【摘要】本文从不同的角度详细的阐述了氢原子的结构,以及氢原子的能级分布图.
　　【关键词】玻尔模型; 能级图
　　
　　从1869年德国科学家希托夫发现阴极射线以后,大量的原子模型不断呈现,例如:行星结构原子模型、中性原子模型、实心带电球原子模型、葡萄干蛋糕模型、土星模型、太阳系模型(有核原子模型)以及玻尔模型。在这些原子模型中唯有玻尔模型得到了推广。玻尔模型是在玻尔的三个基本假设的前提下建立的,它能够很好的解释氢原子结构,并构建氢原子能级图.对氢原子能级图读者们已不陌生,但能级图上所表示的能量到底是什么能不一定很清楚,下面就为读者们解读一下:
　　
　　1 玻尔模型的三个基本假设
　　
　　在卢瑟福的太阳系模型(有核原子模型)不能很好的解决一些问题的前提条件下玻尔提出了三个基本假设:(1)定态假设:原子系统只能处在一系列不连续的能量状态,在这些状中,虽然电子绕核作加速运动,单并不辐射电磁波,这些状态称为原子系统的稳定状态(简称定态),相应的能量分别为E1,E2,E4…(E1　　
　　2 玻尔假设下的氢原子
　　
　　a) 在玻尔假设的前提下氢原子结构如图(1)
　　所示:原子很小原子核更小,它的直径只有原
　　子直径的十万分之几,甚至更小。在本图里原
　　子核的直径是被大大的夸大了,左下角的是氢
　　原子电子云的示意图,电子云周围的虚线表示
　　电子云的界面,电子出现在见面以外的机会很
　　少,中部是氢的球形想象剖面图,右下角是氢
　　原子的界面图。
　　图(1)
　　b) 在玻尔假设的前提下氢原子能级图如图(2),图(3)所示:
　　图(2)
　　图(3)
　　图(2)是氢原子被看成是做类圆运动,在不同的轨道上运动模模拟图象.图象表明原子核外的电子是在绕原子核运动.图(3)描绘的是电子绕核运动时在不同轨道上的能量分布,又称能级图.
　　
　　3 氢原子能级图上能量
　　
　　对玻尔假设假设下的氢原子的运动我们可以理解,但氢原子能级图上能量值(例如:-13.6、-3.40、-1.51…)是表示谁的能量?是什么能量?为什么是这么多?读者你并不一定清楚,请让我一一道来:
　　a) 例题:氢原子由一个质子和一个电子组成,根据玻尔假设得,在正常状态下电子绕转动的最小半径是5.29×10-11米.已知质子质量M=1.67×10-27千克,电子质量m=9.11×10-31千克,带电量分别为±e=1.60×10-19库,万有引力常数G=6.67×10-11牛顿•米2/千克2。求:(1)电子所受的库仑力、万有引力;(2)电子由于运动而具有的动能。
　　解:电子所受的库仑力:
　　F=kq1•q2r2=9.0×109×-1.60×10-19×1.60×10-19(5.29×10-11)2≈8.22×10-8N
　　万有引力:
　　F′=GM×mr2=6.67×10-111.67×10-27×9.11×10-31(5.29×10-11)2≈3.26×10-47N
　　比较知:万有引力比电子所受的库仑力小的多可忽略不计.则由牛顿第二定律有:
　　F=mv2r,若以原子核为参考系,那电子由于运动的而具有的动能可求的为:
　　Ek=12mv2=12F•r=2.17×10-18J=13.6ev
　　b) 引力势能:电子绕核运动,若想将它从原子核身边移走外力就必须对它做功以克服它由于被原子核吸引而具有的能.这就是电子所具有的引力势能.若以无穷远处为零势能面,则有: 引力势能Ep=∫∞0kq1q2r2dr=-ke2r=-27.2ev
　　c) 总能量:E=Ep+Ek=-27.2ev+13.6ev=-13.6ev.
　　小结:对照能级图我们不难发现这就是氢原子基态n=1时的能量.此能量是电子和质子组成的系统所共有的是系统能.由rn=r1n2可分别得n=2、3、4…时的轨道半径,依(a)(b)(c)相同方法可求的n=2、3、4…时的能量分别为: -3.40、-1.51、-0.58…
　　
　　参考文献
　　[1] 程守洙,江之水.普通物理学(第五版). 高等教育出版社,2001
　　[2] 张大昌.物理(选修3-5).人民教育出版社,2004