原子核式結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

原子核式結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、玻爾的原子理論主要內(nèi)容：1、電子的發(fā)現(xiàn)：英國(guó)的科學(xué)家湯姆生（1）湯姆生對(duì)陰極射線進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，他研究了陰級(jí)射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，確認(rèn)射線是帶負(fù)電的粒子，并測(cè)定計(jì)算出這種帶電粒子的荷質(zhì)比e/m,并對(duì)不同物質(zhì)做成陰極測(cè)定它們發(fā)出的陰極射線測(cè)定核質(zhì)比e/m均相同，說明這種粒子是構(gòu)成各種物質(zhì)的共同成分。（2）電子帶的電荷與氫離子的電荷大小基本相同，質(zhì)量比氫離子小得多。2、湯姆生的原子模型：原子被認(rèn)為是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在球體內(nèi)，電子鑲嵌在球內(nèi)。3、盧瑟福的原子核式模型：（1）探測(cè)方法：用各種粒子X射線、電子、粒子轟擊很薄的物質(zhì)層，觀察其運(yùn)動(dòng)情況，推測(cè)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（2）粒子散射實(shí)驗(yàn)：用粒子（帶正電荷，電量是電子的2倍，質(zhì)量是電子的7300倍）轟擊金箔（厚度大約1微米）。實(shí)驗(yàn)裝置：現(xiàn)象：絕大多數(shù)粒子仍沿原方向前進(jìn)；少數(shù)粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)超過90°，甚至180°。（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析：①電子是否可能使粒子產(chǎn)生大角度散射？可設(shè)粒子與電子正碰進(jìn)行估算，電子m靜止，粒子M以速度V1向電子運(yùn)動(dòng)，粒子和電子為系統(tǒng)的合外力為零。TOC\o"1-5"\h\z111一一222動(dòng)量守恒：MV1=MV1'+mV2'動(dòng)能守恒：MV產(chǎn)MV1'2+mV2'2解得：M-m730to-T,1299卜］=J-'l=P"1粒子碰后速度Mm730Cto7301粒子碰后速度速度變化△V=V1'-V1=-0.0003V1只有初速度的萬分之三，不可能產(chǎn)生大角度散射。②按湯姆生原子模型：正電荷均勻分布在原子內(nèi)，粒子穿過時(shí)正電荷對(duì)它的斥力作用大部分互相抵消，不可能產(chǎn)生大角度散射。粒子大角度散射，甚至反彈回來，表明粒子在原子某地方受到質(zhì)量電量均較大的物質(zhì)作用。粒子通過大約1微米厚的金箔，絕大多數(shù)仍沿原方向前進(jìn)，說明原子內(nèi)大部分是空的，原子質(zhì)量電量相當(dāng)集中。（3）盧瑟福的原子核式模型：原子中心有一很小的核為原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。原子核直徑的數(shù)量級(jí)為10-i5m，而原子直徑的數(shù)量級(jí)為10-i0m。粒子穿過原子時(shí)影響粒子運(yùn)動(dòng)的主要是原子核，粒子受到核的庫侖力，較遠(yuǎn)時(shí)斥力小運(yùn)動(dòng)方向改變小，較近時(shí)斥力大運(yùn)動(dòng)方向改變大，正碰則反彈回來。4、玻爾的原子理論：（1）經(jīng)典電磁理論分析盧瑟福核式模型產(chǎn)生的問題按照經(jīng)典電磁理論，做加速運(yùn)動(dòng)的電荷要輻射電磁波，因此它的能量要不斷減小，于是軌道半徑減小最終落到核上，這樣原子仍是不穩(wěn)定的；按照經(jīng)典電磁理論，電子繞核運(yùn)行輻射電磁波的頻率應(yīng)等于電子繞核運(yùn)行的頻率，電子隨著軌道半徑的減小頻率連續(xù)變化，原子光譜應(yīng)是連續(xù)的，但實(shí)驗(yàn)不是這樣，是線狀光譜，是矛盾的。（2）玻爾的原子理論：①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)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然做加速運(yùn)動(dòng)，但不向外輻射電磁波。②原子從一種定態(tài)（能量為E2）躍遷到另一種定態(tài)（能量為E1）時(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即=E2-E1O③電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量矩是量子化的，軌道半徑跟動(dòng)量的乘積等于2的整數(shù)倍，即hmv-r=n^,n=1、2、3式中n為量子數(shù)，這種現(xiàn)象叫軌道的量子化。利用上述理論與經(jīng)典電磁理論進(jìn)行計(jì)算，可算出氫的電子各條可能軌道半徑和電子在各條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量（包括動(dòng)能和電勢(shì)能）半徑rn=n2r1,能量式中n=1、2、3。在正常情況下，原子處于最低能級(jí)，離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)叫基態(tài)，若物體加熱

