2014.05.05 14:09
高中物理中探索的原子模型一共有两种，卢瑟福核式结构模型和波尔原子能级模型。
在讲解波尔原子模型的基本假设之前，我们先来将当时的背景做一个简单的介绍。
通过对物质进行光谱分析，物理学家们发现一些物质（比如氢气）的光谱是线状谱。（或者说在某个频段线状谱非常明显）
我们来做一个对比：电子围绕原子核做圆周运动，卫星围绕行星做圆周运动。
同样都是在做圆周运动，可现实中原子运动规律与基本力学理论对比是非常矛盾的。
由开普勒定律或牛顿第二定律可知，行星运行的R与v是一一对应的。即任意一个R对应一个固定的v，对应固定的一个固定的能量E。或者说，行星与卫星构成的体系能量是可以连续分部的。（因为R连续）
卢瑟福的困惑
1911年，英国物理学家卢瑟福根据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。
波尔的改进
波尔在卢瑟福核式结构模型的基础上，基于原子理论的3条基本假设构建了原子能及模型。玻尔原子理论的基本假设：
（1）定态假设：电子在原子核库仑引力作用下，按经典力学规律，沿圆形轨道运动，且不向外辐射电磁波，因而原子处于稳定状态（定态），其能量（称能级） 保持不变。
（2）频率条件：当原子由高能级Em的定态跃迁至低能级En的定态要发射光子，反之要吸收光子。
光子频率满足下面的条件：hv=Em-En
（3）电子绕核轨道量子化。
电子只能在某些特定的分立轨道上运动。玻尔认为，氢原子中的一个电子绕原子核作圆周运动，并作一个硬性的规定：电子只能处于一些分立的轨道上，它只能在这些轨道上绕核运动，且不产生辐射，当一个电子从一个定态轨道跃迁到另一个定态轨道，会以电磁波的形式放出能量。
波尔模型的发展历史
20世纪初期，德国物理学家普朗克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总结出更为普遍的光谱线公式里德伯公式。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。
1911年，英国物理学家卢瑟福根据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。
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的工作以及巴耳末公式，玻尔顿时受到启发。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”。
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”。
文/王尚；笔者系高中物理网力学组主编，首发高中物理网；转载必须注明文章作者及物理网。
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