玻尔原子理论的发展论文.docx

摘要玻尔原子理论是20世纪初期物理学取得的重要成就，对原子物理学产生了深远的影 响随着人类社会实践活动的发展，玻尔原子理论的研究内容和范围在不断变化，它的研 究领域在不断拓展回顾玻尔原子理论的发展历程，我们绝非仅仅是为了感念和追思，更 重要的是从中汲取可贵的启示与经验，以对我们把握科学和民族的未來发展有所裨益 关键词：玻尔，玻尔原子理论，量子力学，发展AbstractThe Bohr atom theory is the important achievements in the early 20th century physics, has a profound influence on atomic physics. With the development of human social practice, Eohr atom theoiy is changing, as the research content and scope of its research in development. To review the development process of Eohr atom theoiy we not only to appreciation and memorial more important is to learn valuable experience and enlightenment, to grasp the fiiture development of science and the Cliinese nation to us.Key words: Bohr, Bohr atom theoiy, Quantum mechanics, The development of Bohr atom theoiy0.1.1.1.2.2.2.2.2.3.4.目录引言 1玻尔原子理论的形成 11玻尔 12玻尔原子理论的提出 1玻尔原子理论的发展 41索末菲的贡献 42海森堡的贡献 53玻尔、爱因斯坦关于量子力学的解释之争 64现代原子结构理论 6意义 6结论 7参考文献0.引言玻尔原子理论是丹麦物理学家尼尔斯・玻尔（Niels Bohr, 1885年10月7日一1962 年11月18日）于1913年提出的关于氢原子结构的模型。

对于稍微复杂一点的原子如氨 原子，玻尔理论就无法解释它的光谱现象，这说明玻尔理论还没有完全揭示微观粒子运动 的规律通过玻尔原子理论发展历程的研究，揭示了人们认识客观世界的科学思维和研究 方法也在不断的演变，同时也体现了人类认识客观世界的手段和工具的进化，以及科学研 究方法演变和突破1. 玻尔原子理论的形成1・1玻尔1885年10月7日，玻尔生于哥本哈根，父亲是国际知名生理学家，母亲出身于一个 富有的犹太人家庭，玻尔从小就受到很好的抚育和教育⑴母亲爱伦把她温暖的光辉照射到每一事物上，她对关键问题具有完全决定的主意，而 且在采取主动和有力的行动方面也是不含糊的母亲的性格对玻尔的影响很大⑵父亲克里斯丁 •玻尔（Christian Harald Lauritz Peter Emi.1 Bohr, 1855 年-1911 年）是哥本哈根大学的生理学教授，他不仅对实验工作一丝不苟，而且始终对现象的理论 解释保持浓厚的兴趣，经常和哲学教授、物理学教授等聚会，谈论各式各样的问题玻尔 从懂事时就开始旁听，父辈的言论对玻尔起到了潜移默化的作用⑵1903年，玻尔进入哥本哈根大学的数学与自然科学系，主修物理学，兼修数学、天文 学等。

教玻尔物理学的是继奥斯特（Hans 0rsted, 1777年8月14日一1851年3月9日）、 洛伦兹（Hendrik. Antoon Lorentz, 1853 年 7 月 18 日—1928 年 2 月 4 日）之后乂一位有 才能的丹麦物理学家一一克瑞斯先森，他也是经常和玻尔父亲聚会谈论问题的物理学教授 之一，对玻尔的影响也很大克瑞斯先森一直担任玻尔的导师，指导玻尔作硕士论文和博 士论文，为玻尔打下了很好的物理学基础⑵与此同时，玻尔自身还具有敏锐的观察力、永远怀疑的态度，以及追求真理的执着等 科学家必备的精神品质，这些都为玻尔今后玻尔原子理论的提出打下了基础1. 2玻尔原子理论的提出1911 年，英国物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson, 1871年8月30日一1937年10月19日）根据1910年进行的a粒子散射实验，提出了原 子结构的行星模型在这个模型里，电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋 转但是根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至瞬间坍缩到 原子核里这与实际情况不符，卢瑟福无法解释这个矛盾。

卢瑟福的核式模型结构与经典 物理之间，形成了不可化解的尖锐矛盾，而解决这一矛盾的重担，落到了丹麦著名的物理 学家玻尔的身上⑴图1 a粒子散射实验装置⑴玻尔曾在卢瑟福的实验室工作了四个月，这时正 值卢瑟福发表有核原子理论并组织对这一理论进行 检验玻尔参加了a粒子散射实验的工作，他坚信卢 瑟福的有核原子模型是符合客观事实的他也很清楚 这一理论所面临的困难，即有核模型结构下原子的稳 定性玻尔认为：要解决原子的稳定性问题，“只有 量子假说是摆脱困难的唯一出路”，这时玻尔开始酝 酿自己的原子结构理论⑴1912年，正在英国曼彻斯特大学工作的玻尔将 一份被后人称作《卢瑟福备忘录》的论文提纲提交给 他的导师卢瑟福在这份提纲中，玻尔在行星模型的 基础上引入了普朗克的量子概念，认为原子中的电子 处在一系列分立的稳态上回到丹麦后玻尔急于将这 些思想整理成论文，可是进展不大1913年2月4日前后的某一天，玻尔的同事汉森拜访 他，提到了 1885年瑞士数学教师巴耳末（Johann Balmer, 1825年5月1日一 1898年3月12日）的工作以及巴耳末公式，玻尔顿时受到启发20世纪初期，徳国物理学家普朗克（Max Planck, 1858年4月23日一 1947年10月 4 EI）为解释黑体辐射现象，提出了量子论，揭开了量子物理学的序幕。

