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1、第十八章 原子結(jié)構(gòu) 第四節(jié) 波爾的原子模型,人教版選修3-5,19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類叩開了微觀世界的大門，物理學(xué)家根據(jù)有研究提出了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的各種模型，盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型能夠很好的解釋散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到了許多人的支持，但是與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾，也有很多人反對(duì),歷史回顧,盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型存在哪些致命的弱點(diǎn)？,原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論的矛盾,核外電子繞核運(yùn)動(dòng),事實(shí)上：原子是穩(wěn)定的,輻射電磁波頻率只是 某些確定值,如何解決這個(gè)矛盾？ 哪些科學(xué)家的觀點(diǎn)可以啟發(fā)我們呢？,,2、能級(jí)假設(shè)：a.電子在不同軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子處于不同狀態(tài)具有不同能量，所以原子能量也是量子化的。b.原子量

2、子化的能量值叫能級(jí)；原子中這些具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)叫定態(tài)；能量最低的狀態(tài)叫基態(tài)，其他狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)。（本假設(shè)是針對(duì)原子穩(wěn)定性提出的）,3、頻率條件：電子從一種定態(tài)軌道（設(shè)能量為Em）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為En）時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即 （本假設(shè)針對(duì)線狀譜提出）,1、軌道量子化：圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值，即電子的軌道是量子化的。（針對(duì)原子核式模型提出，是能級(jí)假設(shè)的補(bǔ)充）,一、玻爾原子理論的基本假設(shè),（1913年玻爾提出）,軌道半徑：,能 量：,（n=1,2,3),式中r1 =0.5310-10 、E1=-1

3、3.6ev分別代表第一條（即離核最近的）可能軌道的半徑和電子在這條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，rn、En 分別代表第n條可能軌道的半徑和電子在第n條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量（包括動(dòng)能和勢(shì)能） ，n是正整數(shù)，叫量子數(shù)。,二、玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋,思考： 比較 和 ，利用波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系，試推導(dǎo)氫原子能級(jí)表達(dá)式。如何解釋你得到的結(jié)論？,氫原子中電子的可能軌道半徑和相應(yīng)的能量,,,,,,,,,,,,,,,-13.6,-3.4,-1.51,-0.85,-0.54,0 eV,n,E/eV,,基態(tài),,激發(fā)態(tài),,,,,,,賴曼系,,,,,,巴耳末系,,,,,帕邢系,,,,,,布喇開系,普豐德系,2、

4、氫原子的能級(jí)圖,n=6,n=5,n=4,n=1,n=3,n=2,,,,,根據(jù)：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),（巴爾末系）,H,H,H,H,,,,,,,,H,H,H,H,,,,,,,巴爾末系氫吸收光譜,,,玻爾理論解決了原子的穩(wěn)定性和輻射的頻率條件問(wèn)題，但是也有它的局限性,,在解決核外電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)成功引入了量子化的觀念,,,同時(shí)又應(yīng)用了“粒子、軌道”等經(jīng)典概念和有關(guān)牛頓力學(xué)規(guī)律,除了氫原子光譜外，在解決其他問(wèn)題上遇到了很大的困難,三、玻爾

5、模型的局限性,,氦原子光譜,量子化條件的引進(jìn)沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦碚摻忉尅?,夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)的歷史背景及意義：,1911年，盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說(shuō)運(yùn)用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個(gè)重要概念：原子定態(tài)能級(jí)和能級(jí)躍遷概念。電子在能級(jí)之間躍遷時(shí)伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差。隨著英國(guó)物理學(xué)家埃萬(wàn)斯對(duì)光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。隨后，在1914年，德國(guó)科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法(與光譜研究相獨(dú)立)，

6、簡(jiǎn)單而巧妙地直接證實(shí)了原子能級(jí)的存在，從而為玻爾原子理論提供了有力的證據(jù)。,科學(xué)足跡,1925年，由于他二人的卓越貢獻(xiàn)，他們獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1926年于德國(guó)洛丁根補(bǔ)發(fā)）。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)至今仍是探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段之一。所以，在近代物理實(shí)驗(yàn)中，仍把它作為傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。,(JAMES FRANCK),(GUSTAV HERTZ),夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ),,,根據(jù)玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一種狀態(tài)相應(yīng)于一定的能量值Ei(i=1,2,3)，這些能量值稱為能級(jí)。最低能級(jí)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級(jí)所對(duì)應(yīng)的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。 當(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀

7、態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)就會(huì)吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差。,,(h為普朗克常數(shù)),本實(shí)驗(yàn)中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實(shí)現(xiàn)，并滿足能量選擇定則：,,(為激發(fā)電位),夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)玻璃容器充以需測(cè)量的氣體，本實(shí)驗(yàn)用的是汞。電子由陰級(jí)K發(fā)出，K與柵極G之間有加速電場(chǎng)，G與接收極A之間有減速電場(chǎng)。當(dāng)電子在KG空間經(jīng)過(guò)加速、碰撞后，進(jìn)入KG空間時(shí)，能量足以沖過(guò)減速電場(chǎng)，就成為電流計(jì)的電流。,,,實(shí)驗(yàn)原理：,改進(jìn)的夫蘭克-赫茲管的基本結(jié)構(gòu)見右圖。電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子

8、加速。在板極A和第二柵極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2A。,,,,設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E0，第一激發(fā)態(tài)的能量為E1，初速為零的電子在電位差為V的加速電場(chǎng)作用下，獲得能量為eV，具有這種能量的電子與汞原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子能量eV

9、、對(duì)經(jīng)典電磁理論中關(guān)于“做加速運(yùn)動(dòng)的電荷要輻射電磁波”的觀點(diǎn)表示贊同 C、用能量轉(zhuǎn)化與守恒建立了原子發(fā)光頻率與原子能量變化之間的定量關(guān)系 D、玻爾的兩個(gè)公式是在他的理論基礎(chǔ)上利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)計(jì)算出來(lái)的,ACD,課堂練習(xí),2、下面關(guān)于玻爾理論的解釋中，不正確的說(shuō)法是（ ） A、原子只能處于一系列不連續(xù)的狀態(tài)中，每個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一定的能量 B、原子中，雖然核外電子不斷做加速運(yùn)動(dòng)，但只要能量狀態(tài)不改變，就不會(huì)向外輻射能量 C、原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，一定要輻射一定頻率的光子 D、原子的每一個(gè)能量狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一個(gè)電子軌道，并且這些軌道是不連續(xù)的,C,3、根據(jù)玻爾理論，氫原子中，量子數(shù)N越大，則下列說(shuō)法中正確的是（ ） A.電子軌道半徑越大 B.核外電子的速率越大 C.氫原子能級(jí)的能量越大 D.核外電子的電勢(shì)能越大,4、根據(jù)玻爾的原子理論，原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的半徑（ ） A.可以取任意值 B.可以在某一范圍內(nèi)取任意值 C.可以取一系列不連續(xù)的任意值 D.是一系列不連續(xù)的特定值,D,ACD,5、按照玻爾理論，一個(gè)氫原子中的電子從一半徑為ra的圓軌道自發(fā)地直接躍遷到一半徑為rb的圓軌道上，已知rarb，則在此過(guò)程中（ ） A、原子要發(fā)出一系列頻率的光子 B、原子要吸收一系列頻率的光子 C、原子要發(fā)出某一頻率的光子 D、原子要吸收某一頻率的光子,C,