人教版高中物理选修3--5第十八章原子结构18-4玻尔的原子模型(共52张PPT)
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1、,19世纪末20世纪初,人类叩开了微观世界的大门,物理学家根据研究提出了关于原子结构的各种模型,卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释实验现象,得到了多数人的支持,但是与经典的电磁理论发生了矛盾,著名的 粒子散射实验,新课标高中物理选修35,第十八章 原子结构,4 玻尔的原子模型,卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了a粒子的散射实验,初步建立了原子结构的正确图景,但跟经典的电磁理论发生了矛盾。1、原来,电子没有被库仑力吸引到核上,它一定是以很大的速度绕核运动,就象行星绕着太阳运动那样。按照经典理论,绕核运动的电子应该辐射出电磁波,因此它的能量要逐渐减少。随着能量的减少,电子绕核运行的轨道半径也要减
2、小于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核,就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。 这样看来,原子应当是不稳定的,然而实际上并不是这样。,玻尔提出原子模型的背景:,2、同时,按照经典电磁理论,电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率,随着运行轨道半径的不断变化,电子绕核运行的频率要不断变化,因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样,大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱。,玻尔提出原子模型的背景:,按照经典物理学的观点去推断,在轨道上运动的电子带有电荷,运动中要辐射电磁波,电子损失了能量,其轨道半径不断缩小,最终落在原子核上由于电子轨道的
3、变化是连续的,辐射电磁波的频率也会连续变化,事实上,原子是稳定的,辐射电磁波的频率也只是某些确定的值,1885年,玻尔(Neils Bohr) 出生于丹麦哥本哈根。他的父亲是哥本哈根大学一名杰出的生理学教授,母亲出生于一个在银行、政治和教育各界中均很活跃的富有犹太人家庭。父母从小便很关心玻尔,使他的天赋得以充分发挥。1903年,玻尔入读哥本哈根大学,主修物理学。玻尔尚未毕业时,便巳经锋芒毕露,他通过观察喷射的水流就能精密测量出水的表面张力。1909年,玻尔获理科硕士学位,1911年获哲学博士学位。,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
4、个矛盾,1913年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。,人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱,不过那时候无法解释为什么气体光谱只有几条互不相连的特定谱线,人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱,不过那时候无法解释为什么气体光谱只有几条互不相连的特定谱线,玻尔理论很好的解释了氢原子的光谱,原子从高能级跃迁到低能级时,辐射光子的能量等于前后两个能级之差由于原子的能级不连续,所以辐射的光子的能量也不连续,从光谱上看,原子辐射光波的频率只有若干分立的值,丹麦物理学家N.玻尔意识到了经典理论在解释原子结构方面的困难。在普朗克光与黑体辐射
5、的量子论和爱因斯坦关于光子的概念的启发下,他在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。 玻尔的原子结构模型包括以下两方面的内容。,一、玻尔原子理论的基本假设,玻尔认为,原子中的电子在库仑引力的作用下,绕原子核做圆周运动,服从经典力学的规律。但不同的是,电子运行轨道的半径不是任意的,只有当半径的大小符合一定条件时,这样的轨道才是可能的。也就是说,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。 玻尔的理论和我们的日常观念有很大的不同。 人们常把原子核和它周围的电子比做太阳系或者地球和人造卫星。以地球和人造卫星为例,假如我们发射
6、了一颗卫星,在一定的圆轨道上运行。如果需要,可以使这颗卫星的能量稍大一些,在更大一些的轨道上运行。只要技术条件能够达到,轨道半径可以按照需要任意取值。这种情况下,我们说,轨道半径是连续的。,(一)轨道量子化与定态,但是,并非把这个模型缩小就可以看做原子核和它周围电子的运动。在玻尔的理论中,电子的轨道半径只可能是某些分立的数值。例如,氢原子中电子轨道的最小半径为0.053nm,不可能再小了;电子还可能在半径是0.212nm、0.477nm.的轨道上运行,但是轨道半径不可能是介于这些数值中间的某个值!当电子在不同的轨道上运动时,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,因此,
7、原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。原子中这些具有确定能量的稳定状态,称为定态。能量最低的状态叫做基态,其他的状态叫做激发态。通常用一个或几个量子数来标志各个不同的状态,如可以用n=1、2、3、4来标志能量分别为E1、E2、E3、E4.的氢原子基态(n=1)和激发态(n=2、3、4),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,一、玻尔原子理论的基本假设:,按照玻尔的观点,电子在一系列定态规道上运动,不会发生电磁辐射。那么,如何解释观察到的原子光谱呢?对此,玻尔假定:当光子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(其能量记为En,mn)时,会放
8、出能量为h 的光子(h为普朗克常量),这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定,即EmEnh.(1)这个式子被称为频率条件,又称辐射条件。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,吸收的光子的频率同样由频率条件决定。,(二)频率条件,1、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,2、原子在不同的轨道上运动时,原子处于不同的状态波尔指出,原子的不同的状态中具有不同的能量,所以原子的能量也量子化的,1913年玻尔提出了自己的原子结构假说,轨道量子化假说,能量量子化假说,针对原子的核式结构模型,针对原子的稳定性,一、玻尔原子
9、理论的基本假设:,玻尔,3、当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为m)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为n,mn)时,会放出能量为h的光子(h是普朗克常量),这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定,即 hm-n 称为频率条件,又称辐射条件,1913年玻尔提出了自己的原子结构假说,针对原子光谱是线状谱提出,跃迁假说,一、玻尔原子理论的基本假设:,玻尔,一、玻尔原子理论的基本假设:,1、能级(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,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。(本假设是针对原子稳定性提出的),2、跃迁假设:原子从一种定态(设能量为E初
10、)跃迁到另一种定态(设能量为E终)时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定,即 (本假设针对线状谱提出),3、轨道量子化假设:原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。(针对原子核式模型提出,是能级假设的补充),4、玻尔根据经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量(包括动能和势能)公式:,rn=n2r1,轨道半径:,(n=1,2,3),能 量:,(n=1,2,3),式中r1、E1、分别代表第一条(即离核最近的)可能轨道的半径和电子在这条轨道上运
11、动时的能量,rn、En分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量,n是正整数,叫量子数。(能量级模拟演示),二、玻尔理论对氢光谱的解释 从玻尔的基本假设出发,运用经典电磁学和经典力学的理论,可以计算氢原子中电子的可能轨道半径及相应的能量。氢原子的能级图如图18.4-2所示。,氢原子的能级图(演示),-13.6,-3.4,-1.51,-0.85,-0.54,0 eV,n,E/eV,氢原子的能级图,思考和讨论 巴耳末公式中正整数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联系?,1、能级:氢原子的各个定态的能量值,叫它的能级.,能级:,2、基态:在正常状态
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