原子结构和能级

d）完全的理解
量子力学的观点，波粒二象性 德布罗意物质波，电子波的波长为
h h
p mv
波的特性之一是，它在空间上可以是无限扩展的，这 就是波的非定域性。 从德布罗意的观点看： 玻尔的氢原子实际上就是一个德布罗意波在库仑场中 的情况。
3．不确定的关系—又称为测不准关系
是物质中一个极为重要的关系式，它包括 多种表达式，其中两个是：
t E h (2)Biblioteka Baidu
若一粒子在能量状态E只能停留时间 ，t 那么，在这段时间内粒子的能量状态并非 完全确定，它有一个弥散
E h / t
只有当粒子的停留时间为无限长时（稳 态）它的能量状态才是完全确定的。
例1
波尔的原子论不能解释:作加速运动的电子,为 什么不辐射能量落入原子核内?
测不准原理怎样解释?
x p h
(1)
表明：当粒子被局限在X方向的一个有限范围 内时x，它所相应的动量分量 Px 的数值必然 有一个不确定的数值范围 px ，两者的乘积 满足(1)
换言之：
当粒子的位置X完全确定（x 0），那么粒 子可以具有的动量Px的数值就完全不确定 （ px ），当粒子处于一个Px数值完全确 定的状态时（ px 0）我们就无法在X方向把 粒子固定住，即粒子在X方向的位置是完全不 确定的。
这种原子的同一性按经典的行星模型是无法 解释的。
无法解释原子的再生性
在太阳系中，一旦有彗星撞击到行星，则这颗行 星原来的状态将被打乱且永远不可能恢复到原来的 状态。
而一个原子在同外来粒子相互作用后，一旦这个 外来客体电离，这个原子便马上恢复到原来的状态， 就像未发生过任何事情一样，卢瑟福模型无法说明。
最重要的意义是提出了原子的“核式结 构”,提出了以核为中心的概念,从而将原 子分为核外与核内两个部分.
c)困难
无法解释原子的稳定性
任何带电粒子在作加速运动的过程中都要以发射电磁波的 方式放出能量，这样电子就不能永远绕着原子核转下去，因 为电子绕核转动的圆运动是加速运动，电子本身带有负电荷， 在加速运动中不断向外发射电磁波而不断失去自己的能量， 以致绕转的轨道半径越来越小，形成电子向着核作螺旋形的 运动，最后在非常短的时间内(10-9s的数量级)掉到核内去, 从而使正负电荷中和,原子全部崩溃(原子坍缩)。
在当时,普朗克和爱因斯坦的工作不受人们重视
例如：在索末菲主持的学术会议上谈到普朗 克假设时说“我们并不知道这个量子到底是不是 新东西。”
1913年，德国最著名的四位物理学家（包括普 朗克）在一封信中还把爱因斯坦的光量子概念说 成是“迷失了方向” 。
当时年仅28岁的丹麦物理学家尼尔斯•玻 尔，却创造性把量子概念用到了当时人们 持怀疑的卢瑟福原子结构模型，解释了近 3年的光谱之谜。
C）玻尔理论的困难
玻尔理论成功解释了氢光谱之谜,也可以很好地说明 特征X 光谱.
玻尔理论: 把微观粒子—经典力学中的质点 把经典力学的规律用于微观粒子.
矛盾: 1. 为什么核与电子之间的静电相互作用是有效的,而加速
电子在驻态(定态)时发射电磁辐射的能力却消失了。 2. 定态跃迁过程中发射和吸收辐射的原因 3. 电子从一个定态跃迁到另一个定态，中间态是什么？
2 原子的量子态:玻尔模型
1900年，普朗克(M.Planck)发表了著名的量子假说 当时很少有人注意他的文章 普朗克本人也不喜欢自己的“量子”
1905年，爱因斯坦, 光电效应, 光量子概念
这是20世纪初，物理学最重要的革命，而且量 子理论的出现预示着一次科学危机。
“好象基础从下面被抽掉了一样” ——爱因斯坦
的体积中,这个很小的体积称作原子核 它占有整个原子的 99.9 %以上的质量. 原子中的电子则处在核外的空间中, 圆周运动 高速
原子的大小:10-10m
质子,中子
原子是电中性的
质子数=电子数=原子序数
原子的基本特征可用符号
A Z
X表示
X 原子质量数 A 原子系数Z
元素符号
b)原子核式模型的意义:
在现实世界中，谁也没有见到有这类事发生，非但原子没 有崩溃,连丝毫变化都未曾有过。
无法解释原子的同一性
太阳系是由当初形成宇宙的初始条件决定的， 不同的初始条件不可能形成相同的结果，不可想 象还存在第二个完全一样的太阳系，然而，原子 的现实情况就不同了。我们轻而易举找到相同原 子，美国的、中国的、英国的、月球上的铁在原 子结构上没有丝毫的差别。
测不准原理解释
随着电子离核越来越近，即r越来越小，它将从 原子的线度 (0.1nm) 过渡到原子核的线度 (10-13cm)， 依照不确定关系，电子的动量将越来越不确定，电 子的平均动能将越来越大,电子的运动范围从0.1nm到 10-13cm时，它的平均动能约从10eV量级增大到1GeV 量级，电子从哪里能得到这样大的能量？！没有任 何这样的能量来源，因此，电子不能靠近原子核， 更不要说落入核内了。
4 量子力学中的原子结构
1)薛定鄂方程
§1 原子
原子 物理学
希腊文意思是“不可分割”的，对经 典物理来说，原子是否可分，不影响 经典物理所得到的规律
研究物质运动的最一般规律,基本相互 作用和物质基本结构的科学 随着近代物理学的发展,许多新的物理 现象不断出现,必须弄清楚原子的基本 结构
1 卢瑟福的原子核式模型
a)基本内容: • 原子中带正电部分集中在原子中心很小
玻尔假定：当电子从一个定态轨道跃迁到另 一个定态轨道时，会以电磁波的形式放出(或吸
收)能量,且: h En' En
3）角动量量子化
电子的角动量
L n n 1,2,3.......
玻尔处理原子结构所用的方法是：
对于电子绕原子核运动，用经典力学处理 对于电子轨道半径，则用量子条件来处理.
光谱实验 夫兰克—赫兹实验
玻尔模型
包含3部分内容(氢原子理论) 1)经典轨道加定态条件
玻尔认为:氢原子中的一个电子绕原子核作圆 周运动(经典轨道)，并作一个硬性的规定，电子 只能处于一些分立的轨道上，它只能在这些轨道 上绕核转运，且不产生电磁辐射。
2)频率条件 玻尔的观点，电子在定态轨道运动，不会发生
电磁辐射，因此就不会损耗能量而落入核内。 那么，在什么情况下产生辐射呢?