1.玻爾理論
玻爾理論,關于原子結構的一種理論.1913年由玻爾提出.是在盧瑟福原子模型基礎上加上普朗克的量子概念后建立的.要點是：
(1)原子核外的電子只能在某些規(guī)定的軌道上繞轉,此時并不發(fā)光；
(2)電子從高能量的軌道跳到低能量的軌道時,原子發(fā)光.
具體來說,玻爾理論包括三條假說
1、原子能量的量子化假設：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中,在這些狀態(tài)中的原子是穩(wěn)定的,電子雖然做加速運動,但并不向外輻射能量.
2、原子能級的躍遷假設：原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)時,原子輻射一定頻率的光子,光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定.
3、原子中電子運動軌道量子化假設：原子的不同能量狀態(tài)對應于電子的不同運行軌道.由于原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的,因此電子運動的軌道也可能是不連續(xù)的,即電子不能在任意半徑的軌道上運動
玻爾理論的優(yōu)點:
成功解釋了氫原子光譜不連續(xù)的特點,解釋了當時出現(xiàn)的"紫外災難".
玻爾理論的局限性
這個理論本身仍是以經典理論為基礎,且其理論又與經典理論相抵觸.它只能解釋氫原子的光譜,在解決其他原子的光譜是就遇到了困難,如把理論用于非氫原子時,理論結果與實驗不符,且不能求出譜線的強度及相鄰譜先之間的寬度.這些缺陷主要是由于把微觀粒子(電子,原子等)看作是經典力學中的質點,從而把經典力學規(guī)律強加于微觀粒子上(如軌道概念)而導致的.
“玻爾理論”的提出,打破了經典物理學一統(tǒng)天下的局面,開創(chuàng)了揭示微觀世界基本特征的前景,為量子理論體系奠定了基礎,這是一種了不起的創(chuàng)舉,不愧為愛因斯坦的評價－－玻爾的電子殼層模型是思想領域中最高的音樂神韻.
2.解釋其內容與應用:
盧瑟福的原子核式結構模型能成功地解釋 粒子散射實驗,但無法解釋原子的穩(wěn)定性和原子光譜是明線光譜等問題.為此,1913年玻爾提出了開創(chuàng)性的三個假設：
（1）定態(tài)假設：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量的狀態(tài)中,在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定,電子雖然繞原子核做圓周運動,但并不向外輻射能量,這些狀態(tài)叫定態(tài).
（2）躍遷假設：電子從一個定態(tài)軌道躍遷到另一個定態(tài)軌道上時,會輻射或吸收一定頻率的光子,能量由這兩種定態(tài)的能量差來決定,即
（3）角動量量子化假設：電子繞核運動,其軌道半徑不是任意的,只有電子的軌道角動量（軌道半徑r和電子動量mv的乘積）滿足下列條件的軌道才是可能的：
n=1,2,3……
式中的n是正整數(shù),稱為量子數(shù).
4．玻爾理論在氫原子中的應用
（1）氫原子核外電子軌道的半徑
設電子處于第n條軌道,軌道半徑為r,根據(jù)玻爾理論的角動量量子化假設得
n=1,2,3…… （1）
電子繞原子核作圓周運動時,由電子和原子核之間的庫侖力來提供向心力,所以有
（2）
由（1）（2）式可得
n=1,2,3……
當n=1時,第一條軌道的半徑為
=5.3×10 –11m
其他可能的軌道半徑為
,4r1,9r1 , 16r1 , 25r1…
（2）氫原子的能級
當電子在第n條軌道上運動時,原子系統(tǒng)的總能量E叫做第n條軌道的能級,其數(shù)值等于電子繞核轉動時的動能和電子與原子核的電勢能的代數(shù)和
En =（3）
由（2）式得
（4）
將（4）式代入（3）式得
En =（5）
這就是氫原子的能級公式
當n=1時,第一條軌道的能級為
E1 = = —13.6eV
其他可能軌道的能級為
E n= = eV n=2,3,4……
由軌道的半徑表達式可以看出,量子數(shù)n越大,軌道的半徑越大,能級越高.n=1時能級最低,這時原子所處的狀態(tài)稱為基態(tài),n=2,3,4,5……時原子所處的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài).
（3）玻爾理論對氫光譜的解釋
由玻爾理論可知,氫原子中的電子從較高能級（設其量子數(shù)為n）向較低能級（設其量子數(shù)為m）躍遷時,它向外輻射的光子能量為
=
輻射的光子頻率為
=
將上式改寫為
= =
將上式和里德伯公式做比較得
R= =1.097373×10 7 m –1
這個數(shù)據(jù)和實驗所得的數(shù)據(jù)1.0967758×10 7m-1基本一致.因此用玻爾理論能較好地解釋氫原子的光譜規(guī)律,包括氫光譜的各種線系.例如：賴曼系、巴爾末系、帕邢系、布喇開系等的規(guī)律.當然,玻爾理論也有局限性,它在解釋兩個以上電子的比較復雜的原子光譜時遇到困難.后來誕生了量子理論——量子力學,在量子力學中,玻爾理論中的電子軌道,只不過是電子出現(xiàn)機會最多的地方.
