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📜  玻尔的氢原子模型

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:12.750000             🧑  作者: Mango

玻尔的氢原子模型

氢原子的玻尔模型是第一个成功解释原子氢辐射光谱的原子模型。尼尔斯·玻尔在 1913 年提出了原子氢模型。氢原子的玻尔模型试图填补卢瑟福模型留下的一些空白。它在历史上具有特殊的地位，因为它引入了量子理论，从而产生了量子力学。

与价壳原子模型相比，玻尔模型是氢原子的更基本的表示。它可能被确定为使用更广泛和更精确的量子力学对氢原子的一阶近似，因此可能被视为过时的科学理论。亚瑟·埃里希·哈斯（Arthur Erich Haas）在 1910 年提出了一个类似的量子模型，但直到 1911 年索尔维大会才被否决。旧量子论是指普朗克发现量子（1900年）到引入成熟量子力学（1925年）之间存在的量子论。

原子的行星模型

量子力学最早出现在 1920 年代中期。量子力学的创始人之一尼尔·玻尔对当时一个备受争议的话题——原子的结构很感兴趣。出现了许多原子模型，包括 JJ Thompson 的理论和 Ernest Rutherford 的原子核发现。然而，玻尔支持行星模型，该模型指出电子围绕带正电的原子核旋转，就像行星围绕太阳旋转一样。

氢原子假设的玻尔模型

  1. 一个原子，例如氢原子，有许多稳定的圆形轨道，其中可以保留一个电子。
  2. 一个电子保持在一个特定的轨道上，其中没有能量被发射或吸收。
  3. 当一个电子可以从一个轨道跳到另一个具有更多能量吸收的轨道，但从一个轨道跳到另一个具有较低能量发射的轨道时。
  4. 电子在轨道上的角动量是h/2π的整数倍。这个整数倍被称为氢原子的初级量子能级。因此， mvr = nh/2π ，其中 m = 电子质量，v = 电子切向速度，r = 玻尔能级半径。

原子线光谱

量化的另一个例子是原子线谱。当元素或离子被火焰加热或被电流激发时，被激发的原子会发出特定颜色的光。发射的光可以被棱镜折射，由于特定波长的光的发射，导致光谱具有明显的条纹外观。在氢原子相对简单的情况下，一些发射线的波长甚至可以拟合到数学方程中。然而，这些方程式并没有解释为什么氢原子会发出这些特定波长的光。在玻尔的氢原子模型之前，科学家们对为什么原子发射光谱被量化感到困惑。

玻尔方程

氢原子的玻尔模型首先提出了行星模型，但后来提出了关于电子的假设。假设是原子的结构可以量化。玻尔提出电子在固定半径轨道或壳层中围绕原子核运行。只允许具有由以下等式指定的半径的壳层，并且这些壳层之间不能存在电子。该方程给出了原子半径允许值的数学表达式。

r(n) = n 2 × r(1)

其中 n 是正整数，r(1) 是氢原子允许的最小半径，也称为玻尔半径。玻尔半径的值为：

r(1) = 0.529 × 10 -10 m

通过考虑圆形量子化轨道中的电子，玻尔计算了氢的第 n 级电子的能量：

E(n) = -(1/n 2 ) × 13.6 eV

其中 E 是氢电子的最低可能能量，13.6 eV 是氢电子 E(1) 的最低可能能量。获得的能量始终为负数，基态 n = 1 具有最大负值。原因是轨道上的电子的能量与完全脱离原子核的电子的能量有关，n=无穷大，其能量为0 eV。因为在围绕原子核的固定轨道上的电子比远离原子核的电子更稳定，所以轨道上的电子能量总是负的。

吸收和发射：根据玻尔的模型，为了被激发到更高的能级，电子将以光子的形式吸收能量。被激发的电子在逃逸到更高的能级（也称为激发态）后变得不太稳定，因此会迅速发射光子以返回到更低、更稳定的能级。特定跃迁的两个能级之间的能量差等于发射光子的能量。

氢原子玻尔模型的局限性：

  1. 通过将电子视为具有已知半径和轨道，它违反了海森堡不确定性原理。
  2. 玻尔模型错误地计算了基态轨道角动量。
  3. 它错误地预测了更大原子的光谱。
  4. 谱线的相对强度无法预测。
  5. 玻尔模型没有解释谱线中的精细和超精细结构。
  6. 它没有考虑塞曼效应。

尽管现代量子力学模型和氢原子玻尔模型看似截然相反，但两者的基本思想是相同的。经典物理学无法充分描述发生在原子水平上的所有现象。

更重原子的玻尔模型

较重原子的原子核比氢原子的原子核含有更多的质子。为了抵消所有这些质子的正电荷，需要更多的电子。根据玻尔的说法，每个电子轨道只能容纳一定数量的电子。当水平已满时，额外的电子被移动到下一个水平。因此，对于较重的原子，玻尔模型解释了电子壳层。该模型解释了较重原子的一些原子特征，该模型以前从未被复制过。

例如，壳模型解释了为什么原子在通过元素周期表的一个周期（行）时变得更小，同时拥有更多的质子和电子。它还解释了为什么惰性气体是惰性的，以及为什么元素周期表左侧的原子吸引电子而右侧的原子失去电子。然而，由于该模型假设壳层中的电子不相互作用，因此无法解释为什么电子似乎以不规则的方式堆叠。

玻尔模型的改进

Sommerfeld 模型，有时也称为 Bohr-Sommerfeld 模型，是对 Bohr 模型最显着的改进。在这种情况下，电子在围绕原子核的椭圆轨道而不是圆形轨道中传播。 Sommerfeld 模型更好地解释了原子光谱效应，例如谱线分裂中的斯塔克效应。然而，该模型无法处理磁量子数。 1925 年，波尔模型和基于它的模型被沃尔夫冈泡利的基于量子力学的模型所取代。该模型经过修改以产生目前的模型，该模型是欧文·薛定谔于 1926 年引入的。今天，波动力学被用来描述原子轨道，以了解氢原子的行为。

自玻尔氢模型以来的发现

玻尔模型在解释氢原子和其他单电子系统（如 He + ）方面做得非常出色。不幸的是，当应用于更复杂原子的光谱时，它的表现并不好。此外，玻尔模型没有解释为什么有些谱线比其他谱线更强烈，或者为什么有些谱线在存在磁场的情况下会分裂成多条谱线。

在接下来的几十年里，像 Erwin Schrödinger 这样的科学家证明，电子可以被认为是波和粒子。这意味着不可能同时知道电子在空间中的位置和速度，正如海森堡的不确定性原理中更准确地说的那样。玻尔关于电子存在于已知速度和半径的特定轨道上的想法与不确定性原理相矛盾。相反，我们只能计算在原子核周围的特定空间区域中找到电子的机会。

现代量子力学模型似乎与玻尔模型大相径庭，但中心思想保持不变：经典物理学不足以解释原子水平的所有现象。玻尔是第一个认识到这一点的人，他将量子化的概念结合到氢原子的电子结构中，使他能够解释氢和其他单电子系统的发射光谱。

示例问题

问题一：什么是亚原子粒子？

回答：

问题二：玻尔的原子模型有什么缺点？

回答：

问题 3：如何确定给定同位素的原子核中的中子总数？

回答：

问题4：同位素的原子结构如何变化？

回答：

问题5：原子的结构是什么？

回答：