為什麼麥克斯韋的電磁理論在玻爾的原子模型裡不成立?

時間 2021-05-07 20:58:15

1樓:「已登出」

其實就是按照麥克斯韋的那種經典的電磁理論,波爾的氫原子模型又是電子做勻速圓周運動,按經典電磁理論變速運動的電子要輻射電磁波,能量守恆輻射電磁波肯定要丟失能量,那按照經典物理的,勻速圓周運動的物體能量下降了就維持不了原來的運動狀態,慢慢的掉落到核上。所以波爾的氫原子模型是半經典的,加了輻射吸收能量的量子化,軌道量子化,軌道角動量量子化。

2樓:丁丁銘銘

說的簡單一點。

如果只考慮庫侖力的話,電子會被吸到原子核上。

接下來,在波爾模型中,電子是在圍繞原子核的軌道上執行的,不會掉落到原子核上。這個時候,原子核和電子之間的吸引力起到向心力的作用。但是,可以從麥克斯韋方程組中推導出,帶電的粒子作加速運動的時候會向外放出電磁波。

那麼電子在圓形軌道上執行的時候,由於向心加速度,就會不斷向外放出電磁波。而電磁波是帶有能量的。根據能量守恆,電子本身具有的能量就會逐漸減少,這樣,電子的軌道會慢慢變小,最終掉落到原子核上。

所以波爾模型也是不正確的。

3樓:靈劍

可以以高中生好理解但是不完全準確的方式解釋得簡單一點,如果是乙個經典的帶電粒子在繞著中心電荷旋轉的話,簡單按靜電場來估算,當它轉到離我所在的位置更遠的地方的時候,我這邊的電場會變弱,而轉到離我更近的地方的時候,電場會增強,這樣隨著它旋轉電場就會忽強忽弱。運動的電荷還可以等效成電流,電流會產生磁場,這個磁場也會跟著它旋轉的過程而來回變換,可以看得到它們倆同時變強、同時變弱。電磁理論告訴我們,如果我在這個位置上裝乙個合適的天線,就能把這個電磁場重新感應成電流,電流會帶來能量,這個能量肯定是來自於電磁場的,所以如果原子核裡的電子像經典帶電粒子那樣工作的話,原子核上的電子的能量應當是源源不斷向外輻射的,那電子應當最終掉進原子核裡才對,那樣原子就不能穩定存在了。

量子力學的解釋其實也很簡單,通俗一點來說,量子力學認為電子並不像經典粒子那樣有個確定的位置,而是同時分布在「軌道」上所有位置的,也就是說當從遠離原子的地方觀察的時候,雖然電子一直在「動」,但卻同時既在近處又在遠處,那麼從外部看電場就是個確定的值(跟原子核的電場相互抵消),磁場也疊加成了靜磁場(方向不確定,只有在外磁場下才能看出來),就沒有電磁波輻射出來了。

4樓:

當實物粒子的波動性不能忽略時,經典電動力學不再適用。 ——郭碩鴻

@Triborg 老師已經從經典電動力學的方面給出詳細計算了。 @王清揚 也簡明地指出了關鍵是經典電動力學中加速度的電荷放出輻射損失能量。我比較一般地談一下經典電動力學怎麼和量子力學對接,不過不談量子電動力學這麼複雜的東西。

我們先看經典力學是如何與量子力學對接的,由厄倫菲斯特定理:

/\dif t=<\vec p >;\dif <\vec p>/\dif t=<-\nabla V > " eeimg="1"/>

這些形式上都很類似於經典力學的公式,第二個式更可以說是量子力學版的牛頓第二定律。

但要注意,關鍵是,這些式子是對算符期望值求時間導數,而不是直接對物理量求時間導數

說回氫原子的例子,我們可以製備大量相同的基態氫原子。在不同時刻測電子的位置,測到的電子位置肯定不同。多測幾次,測到的電子位置肯定不在一條直線上。所以似乎可以說:

所以電子應該向外輻射電磁波。

可問題是,在厄倫菲斯特定理那裡我們看到了,量子力學和經典理論對接的時候應該用期望值,而不是觀測值。基態氫原子處於定態,有:

= const; <\vec v>=\vec 0; <\vec a>=\vec 0" eeimg="1"/>

我們可以看出,問題的關鍵在於可觀測量的觀測值與對應算符的期望值的差異很大。

我們把電子的運動分解為兩部分,一是電子的波包的中心的運動,這就是經典意義上的運動,波包有經典的軌跡概念;另乙個是電子在波包內的位置變化,這不是經典意義上的運動,沒有軌跡的概念,描述的是不同測量測得的電子位置的不同。

