玻尔原子理论的发展毕业论文.doc

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来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, Bohr atom theory is changing, as the research content and scope of its research in development. To review the development process of Bohr atom theory, we not only to appreciation and memorial, more important is to learn valuable experience and enlightenment, to grasp the future development of science and the Chinese nation to us.Key words: Bohr，Bohr atom theory，Quantum mechanics，The development of Bohr atom theory目录 0.引言 11.玻尔原子理论的形成 11.1玻尔 11.2玻尔原子理论的提出 12.玻尔原子理论的发展 42.1索末菲的贡献 42.2海森堡的贡献 52.3玻尔、爱因斯坦关于量子力学的解释之争 62.4现代原子结构理论 63.意义 64.结论 7参考文献 80.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－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氦原子，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[1]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[2]父亲克里斯丁·玻尔（Christian Harald Lauritz Peter Emil 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[2]1903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 Ørsted，1777年8月14日－1851年3月9日）、洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853年7月18日－1928年2月4日）之后又一位有才能的丹麦物理学家——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[2]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－1937年10月19日）根据1910年进行的α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[1]。

图1 α粒子散射实验装置[1]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α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[1]1912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－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，德国物理学家普朗克（Max Planck，1858年4月23日－1947年10月4日）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，瑞典物理学家里德伯（Janne Rydberg，1854年11月8日－1919年12月28日）总结出更为普遍的光谱线公式里德伯公式：（n=1,2,3,…；n’=n+1,n+2,n+3,…） （1）然而巴耳末公式和式里德伯公式都是经验公式，人们并不了解它们的物理含义。

图2 玻尔模型的简单示意图后来他回忆到“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[1]1913年7月、9月、11月，经由卢瑟福推荐，《哲学杂志》接连刊载了玻尔的三篇论文，标志着玻尔模型正式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：= （2）而电子的能量是动能加势能：E=K+V=-=- （3）所以电子的轨道周期是：= （4）因此电子的公转频率是：v==（π）-1/2r-3/2=()1/2∣E∣3/2 （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，其频率的值为是唯一的并且有：hv=△E=En’-En （6）结合里德伯公式可以得到 En=- （7）代入电子能量的表达式可以得到电子运动的轨道半径： rn= （8）（3）结果根据以上条件可以计算出，电子的能量： En=- =- （9）其中α是精细结构常数，其大小约为1/137。

电子的轨道半径： rn= （10）里德伯常数： R= （11）由玻尔模型可以计算出几个表征原子常用的物理量： 电子的第一轨道半径（n=1）： r1= ≈0.053nm （12）通常用a0表示，称为玻尔半径电子在第一个轨道上运动的速度（n=1）： v1=αc≈c （13）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1/137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： E∞= ≈13.6eV （14）所以氢原子电子基态的能量约为-13.6eV。

其余各态的能量为： En=- （15）玻尔根据对应原理，结合里德伯公式提出了角动量量子化条件： L== =nh(-)(n=1,2,3,…) （16）亦即是后期的玻尔-索末菲作用量量子条件的前身: J=∫pdq=nh(n=1,2,3,…) （17）玻尔这篇论著带来了原子物理学的大发展[2]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。