或被照射，某些原子將吸收一定的能量從基態(tài)躍遷到較高的能級(jí)上，這時(shí)電子離核較遠(yuǎn)，這些狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)?；鶓B(tài)激發(fā)態(tài)吸收能量=E2-E1,激發(fā)態(tài)基態(tài)輻射能量=E2-E1O（3）玻爾理論的成功與局限：根據(jù)玻爾理論成功推導(dǎo)了氫原子和類氫原子的能級(jí)公式，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)觀察明線光譜非常接近，是玻爾首先指出經(jīng)典的物理概念和規(guī)律不能完全地適用于原子內(nèi)部，提出了微觀體系特有的量子化概念和規(guī)律，局限是在解釋比氫復(fù)雜一些的原子光譜遇到很大困難，其原因在于未完全擺脫經(jīng)典物理概念的影響。5、量子理論：在本世紀(jì)二十年代，海森堡、薛定諤、玻爾、玻恩、狄拉克等物理學(xué)家在量子觀念的基礎(chǔ)上建立了量子力學(xué)，不但成功地解釋了玻爾原子理論所能解釋的現(xiàn)象，而且能夠解釋大量的玻爾理論所不能解釋的現(xiàn)象。建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的原子理論，核外的電子并沒有確定的軌道，從薛定諤方程的解只能知道核外電子在原子內(nèi)各處出現(xiàn)的幾率，氫原子在基態(tài)時(shí)，它的電子經(jīng)常出現(xiàn)的幾率最大的區(qū)域是以原子核為中心的一個(gè)球殼，這個(gè)球殼的半徑為0.53x10-iom電子在核外的運(yùn)動(dòng)情況，通常用電子云來形象描述。6、例題：例1、已知?dú)湓拥陌霃绞?.53x10-i0m,靜電力恒量K=9x109N-m2/C2,電子電量e=-1.6x10-i9C,質(zhì)量m=9.1x10-3ikg,氫核的質(zhì)量M=1.67x10-27kg,萬有引力恒量G=6.67x10-"N?m2/kg2,按盧瑟福原子模型，電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)的速度多大？頻率多大？電子與核之間庫侖力多大？萬有引力多大？解析：根據(jù)牛頓定律：庫侖力做向心力Kemr頻率：2.ZxlO63.14xO.53xIO-10根據(jù)牛頓定律：庫侖力做向心力Kemr頻率：2.ZxlO63.14xO.53xIO-10（3）（3）庫侖力9(1.6X10-19)2.g9xl09^=8.2x10^2^(0.53xWia)2（4（4）萬有引力=6.67xlO-1Lx1.67x10-27x9,IxW31…_1rl\=3.6x10N=6.67xlO-1Lx(O.53xIO-10)2例2、氫原子在基態(tài)時(shí)電子的軌道半徑為0.53x10-i0m,基態(tài)原子的能量為E1=-13.6eV,靜電力恒量K=9x109N-m2/C2,電子電量e=-1.6x10-i9C,普朗克恒量h=6.63x10-34Js求：（1）氫原子的電子在第一軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能。（2）氫原子的電子在第一軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的電勢(shì)能。（3）若使基態(tài)的氫原子電離需要波長(zhǎng)為多大的光子照射？解析：（1）根據(jù)牛頓定律：庫侖力做向心力（1）根據(jù)牛頓定律：庫侖力做向心力（2）處于基態(tài)原子的能量E1=EK1+Ep1（電勢(shì)能）EP1=E1-EK1=-13.6-13.6=-27.2eV（3）欲使氫原子從基態(tài)電離，即n=1躍遷至n=，氫原子吸收的能量△￡=￡-E1=13.6eV，he…，五又^￡=卜=光子的波長(zhǎng)he~~AE~6.63xl0-34x3x10s-s光子的波長(zhǎng)he~~AE~——=9.14x10m13.6xl.6xl0-19例3、如圖所示，是氫原子的幾個(gè)能級(jí)，則核外電子在這幾個(gè)能級(jí)之間由高向低躍遷時(shí)，能產(chǎn)生幾種波長(zhǎng)的電磁波？波長(zhǎng)最短的是由哪兩個(gè)能級(jí)之間發(fā)生？-L5leV4558-1.5JeVn=2n=l-L5leV4558-1.5JeVn=2n=l解析：根據(jù)玻爾理論，躍遷發(fā)生在兩個(gè)能級(jí)之間he2解析：根據(jù)玻爾理論，躍遷發(fā)生在兩個(gè)能級(jí)之間he2q類數(shù)為如圖所示，又△￡$=設(shè)量子數(shù)為n，那么產(chǎn)生的光子能量^Enh種工」AE當(dāng)n=5時(shí)，有種?？梢钥闯觥鳌昕梢钥闯觥鳌暝酱?，則越小，由n=5n=1△E最大。=1.03xlO-7mhe=6.63XW34x3xlO=1.03xlO-7m星[(-0.54;-(-13.6)]＞：1.6＞：10-L9例4、氫原子能級(jí)圖的一部分如圖所示，a、b、c分別表示氫原子在不同能級(jí)之間的三種躍遷途徑，設(shè)a、b、c在三種躍遷過程中，放出光子的能量和波長(zhǎng)分別是Ea、Eb、Ec和a、b、c則"17A、b=a+cB、:acC、D、Eb=Ea+Ec解析：根據(jù)玻爾理論可知Eb=Ea+Ec，E==1=1+1

IT-T~T~得：故C、D正確。7、練習(xí)：1、盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：（）A、證明了質(zhì)子的存在B、證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的C、說明原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個(gè)很小的核上D、說明原子中的電子只能在某些不連續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng)2、在盧瑟福和粒子散射實(shí)驗(yàn)中，有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是：（）A、原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上B、正電荷在原子中是均勻分布的C、原子中存在著帶負(fù)電的電子D、原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中3、根據(jù)玻爾理論，氫原子的電子由外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道后：（）A、原子的