氫原子能級結(jié)構(gòu)的物理思想和方法

　　氫原子能級結(jié)構(gòu)的物理思想和方法，關(guān)于氫原子的思想和方法，送給各位物理學(xué)畢業(yè)的畢業(yè)生，歡迎大家借鑒哦!

　　摘 要： 經(jīng)典理論在描述氫原子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動和發(fā)光時出現(xiàn)了與事實(shí)不符的結(jié)論，迫使物理學(xué)家另辟蹊徑，打破舊觀念，建立新觀念，尋找正確的理論，建立起了量子化的理論。這個理論的建立體現(xiàn)了物理學(xué)家的物理思想和方法，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力有重要作用。

　　關(guān)鍵詞： 氫原子光譜 能級結(jié)構(gòu) 量子化

　　氫原子能級結(jié)構(gòu)屬于高中新課標(biāo)選修模塊，這一部分的內(nèi)容是現(xiàn)代科學(xué)理論的開端和基礎(chǔ)，體現(xiàn)了人類認(rèn)識自然規(guī)律的科學(xué)思想、科學(xué)方法。學(xué)生學(xué)習(xí)這一部分的知識，難點(diǎn)在于觀念的局限，從連續(xù)性到量子化的觀念更替。如果僅僅是為了學(xué)習(xí)氫原子能級結(jié)構(gòu)知識，推知原子結(jié)構(gòu)，那么可以從氫原子的薛定諤方程解出能級公式，由此描述氫原子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動情況，解釋氫原子光譜。這更直接，但學(xué)生無法接受，難以理解。學(xué)生在生活實(shí)踐中、在經(jīng)典物理的學(xué)習(xí)中形成了根深蒂固的連續(xù)性觀念，在這個觀念的基礎(chǔ)上建立了一套因果律的思維方式，習(xí)慣于形象直觀的物理圖像描述，又沒有統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的知識，能級結(jié)構(gòu)反映的量子化觀念顯得突兀，難以一下子理解原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動情況。因而課標(biāo)要求，通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結(jié)構(gòu)，重視物理研究的過程，在探究和學(xué)習(xí)過程中逐步建立起量子化的新觀念和新思想。

　　1.由氫原子光譜推測能級結(jié)構(gòu)

　　氫原子光譜有連續(xù)譜和線狀譜，線狀譜由經(jīng)驗(yàn)公式描述

　　=R[-] (1)

　　此式稱為廣義巴爾末公式，是氫原子發(fā)光的波數(shù)。光量子論是確定的理論，愛因斯坦的光電效應(yīng)理論解釋，提出光能量總是一個單元的整數(shù)倍，這個能量單元為hv或hc，稱為光量子。如果把廣義巴爾末公式兩邊乘以hc，得

　　hc=hv=- (2)

　　(2)式左邊是光子能量，右邊必然也是能量[1]。右邊是兩項(xiàng)之差，兩項(xiàng)的形式相同，可以理解為能量在兩個狀態(tài)的差值。這樣(2)式的物理意義就清楚了，氫原子發(fā)出光子的能量等于其內(nèi)部能量的減少量，就是能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律。氫原子內(nèi)部能量為動能與勢能之和，是負(fù)值，(2)式表示成

　　hc=hv=--(-) (3)

　　這樣，氫原子的內(nèi)部能量

　　E=- (4)

　　n稱為主量子數(shù)，取1以上的正整數(shù)�？梢姡瑲湓�子的內(nèi)部能量取分立值，稱為能級。

　　2.物理思想和方法

　　物理思想是指物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動和相互作用的客觀存在反映在人們的意識中經(jīng)過思維活動產(chǎn)生的結(jié)果。這種思維活動來源于社會實(shí)踐，尊重客觀規(guī)律，尊重實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)又不囿于經(jīng)驗(yàn)，是符合辯證法的思維活動，思維活動的結(jié)果必須經(jīng)得起實(shí)踐的檢驗(yàn)。物理學(xué)的每一個進(jìn)展都包含著科學(xué)家們思維活動的精髓，閃耀著他們物理思想的火花，而氫原子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的研究拉開了物理學(xué)由經(jīng)典理論到量子論變革的序幕，批判性、創(chuàng)新性的物理思不想斷熠熠生輝。

　　氫原子內(nèi)部能量是量子化的，這與我們過去的觀念格格不入。在經(jīng)典物理學(xué)及生活實(shí)踐中，有一個根深蒂固的觀念——連續(xù)性，在這個觀念下建立起來的運(yùn)動方程，只要給定初值條件，就可以由運(yùn)動方程預(yù)知將來的結(jié)果。經(jīng)典物理是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)了的，有大量實(shí)驗(yàn)證明，但由經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電磁輻射理論來描述氫原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)動和發(fā)光情況，得出的結(jié)論是不符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的。經(jīng)典輻射理論認(rèn)為帶電粒子做周期運(yùn)動就要發(fā)出輻射即電磁能，電子會沿著螺旋線運(yùn)動坍縮到原子核上，光譜也只有連續(xù)譜，不會有線狀譜。因此經(jīng)典理論在描述氫原子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的時候出現(xiàn)了矛盾，波爾認(rèn)真思考、分析了這個問題后，他的看法是：在經(jīng)典物理理論框架中用盧瑟福模型解釋原子的穩(wěn)定性是不可能的[2]。波爾認(rèn)為，原子的穩(wěn)定性問題必須用另外一種觀點(diǎn)來看待，即電子繞原子核旋轉(zhuǎn)而不輻射能量，這種能量不變的狀態(tài)稱為定態(tài)，這與經(jīng)典輻射理論格格不入的，但必須這么看待，以解決電子坍縮問題，也就是說經(jīng)典輻射理論在原子內(nèi)部是不適用的。電子不會坍縮到原子核上，則表明電子必然有一個最小的軌道限制電子的坍縮，也是電子能量最小的軌道，電子在這個軌道上運(yùn)動是穩(wěn)定的，不會再發(fā)出能量，這個定態(tài)稱為基態(tài)。

