5．玻爾原子結構理論——站在巨人的肩膀上創新，才能成功

【知識內涵】氫原子核內只有一個質子，核外只有一個電子，它是最簡單的原子。在氫原子內，這個電子在原子核外是怎樣運動的呢？這個問題表面看來似乎不太復雜，但卻長期使許多科學家既神往又困擾，經歷了一個生動而又曲折的探索過程。1913年，玻爾提出了氫原子結構的玻爾理論，它是在愛因斯坦的光子學說、普朗克的量子化學說、氫原子的光譜實驗、盧瑟福的有核模型的基礎上建立的理論。玻爾的氫原子結構的量子力學模型是基于下述3條假定：

圖1.7 玻爾原子結構理論

①關于固定軌道的概念：玻爾模型認為，電子只能在若干圓形的固定軌道上繞核運動。固定軌道是指符合一定條件的軌道，這個條件是，電子的軌道角動量L只能等于的整數倍：

式中m和v分別代表電子的質量和速度，r為軌道半徑，h為普朗克常數，n為量子數(Quantum Number)，取1,2,3, …正整數。軌道角動量的量子化意味著軌道半徑受量子化條件的制約，圖1.7中示出的這些固定軌道，從距核最近的一條軌道算起，n值分別等于1,2,3。根據假定條件算得n=1時允許軌道的半徑為53 pm，這就是著名的玻爾半徑。

②關于軌道能量量子化的概念：電子軌道角動量的量子化也意味著能量量子化。即原子只能處于上述條件所限定的幾個能態，不可能存在其他能態。

定態(Stationary State)：所有這些允許能態之統稱。核外電子只能在有確定半徑和能量的定態軌道上運動，且不輻射能量。

基態(Ground State):n值為1的定態。通常電子保持在能量最低的這一基態。基態是能量最低即最穩定的狀態。

激發態(Excited State)：指除基態以外的其余定態。各激發態的能量隨n值增大而升高。電子只有從外部吸收足夠能量時才能達到激發態。

③關于能量的吸收和發射：玻爾模型認為，只有當電子從較高能態(E2)向較低能態(E1)躍遷時，原子才能以光子的形式放出能量(即定態軌道上運動的電子不放出能量)，光子能量的大小取決于躍遷所涉及的兩條軌道間的能量差。根據普朗克關系式：

該能量差與躍遷過程產生的光子的頻率成正比。如果電子由能量為E1的軌道躍至能量為E2的軌道，顯然應從外部吸收同樣的能量。

【思政核心】

①成功觀：站在巨人的肩膀上，善于學習，善于總結，大膽創新(圖1.8)。

圖1.8 創新(江慶 作)

②辯證否定，善于揚棄：既批判又繼承，既克服消極因素，又保留積極因素。

③發展觀：人接受外部能量，就會從基態躍遷至激發態，就能發光放熱。

【講授方法】玻爾是在愛因斯坦的光子學說、普朗克的量子化學說、氫原子的光譜實驗、盧瑟福的有核模型的基礎上建立了玻爾理論，他是站在巨人的肩膀上獲得的成功。我們也要學會辯證否定，善于揚棄，既批判又繼承，既克服消極因素，又保留積極因素。學會站在巨人的肩膀上，善于學習，善于總結，善于提高，提出自己的觀點，大膽創新。

再者，人也好比基態原子，一般不釋放能量，但是，當人接受外部壓力或激發時，就會從基8態躍遷至激發態，就能發光放熱。