式结构模型出现矛盾?玻尔模型复杂（氦）原子光谱量子力学理论玻尔模型出现矛盾否定建立否定建立出现矛盾否定建立否定建立怎样修改玻尔模型？思想：必须彻底放弃经典概念关键：用电子云概念取代经典的轨道概念电子在某处单位体积内出现的概率—电子云建立科学模型提出科学假说观察与实验所获得的事实1.按照波尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道上，有关能量变化的说法中，正确的是()A.电子的动能变大，电势能变大，总能量变大B.电子的动能变小，电势能变小，总能量变小C.电子的动能变小，电势能变大，总能量不变D.电子的动能变小，电势能变大，总能量变大D2.根据玻尔理论，某原子的电子从能量为E的轨道跃迁到能量为Eʹ的轨道，辐射出波长为λ的光，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则Eʹ等于()A.B.C.D.CEhc　Ehc　cEh　cEh　3.欲使处于基态的氢原子被激发，下列可行的措施是()A.用10.2eV的光子照射B.用11eV的光子照射C.用14eV的光子照射D.用11eV的电子碰撞ACDAD4.如图所示为氢原子的能级图，若用能量为12.75eV的光子去照射大量处于基态的氢原子，则()A.氢原子能从基态跃迁到n=4的激发态上去B.有的氢原子能从基态跃迁到n=3的激发态上去C.氢原子最多能发射3种波长不同的光D.氢原子最多能发射6种波长不同的光5.一群处于基态的氢原子吸收某种单色光的光子后，只能发出频率为ν1、ν2、ν3的三种光子，且ν1ν2ν3，则()A.被氢原子吸收的光子的能量为hν1B.被氢原子吸收的光子的能量为hν2C.ν1=ν2+ν3D.被氢原子吸收的光子的能量为hν1+hν2+hν3AC2200