玻爾的原子模型明明是錯的,為何還要學習?

2020-12-03 刁博

物質是由原子、分子、離子組成的,原子的結構是什麼樣子的?隨著人類認識的逐步深入,原子的模型也是在逐漸變化的。歷史上盧瑟福給出的行星模型以及玻爾給出的分層模型是很有影響力的模型,後來也被人們認識到其中的不足。之後電子云模型逐步被科學界接受。

人類已經認識到微觀粒子有波粒二象性,認識到不確定原理,認識到電子沒有軌道的概念,可是目前原子的行星模型和玻爾的氫原子模型依然寫在教科書中。這是有原因的。

人的學習要循序漸進,先簡單後複雜,人類對世界的認識也是一個循序漸進的過程。沒有學過微積分就去學量子力學,那是不可能學好的。玻爾的氫原子模型可謂是聯繫經典物理學和量子力學的一個樞紐,在學習量子力學以及量子力學給出的電子云模型之前必須要學習玻爾的氫原子模型。

在玻爾之前,普朗克於1900年給出了量子的概念,愛因斯坦於1905年將量子化的概念應用到電磁波中,成功解釋了光電效應。1913年,玻爾將量子化的概念應用到氫原子中,提出電子只能在特定的軌道上繞原子核轉動,這就是軌道的量子化。電子在不同的軌道上原子的能級也是不一樣的,這體現出能量的量子化。

玻爾的氫原子模型很好地解釋了氫原子光譜,理論和實驗值吻合得非常好。該模型還能夠解釋氘的光譜以及電離掉一個電子後氦的光譜。該模型取得了非常大的成功,玻爾也憑此獲得了1922年的諾貝爾物理學獎。

正是因為玻爾成功地解釋了氫原子光譜,量子論才被越來越多的科學家接受。玻爾也因此成為了量子力學哥本哈根派的領軍人物。

玻爾的模型保留了軌道等經典的概念,也給出了定性的假設。在解釋比氫稍微複雜的氦的光譜時玻爾就遇到了困難,後來發現的氫原子光譜的精細結構也讓玻爾束手無策。量子力學建立起來後,玻爾的一些假設可以自然而然地推導出來,玻爾的原子模型開始讓位給電子云模型。儘管如此,玻爾的模型由於簡單、便於理解,會一直寫在物理學的教科書中。

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    1912 年的 3—7 月間,玻爾根據普朗克的量子論假設,針對盧瑟福的原子模型提出假設玻爾仔細研究了巴耳末氫原子譜線的公式,將盧瑟福的原子行星模型、普朗克的量子論假設與巴耳末公式三者相結合,發現正是電子跳躍引起的能量變化使得原子發出一定波長的譜線。這為玻爾理論的出現打下基礎。
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    幾個月後,玻爾又轉到曼徹斯特,在厄內斯恃·盧瑟福手下從事研究,盧瑟福數年前曾發現了原子核。盧瑟福提出,原子大部分是空的,中心有一個重核,電子在其外圍。不久玻爾就提出了他自己的更新的原子結構理論。玻爾劃時代的論文《論原子與分子的構造》1913年發表於《哲學雜誌》玻爾的理論把原子比作一種縮小了的太陽系,電子圍繞重核旋轉——但其中也有一極重要的不同,即在經典物理學定律中旋轉軌跡的大小是任意的,而玻爾假定原子中的電子只在某一特定大小的軌道上運行。只有全部角動量是普朗克常數的倍數的原子其旋轉範圍才是成立的,不允許有中介值。每一容許的旋轉軌跡都有確定的能量與之相聯。
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    1 提出問題玻爾氫原子模型在量子理論發展史上有著非常重要的地位,在模型中玻爾根據對應原理思想得出了氫原子軌道穩定性的量子化條件:只有電子角動量為
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    這一原理不但在光譜方面,而且在原子和分子的其他一些性質方面的出來定量的結果。1927年,尼爾斯提出了「並協原理」,認為在不同實驗條件下獲得的有關原子系統的事實,不能用單一的模型去解釋,電子的波動模型與它的粒子性是互補的。    1936年,尼爾斯•玻爾提出原子核結構的符合核理論——液滴模型,這是說明原子核各種現象的一個適應模型。1939年,他提出了重核裂變的液滴模型理論。
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    尼爾斯.玻爾是20世紀偉大的量子物理學家,哥本哈根學派的精神領袖。在丹麥的玻爾檔案館,玻爾的辦公桌上擺放著一枚精緻的印璽,它是出自誰之手呢?這就是今天我們要說的石油大學的戈革先生。戈革,我國著名翻譯家、科學史家、玻爾研究專家。他專注物理學史研究,特別是玻爾的生平、學術和思想,獨力翻譯12卷本《玻爾文集》,被授予「丹麥國旗勳章」。他擅長舊體詩詞、治印、書法、繪畫和雜文。他一生工作勤奮,著作、翻譯共40餘種,約2000萬字。
  • 你腦海中的原子模型是什麼樣的?
    最近,我突然發現有許多人都沒有正確地認識原子模型。我指的這些人是他們知道原子是構成萬物的基本單元,但卻沒有正確地認識原子的結構。我認為「原子」這個概念是每一個人都必須知道的科學術語,畢竟你、我、包括日常我們見到的所有東西都是由原子構成的。所以,今天我們就簡單地從原子模型的發展歷史來正確的認識目前已知最準確的原子模型。
  • 氫的史詩:原子模型 - 全國能源信息平臺
    因為去到曼徹斯特之後,他的心思完全不在實驗上,而是集中到了盧瑟福原子模型的問題之上,與其在英國那破地方吸霧霾,倒不如回到山清水秀的丹麥老家靜靜思考。那麼盧瑟福模型究竟面臨著怎樣的問題呢?玻爾指出,相對於有史以來的所有原子模型,盧瑟福模型確實是最接近原子真實狀態的,但它仍然有一個致命傷,那就是不穩定。
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    大家如果能在這部分內容多下功夫對以後的學習會有很大幫助。今天,老師會從幾個方面告訴大家怎麼把這部分內容學好。首先是原子結構部分內容,這部分空降了很多大學內容,理解起來比較費勁,建議大家從原子結構模型的演變開始,教材介紹的很簡略,我建議大家可以參考下高中物理的有關內容深入學習這部分,從道爾頓原子學說開始,到湯姆遜發現電子提出葡萄乾布丁模型,再到盧瑟福用阿爾法粒子轟擊金箔提出核式結構模型,玻爾為解釋氫原子光譜提出的分層結構模型
  • 原子結構模型理論
    盧瑟福——行星軌道式原子核殼模型(盧瑟福在其學生蓋革、馬斯頓的α粒子散射實驗之後提出),認為原子的質量幾乎全部集中在直徑很小的核心原子核區域,電子在原子核外繞核作高速運動玻爾原子理論——軌道式原子模型(用於單電子體系)原子中的電子在具有確定的穩定半徑的圓周軌道上繞原子核運動,並且不輻射能量;不同軌道上運動的電子具有不同能量
  • 玻爾原子結構理論你了解嗎?它和愛因斯坦受激輻射又有什麼關聯?
    同能量不是無限可分的這一性質的發現相反,世紀交替時另一個重大發現是原子的可分性,這是元素的放射性和電子發現的必然後果。根據這些發現,法國物理學家佩蘭於1901年在一次通俗演講中提出一種原子結構模型,認為原子的中心是一些帶正電的粒子,外面圍繞著一些電子,電子運行的周期就對應於原子發射光譜譜線的頻率。