可觀測量的期望值描述的其實是粒子波包中心的運動。當我們研究的尺度遠大於波包的尺度時,可以把波包當做代表粒子的質點處理,因為研究的尺度遠大於波包尺度,粒子在波包內的位置變化完全可以忽略。這時就回到了經典理論。

波包尺寸遠小於我們研究的尺度,也即粒子的波動性可以忽略。

回到基態氫原子,基態氫原子尺度用波爾半徑描述,而基態氫原子中電子的波包的尺度也用波爾半徑描述。我們研究基態氫原子時本質上研究的是粒子在波包內的「運動」,此時經典理論不再適用。因為雖然從量子的尺度看電子在氫原子內到處跑,但對電子位置算符求期望之後,從經典的角度看電子其實完全不動,更別提有加速度了。

說了這麼多,核心就是郭碩鴻電動力學裡的一句話:「當實物粒子的波動性不能忽略時,經典電動力學不再適用。」這就是經典電動力學不適用於氫原子的原因。

他當然還有另一句話:「當電磁場的粒子性不能忽略時,經典電動力學也不再適用。」不過QED這麼複雜的東西這裡就不提了。

怎麼學好統計物理?

如何看待人教版教材疑似出現低階錯誤,用愛因斯坦相對論證明勾股定理?

統計物理學中玻爾茲曼的最概然統計法、吉布斯的系綜理論、達爾文-否勒的鞍點法有何異同,分別適用哪些問題?

附錄:補充一下厄倫菲斯特定理的匯出:

5樓:摸魚賢者

波爾原子模型其實就是盧瑟福的原子模型的改進,最初盧瑟福提出因為有實驗為證提出了這個模型,但這個模型與電磁理論矛盾的地方就在於,如果內部模型是這樣,那麼外圍的電子在輻射電磁波的過程中會不斷損失能量最終掉進原子核,就解釋不了為什麼原子能穩定存在。盧瑟福解釋不了這個事,所以他把這個任務交給了波爾,波爾最後作出了解釋,提出了舊量子論,證明了蒲朗克提出的量子概念是正確的。

但波爾改進後的模型本身還是有缺陷的,那就是:原子中的電子其實並沒有軌道這個概念,波爾只是加了約定,並沒有廢棄軌道,且軌道還是按照經典理論裡的情況去推導的,所以最終導致了波爾的舊量子論與麥克斯韋電磁理論有衝突,且只能適用於氫原子。

6樓:ukigumo

並不是電磁場理論不成立,而是玻爾模型是人們認識量子世界的中間模型,實際上並不是這樣。玻爾模型認為電子繞核做圓周運動,可圓周運動就會不斷輻射能量最終被俘獲;但後來我們知道,實際上那就不是圓周運動,而是一坨電子雲。

7樓:王清揚

邏輯是這樣的:

經典電磁理論裡面乙個帶電的東西存在加速度的話要輻射電磁波的,這樣的話原子裡的電子有向心加速度,就會因為一直輻射電磁波而損失能量最後一頭栽到核裡面,導致整個原子崩潰。這樣的結論顯然是荒謬的,因此用經典電磁理論描述原子是有問題的。

與此同時,氫原子光譜的實驗也指出原子光譜是分立的,即原子只能放出特定頻率的電磁波。這也說明電子一邊跑一邊源源不斷輻射電磁波的影象是不對的,因為這樣的原子光譜應該是連續譜而不是分立譜呀。

因此,然後玻爾就想著構造乙個唯像模型來解釋這件事。他假設電子有固定的軌道,這些軌道是分立的,電子在某個軌道上有固定的能量,這樣一來電子就不會一邊跑一邊噗噗噗地放電磁波了。但這又出現乙個問題,你這個假設不讓電子一直噗噗噗放電磁波了,那什麼時候才允許它放呢?