19世纪末，瑞士 数学教师巴耳末将氢原子的谱线表示成巴耳末公式，瑞典物理学家里徳伯（Janne Rydberg, 1854年11月8 EI-1919年12月28日）总结出更为普遍的光谱线公式里徳伯公式：n'二n+1, n+2, n+3,…)(1)+=R(—为(n二 1,2, 3,…;人 n2 n 2然而巴耳末公式和式里徳伯公式都是经验公式，人们并不了解它们的物理含义后來他回忆到“就在我看到巴耳末公式的那一瞬间，突然一切都清楚了，”“就像是 七巧板游戏中的最后一块这件事被称为玻尔的“二月转变”通过对光谱资料的考察, 玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃他把光谱学规律和卢瑟福的原子模型联系起来此后, 玻尔的研究工作进展得十分顺利，很快写出了著名的三篇 论文叫 / 、、\/ "2 厂•1913年7月、9月、11月，经由卢瑟福推荐，《哲学/ …、呂 WWV杂志》接连刊载了玻尔的三篇论文，标志着玻尔模型正式j [営:[ =提出这三篇论文成为物理学史上的经典，被称为玻尔模\ /型的“三部曲” \ — ，/玻尔原子理论的主要内容：氢原子中的电子围绕原子图2玻尔模型的简单示意图核做圆周运动，运动的轨道是经典轨道。

电子做圆周运动的向心力是由电子和原子核之间的库仑力提供的，即:mev2 1 e2r =4ir o 辽而电子的能量是动能加势能:(2)I P2 P2E二K+V二严影-苻話二佈齐(3)所以电子的轨道周期是:丁2二 ——揖ez因此电子的公转频率是:(4)I E |1 ev=T=tt3/2(5)而根据电磁学，电磁辐射频率是等于电子的公转频率但光谱中的辐射频率并不等于电子的公转频率，所以玻尔模型主要基于以下条件：(1) 定态条件原子只能够稳定地存在于一系列的离散的能量状态之中，称为定态，原子要有任何能 量的改变，都必须要在两个定态之间以跃迁的方式进行；所以电子只能处在一系列分立的 定态上，并且不产生电磁辐射2) 频率条件当两个定态间的跃迁时，以电磁波的形式放出或吸收能量，其频率的值为V是唯一的 并且有：hv=AE=Ea- -En (6)结合里徳伯公式可以得到Rhe代入电子能量的表达式可以得到电子运动的轨道半径:_1 e2□ir § o 2Rh^n2(8)(3) 结果根据以上条件可以计算出，电子的能量： mee^ 1 1其中a是精细结构常数，其大小约为1/137电子的轨道半径: n2^ Oh2(11)电子的第一轨道半径(n=l)：(12)vx=a1137C(13)里徳伯常数:2TT 2mee4R 二 (41T 0)2ch3由玻尔模型可以计算出儿个表征原子常用的物理量: § Oh?ri= ~0・ 053nmTT mee^通常用引表示，称为玻尔半径。

电子在第一个轨道上运动的速度(n=l)：称为玻尔第一速度，它表示电子在原子中的运动速度通常约为光速的1/13了 将氢原子的电子从基态移动到无限远处所需要的能量，即氢原子的电离能：1 /Ex 二严(ac)2 ~13・6eV所以氢原子电子基态的能量约为-13. 6eVo其余各态的能量为:玻尔根据对应原理，结合里徳伯公式提出了角动量量子化条件:nhL=mevr=—=nh(n=l, 2, 3,…)亦即是后期的玻尔-索末菲作用量量子条件的前身:J= f pdq=nh(n=l, 2, 3,…)玻尔这篇论著带來了原子物理学的大发展⑵14)(15)(16)(17)2. 玻尔原子理论的发展玻尔原子理论在解释氢原子光谱上获得了巨大的成功，它不仅解释了当时已经发现的 氢原子光谱，而且还预言了其他氢光谱的存在，随后乂得到多种渠道的实验验证，使玻尔 原子模型以及能级、定态跃迁等概念逐渐得到了人们的承认⑶然而玻尔原子理论还是有 缺陷的，例如：对于氢光谱，不能计算出它的谱线强度；对其他元素的更为复杂的光谱， 包括氨原子光谱在内，往往理论与实验分歧很大；对于塞曼效应，光谱的精细结构等实验 现象，玻尔理论更是无能为力。

正如玻尔所料，他的理论还很不完善因此，不少物理学 家试图改进他的理论，并推广到更复杂的体系中去，他们从不同角度发展了玻尔的原子理 论下面我们來谈一谈这些物理学家的工作⑴2. 1 索末菲(Arnold Sommerfeld, 1868 年 12 月 5 0-1951 年 4 月 26 H)的贡献⑴索末菲是徳国理论物理学权威，他所领导的慕尼黑大学理论物理研究所，是与哥本哈 根、格丁根的理论物理研究所齐名的理论物理研究中心在1910〜1912年，即玻尔理论 发表之前，他试图在经典的麦克斯韦一洛伦兹理论中加上一些假设去解释原子与电磁辐射 之间的相互作用后來他对1913年玻尔发表的重要论文大加赞赏，他还告诉玻尔，他想 用玻尔原子模型去解释1896年发现的塞曼效应但他和玻尔都觉得无法直接运用这种原 子模型，于是，他不得不把量子条件推广到一个自由度以上的力学系统，以便找出理论解 释直到1916年春，他终于得出了量子化规律的最终公式，即有关周期性系统量子化的 普遍定则：fpdq二nh （18）这样，他。