（四）原子的受激輻射——激光
原子輻射有兩種情形：（1）自發(fā)輻射：處于激發(fā)態(tài)E2的原子,由于不穩(wěn)定自發(fā)地躍遷到低能的E1上,同時輻射光子.光子的能量為 = ,普通的光源發(fā)光就屬于這種輻射.它輻射的光子彼此能獨立,發(fā)射的方向和初相位都不相同,所以我們可以從各個方向看到它發(fā)出的光.（2）受激輻射；當原子處于激發(fā)態(tài)E2時恰好有能量為 = 的光子趨近它,原子就可能受到此外來光子的激勵而躍遷到低能態(tài)E1上,同時發(fā)射出一個和外來光子完全一樣的光子.
激光就是由受激輻射產生的,一個入射光子由于引起受激輻射可以得到兩個同樣的光子,如果這兩個光子在媒質中傳播時再引起其他原子發(fā)生受激輻射,就會產生越來越多的相同的光子,使光得到加強,這就是激光,激光具有高單色性、高相干性、高亮度、而且方向性好.

二．原子核
（一）放射性元素的衰變
一些不穩(wěn)定的原子核會自發(fā)地轉變成另一種原子核同時放出射線,通常有 射線、 射線和 射線. 射線是氦原子核組成的粒子流, 射線是高速的電子流, 射線是波長很短的電磁波.原子核由于放出某種粒子而轉變成新核的過程叫衰變.
原子核是一個量子體系,核衰變是原子核自發(fā)產生的變化,是一個量子躍遷的過程,它服從量子力學的統(tǒng)計規(guī)律.對任何一個放射性元素,它發(fā)生衰變的時刻是不可預告的,但對足夠多的同一種放射性元素的集合,作為一個集體,它的衰變規(guī)律是則是十分精確的.用N0表示初始時的原子核數(shù),經t時間后衰變的原子核數(shù)為N,則有
N = N0（1）
這就是放射性衰變服從的指數(shù)衰減規(guī)律,式中 代表一個原子核在單位時間內發(fā)生衰變的幾率,稱為衰變常數(shù).
放射性元素衰變有一定的速率,我們把放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間叫半衰期T.即當t = T時,有 ,由（1）式可得
T=
或者寫為
對某種確定的放射性元素,原子核發(fā)生衰變的時間有早也有晚,它們存在的時間不一樣.理論上常用平均壽命 來表示放射性元素在衰變前的平均生存時間,放射性元素的平均壽命可表示為
原子核放出射線后自身就發(fā)生衰變,在衰變過程中,質量數(shù)、電荷數(shù)、能量、動能是守恒的.根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)的守恒定律,可以判定衰變的產物；根據(jù)能量守恒定律,結合衰變前后粒子的質量,可以求出衰變過程中所放出的能量.
（二）原子核的結合能與質能方程
核子在結合成原子核時,由于有強大的核力作用,必須釋放一定的能量.反之,將原子核分解成核子時,則要吸收同樣多的能量,這個能量叫原子核的結合能.由于核子結合成原子核時放出了結合能,因此核的質量跟組成它的核子的質量比較起來就要小一些,設由Z個質子、N個中子組成的原子核,其質量為M,如果這Z個質子,N個中子是分散的,總質量應為Z m p + N m n,則由分散到結合在一起質量相差
這叫做原子核結合過程的質量虧損.
由愛因斯坦的相地論的質能方程有
E= m c2
這個方程表示物體的的能量增加 E,那么它的質量也相應地增加 ,反之亦然.式中c為真空中的光速.
所以在原子核結合過程中,質量虧損與能量變化的關系為
E= m c2
這就是原子核的結合能.原子核的結合能與其核子數(shù)之比叫每個核子的平均結合能.不同原子核的平均結合能不同,輕核和重核的平均結合能都較小,中等質量數(shù)的原子核,平均結合能較大,質量數(shù)為50—60的原子核平均結合能最大.
（三）核的裂變和聚變
1．重核的核子平均結合能比中等質量的核的核子平均結合能小,因此重核分裂成中等質量的核時,會有一部分原子核結合能釋放出來,這種核反應叫裂變,如鈾核裂變.當中子打擊鈾235后,應形成處于激發(fā)狀態(tài)的復核,復核裂變?yōu)橘|量差不多相等的碎片,同時放出2—3個中子和原子核結合能
U+ n Xe + Sr + 2 n + 200Mev
這些中子如能再引起其它鈾核裂變,就可使裂變反應不斷地進行下去,這種反應叫鏈式反應,釋放出大量的能量.原子彈、原子反應堆等裝置就是利用U核裂變的原理制成的.鏈式反應要不斷進行下去的一個重要條件是每個核裂變時產生的中子數(shù)要在一個以上.
2．輕的原子核變成較重的原子核時,也會釋放出更多的原子核結合能,這種輕核結合成質量較大的核叫做聚變.如：
H+ H He + n + 17.6Mev
使核發(fā)生聚變,必須使它們接近到10-15米.一種辦法是把核加熱到很高溫度,使核的熱運動協(xié)能足夠大,能夠克服相互間的庫侖斥力,在互相碰撞中接近到可以發(fā)生聚變的程度,因此,這種反應又叫做熱核反應.氫彈是根據(jù)聚變的原理制成的.