5．玻尔原子结构理论——站在巨人的肩膀上创新，才能成功

【知识内涵】氢原子核内只有一个质子，核外只有一个电子，它是最简单的原子。在氢原子内，这个电子在原子核外是怎样运动的呢？这个问题表面看来似乎不太复杂，但却长期使许多科学家既神往又困扰，经历了一个生动而又曲折的探索过程。1913年，玻尔提出了氢原子结构的玻尔理论，它是在爱因斯坦的光子学说、普朗克的量子化学说、氢原子的光谱实验、卢瑟福的有核模型的基础上建立的理论。玻尔的氢原子结构的量子力学模型是基于下述3条假定：

图1.7 玻尔原子结构理论

①关于固定轨道的概念：玻尔模型认为，电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动。固定轨道是指符合一定条件的轨道，这个条件是，电子的轨道角动量L只能等于的整数倍：

式中m和v分别代表电子的质量和速度，r为轨道半径，h为普朗克常数，n为量子数(Quantum Number)，取1,2,3, …正整数。轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约，图1.7中示出的这些固定轨道，从距核最近的一条轨道算起，n值分别等于1,2,3。根据假定条件算得n=1时允许轨道的半径为53 pm，这就是著名的玻尔半径。

②关于轨道能量量子化的概念：电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化。即原子只能处于上述条件所限定的几个能态，不可能存在其他能态。

定态(Stationary State)：所有这些允许能态之统称。核外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动，且不辐射能量。

基态(Ground State):n值为1的定态。通常电子保持在能量最低的这一基态。基态是能量最低即最稳定的状态。

激发态(Excited State)：指除基态以外的其余定态。各激发态的能量随n值增大而升高。电子只有从外部吸收足够能量时才能达到激发态。

③关于能量的吸收和发射：玻尔模型认为，只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1)跃迁时，原子才能以光子的形式放出能量(即定态轨道上运动的电子不放出能量)，光子能量的大小取决于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差。根据普朗克关系式：

该能量差与跃迁过程产生的光子的频率成正比。如果电子由能量为E1的轨道跃至能量为E2的轨道，显然应从外部吸收同样的能量。

【思政核心】

①成功观：站在巨人的肩膀上，善于学习，善于总结，大胆创新(图1.8)。

图1.8 创新(江庆 作)

②辩证否定，善于扬弃：既批判又继承，既克服消极因素，又保留积极因素。

③发展观：人接受外部能量，就会从基态跃迁至激发态，就能发光放热。

【讲授方法】玻尔是在爱因斯坦的光子学说、普朗克的量子化学说、氢原子的光谱实验、卢瑟福的有核模型的基础上建立了玻尔理论，他是站在巨人的肩膀上获得的成功。我们也要学会辩证否定，善于扬弃，既批判又继承，既克服消极因素，又保留积极因素。学会站在巨人的肩膀上，善于学习，善于总结，善于提高，提出自己的观点，大胆创新。

再者，人也好比基态原子，一般不释放能量，但是，当人接受外部压力或激发时，就会从基8态跃迁至激发态，就能发光放热。