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氢原子结构模型

＂原子（atom）＂一词是从希腊语转化而来，原意为不可切分原的。直到 20 世纪初，科学家们才发现原子其实具有复杂的内部结构。原子由原子核和绕核运动的电子构成，原子核由带正电的质子和电中性的中子构成。原子的质子数决定了该原子属于哪一种元素，而中子数则决定了该原子是此元素的哪一种核素。这一章将介绍原子核外电子的运动规律、电子的运动与宏观物体运动的区别，以及科学家是怎样描述原子核外电子运动状态的。

通过学习，我们将更深入地了解原子核外电子的运动特点，认识原子核外电子的排布与元素性质之间的关系，并从本质上理解元素的原子半径、电离能、电负性等基本性质的周期性变化规律。

## 氢原子结构模型
原子是肉眼和一般仪器都看不到的微粒，科学家们是根据可观察、可测量的宏观实验事实，经过分析和推理，建立原子结构的模型。如果出现新的实验事实无法得到解释，那么原来提出的原子结构模型就会被修正，甚至被推翻。从道尔顿原子论到原子结构的葡萄干面包模型，再进一步发展为原子结构的有核模型，科学家们对原子结构模型的探索，经历了一个不断深化和逐渐完善的过程。那么，原子中的电子在核外又是如何运动的呢？科学家从最简单的、只有一个电子的氢原子着手，来研究原子核外电子的运动规律。

## 氢原子光谱和玻尔原子结构模型
科学家是通过研究原子光谱来了解原子核外电子运动状态的。

光谱就是通过棱镜或光栅的分光作用，将一束复色光分解成各种波长的单色光，按照波长或频率大小顺序排列起来形成的图案。得到的图案如果是一条连续的亮带，就是连续光谱［图 1.1 （a）］；得到的图案如果是不连续的亮线，就是线光谱。各元素原子的线光谱就叫做原子光谱［图 1.1 （b）（c）］。

![图片](/uploads/2025-10/a002a8.jpg)
 
 原子光谱是由原子中电子运动状态发生变化时释放或吸收的能量形成的，与原子中电子的能量状态有最直接的关系。例如，氢原子光谱在可见光区有 4 条明亮的谱线，它们的波长分别为： $410.1 \mathrm{~nm} 、 434.1 \mathrm{~nm} 、 486.1 \mathrm{~nm} 、 656.3 \mathrm{~nm}$
 
（图1.2）。氢原子光谱为什么是线光谱？氢原子在可见光区的这些谱线，与氢原子核外电子运动的能量变化之间有什么关系？

![图片](/uploads/2025-10/172f70.jpg)
 
 
 1913年，丹麦物理学家玻尔（N．Bohr，1885－1962）在普朗克量子论、爱因斯坦光子学说和卢瑟福原子结构有核模型的基础上，对核外电子的运动做了重要假设，建立了玻尔原子结构模型，并解释了氢原子光谱。玻尔原子结构模型的主要观点如下：
（1）原子中的电子只能在某些确定半径的圆周轨道上绕原子核运动。电子在这些轨道上绕核运动时既不吸收能量也不辐射能量，这些轨道称为定态轨道。
（2）在不同定态轨道上运动的电子具有不同的能量 $(E)$ ，而且能量是量子化的，即轨道能量是＂一份一份＂地增加或减少的。轨道能量与 $n$ 值有关。 $n$ 的取值为正整数 $1 、 2 、 3 、 \cdots \cdots 、 \infty, n$ 值越小，电子离核越近，能量就越低；反之能量就越高。一般把原子能量最低的电子状态称为基态。对氢原子而言，当核外的一个电子处于 $n=1$ 的轨道时能量最低，这个状态称为氢原子的基态；当这个电子跃迁至 $n>1$ 的轨道上运动时，这些状态称为氢原子的激发态。
（3）电子在不同能量的两个轨道之间发生跃迁时，才会辐射或吸收能量。如果电子从高能量的轨道跃迁回到低能量轨道，就会以光的形式释放出这些能量，光辐射的波长 $(\lambda)$ 与两个轨道的能量差 $(\Delta E)$ 有关。

由于轨道的能量是不连续的，因此不同轨道之间的能量差是不连续的，导致光辐射的波长也是不连续的。氢原子光谱在可见光区中的 4 条谱线，就是电子分别从 $n=3,4$ ， 5,6 的轨道跃迁回到 $n=2$ 的轨道时释放的能量所形成的。

> 光辐射的波长和电子跃迁时吸收或释放的能量 $\Delta E$ 有关， $\Delta E=E_2-E_1=h \cdot \frac{c}{\lambda}\left(h=6.626 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \cdot \mathrm{~s}\right.$ ，为普朗克常数； $c=2.99792458 \times 10^8 \mathrm{~m} \cdot \mat

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