玻爾一想有道理啊,總不能讓電子一直憋著不放吧,這會被愛電子人士強烈譴責的。於是他引入了另乙個假設: 允許電子放電磁波,但只能從乙個軌道躍遷到另乙個軌道時候放,每次只能噗一下,不能噗噗噗放個沒完。

由於每個軌道能量固定,所以原子放出的電磁波的能量只能是某兩個軌道的能量差,這樣一來就能解釋原子光譜是分立的了。這些假設就是玻爾模型和經典電磁理論不一樣的地方,也就是題主所說的後者不成立的原因

後來的實驗也表明玻爾模型描述氫原子光譜是很合適的,但用到別的原子就完蛋了。雖然如此,但玻爾模型還算是成功的,至少把氫原子光譜解釋了,這是它比經典電磁理論進步的地方。不過玻爾模型畢竟是個唯像模型,這些假設是沒有道理的,而且只能解釋氫原子也是硬傷,這是玻爾模型侷限的地方。

再後來的事大家就都知道了,德布羅意提出物質波,薛丁格給出波動方程。這時大家才知道固定軌道假設其實就是週期性邊界條件下定態薛丁格方程的解,電子運動沒有軌道,軌道只是電子位置的期望值。躍遷假設其實也就是含時微擾的結果。

當然,也知道了玻爾模型用到別的原子就完蛋是因為別的原子相互作用太複雜,薛丁格方程沒精確解。

最後想說,「不成立」這個說法不太好,玻爾模型只是針對氫原子的乙個過渡期的小模型,它算是對經典理論的修改,但沒有否定整個經典理論。你可以說經典理論用於原子時不成立,但不能說經典理論和玻爾模型相比不成立。

8樓:Haoyun Deng

別聽別人胡咧咧了,什麼麥克斯韋方程不適用於原子,誤人子弟,尤其只會抄抄科普書或者高中課本還不求甚解。

這個問題最簡單直接的回答就是麥克斯韋是對的,玻爾模型也就是個模型而已,舊量子論的產物你不要太苛求它。

那剩下的問題就是原子的穩定性到底咋回事。答案是電子只有能級,波函式和機率,有動量角動量,這些都要薛丁格方程解就行了,但是壓根就沒有什麼轉圈圈的軌道,何來輻射呢?但是「軌道」一次我們到理論物理研究生的教材還是用,你要正確理解這只是乙個通俗說法,按照盧瑟福的原話,「我們從經典物理借來的只是名詞」。

高中物理課本和化學課本裡面原子結構選修講到原子結構和軌道之後明明還有最後一段話,大意告訴你上面只是通俗說法,現代嚴格意義應該是電子雲和概率。讀書要讀完整啊。

9樓:庸人自擾

按照麥克斯韋的電磁理論,電子如果繞核圓周運動的話,是會產生輻射場的(具體計算需要電動力學內容)。

通俗理解就是電子繞核運動,那就會有乙個庫倫電場在變化(實際上不是庫倫電場,但是這樣子理解很直接,高中生也能理解)。這個變化的電場會產生變化的磁場,於是就有了電磁場,這個電磁場會隨著電子運動而不斷向外輻射電磁波。

電磁波是攜帶能量的,這樣的話就意味著原子會向外界輻射出能量,如果電子能量少了,那它的繞核運動半徑就會減小……然後繼續輻射,半徑繼續減小,直到電子撞向原子核。

這樣粗略分析的話,說明這個模型是不穩定的,會與經典電磁理論違背。

為什麼麥克斯韋 玻爾茲曼速度分布在x 0時,兩種表述不一樣

從數學形式上講,這個沒啥問題,推導出速度分布,然後根據各項同性積分球面推導出速率分布,積分後多了乙個4 v,v中v 0時必然導致速率分布在v 0處的概率分布為0,而且物理上也容易理解,熱運動不存在為0的粒子。速度分布,數學形式上,這個方程從 積分到 實際上有光速限制 這是這個函式的數學定義域,如果換...

為什麼麥克斯韋沒有牛頓和愛因斯坦有名?

Kane 牛頓封神之作 牛頓三定律 內容 牛頓 第一定律牛頓 第二定律牛頓 第三定律 愛因斯坦封神之作 相對論 重點 愛因斯坦 場方程 麥克斯韋封神之作 麥克斯韋方程組 內容 高斯 定律高斯 磁定律法拉第 電磁感應定律法拉第 麥克斯韋方程 所以 滑稽 互能流 爭麥克斯韋同艾因斯坦那個更偉大,有什麼意...

廣義相對論是受麥克斯韋方程啟發的麼?

芝士就是力量 狹義相對論是 廣義相對論是啟發於想把引力納入廣義相對論的框架中,為了解決牛頓引力是超距作用 yinset 並不是哦!相反我們今天對Maxwell方程的理解是受到GR 廣義相對論 的啟發。GR是第乙個按照美學的思想創造的理論。它完完全全來自於老愛對於物理學規律美的追求。因為SR 狹義相對...