　　氫原子怎么發(fā)光的問題，則由廣義巴爾末公式(1)式給出線索，并由此推出氫原子內(nèi)部能量(4)式，該式表明氫原子可以處在一系列的定態(tài)，這些定態(tài)由正整數(shù)n表示。但要注意，前面由(1)式到(4)式的推導(dǎo)不能算作數(shù)理邏輯的論證，因?yàn)?1)式是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)湊出的一個表示形式，它的右邊不是可控制的已知物理量，只是一個經(jīng)驗(yàn)公式。(1)式兩邊乘以hc，從而得到(4)式，沒有物理依據(jù)，包含人為因素，因此把(4)式看成氫原子內(nèi)部能量，不是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，也不數(shù)理邏輯推導(dǎo)的結(jié)果，而且此式的形式和內(nèi)涵都與已知的理論不相容。因此，(4)式作為氫原子內(nèi)部能量的依據(jù)是不充分的，它只是一個線索，由這個線索出發(fā)可以解釋氫原子發(fā)光的問題，(3)表明了氫原子發(fā)光的物理含義，即氫原子每發(fā)出或吸收一個光子都是氫原子從一個定態(tài)到另一個定態(tài)的躍遷，其能量等于這兩個定態(tài)能級的差。

　　這里，玻爾提出了一個新的概念——躍遷。氫原子從一個定態(tài)到另一個定態(tài)，亦即電子從一個軌道到另一個軌道是躍遷，不能理解成在空間劃過一條軌跡到達(dá)另一個軌道，這與衛(wèi)星變軌是完全不同的物理圖像，否則光譜又只能是連續(xù)譜。躍遷這個概念，玻爾提出時也無法定義、無法解釋，暫時理解成在一個軌道上消失了一個電子，而在另一個軌道上出現(xiàn)了一個電子。后來人們把這幅物理圖像比喻成原子中的幽靈，是不能直觀想象的，躍遷的概念是在量子力學(xué)建立后由統(tǒng)計(jì)物理的理論來解釋。

　　氫原子的這一系列定態(tài)必須要有理論論證，玻爾歸納了以上的分析，提出了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的普遍理論，稱為玻爾理論：定態(tài)假設(shè)、頻率條件和軌道角動量量子化條件。其中定態(tài)假設(shè)和頻率條件在前面已經(jīng)表述，軌道角動量量子化條件則是由對應(yīng)原理推出。玻爾提出這個理論的依據(jù)是：核式模型、光量子論和氫光譜實(shí)驗(yàn)資料。由這個理論結(jié)合牛頓力學(xué)可以推出氫原子內(nèi)部能量公式，和(4)式一樣。

　　討論最簡單的情況，電子做圓軌道運(yùn)動，氫原子內(nèi)部能量包括電子的動能、電子和原子核的庫侖吸引能，把原子核看成靜止不動的。

　　氫原子能量E=mv-=-z

　　將軌道角動量量子化條件2πrmv=nh n=1，2，3，…

　　代入上式可得E=-=-z (5)

　　對氫原子，z=1，(5)式與(4)完全一樣。

　　由氫原子光譜推測能級結(jié)構(gòu)，從而描述氫原子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動，這就是物理學(xué)常用的從表象到機(jī)理的方法。玻爾在依據(jù)不充分的情況下通過假設(shè)提出了原子內(nèi)部的量子化規(guī)律，部分地描述了氫原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動，也為量子力學(xué)的建立打下了思想基礎(chǔ)。假設(shè)是現(xiàn)代物理重要的物理方法之一，它不是憑空猜想，是把欠缺的依據(jù)補(bǔ)充完整，由此建立的理論必須是符合邏輯的，并且能夠通過實(shí)踐檢驗(yàn)。這就需要物理學(xué)家的直覺和想象，不崇拜經(jīng)驗(yàn)和權(quán)威，大膽想象、敢于創(chuàng)新。教師在關(guān)于氫原子能級的教學(xué)中，不僅要教給學(xué)生量子理論的知識，而且要引導(dǎo)學(xué)生的思維，讓學(xué)生了解物理學(xué)的研究方法，使學(xué)生建立起物理思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]褚圣麟.原子物理學(xué)[M].高等教育出版社，1979：29.

　　[2]羅森塔爾等編.朱泰譯.尼爾斯?波爾[M].上海翻譯出版公司，1985：48.

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