原子物理论文(玻尔模型)

原子物理课程论文（设计）过程管理手册

（2012 ）级

论文（设计）题目：

玻尔模型

学院：物理科学与技术学院

专业：科学教育

学号： ************ *名：***

指导老师姓名及职称：魏代会教授

玻尔模型

专业：科学教育 学号：201210800091 姓名：项利安 指导老师：魏代会 摘要 原子是物质结构的微小单元，那么原子内部的结构是怎样的呢？从古至今这一直都是困扰着人类的问题。从道尔顿的实心球模型到汤姆孙的葡萄干面包模型然后到卢瑟福的核式结构模型再到玻尔的氢原子模型最后到现在的电子云模型。人类对原子内部结构的探索在不断地深入。而玻尔模型的提出在原子结构研究方面具有重要的意义，在对物质结构的认识史和物理学发展史上是一个重大的成果。本文从玻尔模型的提出简史、玻尔理论的主要内容、玻尔模型的实验验证三个方面对玻尔模型进行解释。

关键词 玻尔模型，量子化，玻尔理论

引言

玻尔模型如图1是丹麦物理学家尼尔斯·玻尔于1913年

提出的关于氢原子结构的模型。玻尔在卢瑟福模型的基础上，

提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性

问题，很好地解释了氢原子光谱，描绘出了完整而令人信服

的原子结构学说。玻尔理论能准确的推出巴耳末公式，并能

纯粹从理论上算出里德伯常数，与实验值非常符合。玻尔理

论是原子结构和原子光谱理论的一个重大进展，对原子物理

学产生了深远的影响。玻尔由于对于原子结构理论的贡献获

得诺贝尔物理学奖。他所在的理论物理研究所也在二三十年代成为物理学研究的中心。

1 玻尔模型的提出简史

玻尔模型是建立在物理学三个方面进展的基础上提出的，它们分别是：以黑体辐射的事实发展出来的量子论、以实验为基础的原子核式结构模型、光谱的实验资料和经验规律。

1.1 黑体辐射——量子假说

黑体是科学家们假设出的，自然界并不存在的一种物质。这种物质对什么光都吸收而无反射。由于冶金学和天文学的需要，大大推动了对热辐射的研究。而黑体可以撇开材料的具体性质来研究热辐射本身的规律，在热辐射中占据十分重要的地位，从而科学家对黑体辐射的研究渐渐深入。维恩在通过实验测得黑体辐射本领R(λ，T)在不同温度T 下，随λ的变化规律后，根据热力学理论得出了频率在(ν，ννd +)之间的辐射能量密度E(ν，T)的经验关系公式，但此公式在低频部分与实验结果有显著偏差。同样，瑞利和金斯根据经典电动力学和统计物理学导得的公式在高频部分会出现紫外灾难，与实验事实和实际严重不符。这说明经典

物理已经不能完全解释自然界中的所有现象。黑体辐射问题引爆了物理界的“量子革命”。1900年普朗克为解释黑体辐射问题发表了著名的量子假说。他认为电磁辐射的能量交换只能是量子化的，即νnh E =，n=1,2,3，……；这里的h 被称为普朗克常量，是能量量子化的量度。虽然量子化的概念同经典物理严重背离，但由它而推导出的黑体能量密度的分布公式却能以惊人的精确性与实验结果相符合如图2，弥补了维恩经验公式和瑞利—金斯公式的不足。因为普朗克的量子说与经典物理的概念是如此之不同，因此在普朗克公式正式提出的五年之中，没有人对其加以理会。直到1905年，才由爱因斯坦做出了发展，提出光量子说，用νh E =成功的解释了光电效应。而玻尔模型就是把量子说引入卢瑟福模型而提出的。下面我们一起来看一下卢瑟福模型的提出。

1.2 卢瑟福模型

1909年，卢瑟福的助手盖革和学生马斯顿在用α粒子轰击原子的实验中，发现α粒子在轰击原子时有大约八千分之一的概率被反射回来了。对于这样可谓是东方夜谭的实验结果，卢瑟福在感到惊讶之余并没有因为

它的不可思议而放弃对它的研究，反而在充分接受实验事

实的基础上对试验结果进行严谨的理论推理。最终于1911

年提出了原子的核式结构模型如图3。他认为原子内的正

电荷并不均匀分布在整个原子球内，而是集中在原子的中

心，我们可称其为原子核。原子核在原子中所占的体积只

有原子大小的万分之一，但它占有整个原子99.9%以上的

质量。带负电的电子则分布在与原子大小同数量级的封闭

轨道上绕核旋转。卢瑟福的核式结构模型能很好的解释α

粒子散射实验中出现的大角散射现象，并且卢瑟福推导出了能用实验验证的卢瑟福公式，实验结果进一步证明了卢瑟福理论的正确性。但是卢瑟福模型并不是完

美无缺的，它不能解释原子的稳定性、同一性和再生性问题。【1】所以就像普朗克的

量子论一样，当时的卢瑟福模型并不为当时的物理学界认可。从中我们知道有的时候真理掌握在少数人的手中。当时，年轻的玻尔正在卢瑟福所在的实验室工作，他对卢瑟福模型的优点和不足进行了深入的了解，为他后来提出玻尔模型（氢原子模型）奠定了基础。

1.3 光谱实验材料

光谱的实验规律是探索原子内部结构的重要资料，对原子结构理论的发展起了很大的作用。1913年2月，当玻尔看到氢原子光谱线的经验表达式时，他敏锐的察觉到了原子的发光现象与原子内部结构间的密切联系，从中顿时受到启发。正如他后来回忆所说的那样：“就在我看到巴耳末公式的那一瞬间，突然一切都清

楚，”“就像是七巧板游戏中的最后一块”。【2】这件事被称为玻尔的“二月转变”。 1885年，瑞士的物理学家巴耳末发现氢原子光谱中可见光区的谱线的波数ν

~（波长的倒数）之间的关系可用下列简单公式表示： )121(41~2

'2n B -=≡λν，'n =3，4，5，…… (1) 式中B=364.56nm ，是个经验常数。根据这个公式算得的波长数值在实验误差范围内与测到的数值完全一致，后人称这个公式为巴耳末公式，而将它所表达的一组谱线称为巴耳末系。之后氢原子光谱的其它谱线系也先后被发现，一个在紫外区，由莱曼发现，还有三个在红外区，分别由帕邢、布拉开、普丰德发现。这些谱线