高一物理原子結(jié)構(gòu)

高一物理原子結(jié)構(gòu)第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四【知識要點(diǎn)】一、電子的發(fā)現(xiàn)二、原子的核式結(jié)構(gòu)三、玻爾的原子模型:1.氫原子光譜I2.原子的能級結(jié)構(gòu)和公式I第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四一、電子的發(fā)現(xiàn)

1、湯姆生對陰極射線進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。1897年，他確認(rèn)陰極射線是帶負(fù)電的粒子。

湯姆生測得的陰極射線粒子的荷質(zhì)比，大約是當(dāng)時(shí)已知的氫離子的核質(zhì)比的二千倍。后來他又測得陰極射線粒子的電荷與氫離子的電荷大小基本上相同。因此得出結(jié)論，陰極射線粒子的質(zhì)量比氫離子的質(zhì)量小得多。后來人們逐漸把這種粒子叫做電子。后來科學(xué)家精確的測量出電子的電量庫侖，質(zhì)量千克。湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，是物理學(xué)史上的重要事件。由于電子的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子本身也有結(jié)構(gòu)。第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2、湯姆生原子模型

原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，而電子卻像棗子那樣鑲嵌在原子里面，這個(gè)模型能解釋一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但無法解釋α粒子散射實(shí)驗(yàn)。第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四二、原子的核式結(jié)構(gòu)

1、α粒子散射實(shí)驗(yàn)

1909年至1911年盧瑟福和他的合作者用α粒子轟擊金箔做了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并有極少數(shù)的α粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90°，有些甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°。第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2、盧瑟福原子模型通過對α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析，盧瑟福提出了他的原子核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，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里繞著核旋轉(zhuǎn)。盧瑟福的原子核式模型，能解釋α粒子散射實(shí)驗(yàn)，卻與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾。第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3、原子核的電荷和大小根據(jù)盧瑟福的原子核式模型和α粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推算出各種元素原子核的電荷數(shù)，還可以估計(jì)出原子核的大小。（1）原子的半徑約為10-10米、原子核半徑約是10-14米，原子核的體積只占原子的體積的萬億分之一。（2）原子核所帶正電荷數(shù)與核外電子數(shù)以及該元素在周期表內(nèi)的原子序數(shù)相等。（3）電子繞核旋轉(zhuǎn)所需向心力就是核對它的庫侖力。

第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四三、玻爾的原子模型

1、玻爾的原子理論玻爾在盧瑟福學(xué)說的基礎(chǔ)上，把普朗克的量子理論運(yùn)用到原子系統(tǒng)上，提出了新的原子理論。（1）原子只處于一系列不連續(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，但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫做定態(tài)。（2）原子從一種定態(tài)(設(shè)能量為E1)躍遷到另一種定態(tài)(設(shè)能量為E2)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（3）原子的不同能量狀態(tài)對應(yīng)于電子的不同運(yùn)動軌道。由于原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2、氫原子的大小和能極玻爾在其假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)，對結(jié)構(gòu)最簡單的氫原子進(jìn)行了計(jì)算，算出了氫的電子的各條可能軌道的半徑和電子在各條軌道上運(yùn)動時(shí)的能量（包括動能和電勢能）。玻爾的計(jì)算結(jié)果可以概括為兩個(gè)公式：式中r1，E1分別代表第一條(即離核最近的)可能軌道的半徑和電子在這個(gè)軌道上運(yùn)動時(shí)的能量，rn，En分別代表第n條可能軌道的半徑和電子在第n條軌道上運(yùn)動時(shí)的能量，n是正整數(shù)，叫做量子數(shù)。玻爾計(jì)算出了r1和E1的數(shù)值：第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

能級：氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值，叫做它的能級。上面計(jì)算En的式子是氫原子的能級公式。通常把用上式計(jì)算出氫原子的各個(gè)能級表示為如下圖所示的能級圖。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能極，這時(shí)電子在離核最近的軌道上運(yùn)動，這種定態(tài)叫基態(tài)。

激發(fā)態(tài)：給物體加熱或有光照射物體時(shí)，物體中的某些原子能夠從相互碰撞或從入射光子中吸收一定的能量，從基態(tài)躍遷到較高能級，這時(shí)電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動，這些定態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。

躍遷：原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過程，是吸收能量的過程；原子從較高的基發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個(gè)能量以光子的形式輻射出去，這就是原子的發(fā)光現(xiàn)象。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3、玻爾的原子理論對氫光譜的解釋按照玻爾理論，原子從較高能級E2躍遷到較低能級E1時(shí)，輻射出的光子能量為因此氫原子的電子從能量較高的第n條軌道躍遷到能量較低的第2條軌道時(shí)輻射光子的頻率由此計(jì)算出來的頻率與實(shí)驗(yàn)測出的氫原子的特征譜線的頻率完全一致。第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四玻爾的原子理論對氫光譜的解釋玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜的可見光系。同樣也成功地解釋了氫原子光譜的紅外線系與紫外線系。玻爾理論對氫光譜的解釋的如下。第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜的可見光系。同樣也成功地解釋了氫原子光譜的紅外線系與紫外線系。第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四4、玻爾理論的局限性玻爾理論在解釋氫原子光譜上獲得了成功，但用來解釋比較復(fù)雜的原子的光譜時(shí)卻碰到了很大的困難。理論推導(dǎo)出來的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)出入很大。玻爾理論的成功之處在于它引入了量子觀念，失敗之處在于它保留了過多的經(jīng)典物理理論。20世紀(jì)20年代，建立了量子力學(xué)。量子力學(xué)是一種徹底的量子理論，它不但成功解釋了玻爾理論能解釋的現(xiàn)象，而且能夠解釋大量的玻爾理論所不能解釋的現(xiàn)象。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四四.量子理論電子云第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四【典型例題】

例1、盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的根據(jù)是，在用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)α粒子：

A、全部穿過或發(fā)生很小的偏轉(zhuǎn)；

B、絕大多數(shù)穿過，只有少數(shù)發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)，甚至極少數(shù)被彈回；

C、絕大多數(shù)發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回，只有少數(shù)穿過；

D、全部發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)。分析：α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，少數(shù)α粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，且有極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90°，有的甚至被彈回。盧瑟福根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說。答：選項(xiàng)B正確。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四例2、氫原子的核外電子由一個(gè)軌道躍遷到另一軌道時(shí)，可能發(fā)生的情況有：A、放出光子，電子動能減小，原子勢能增加；B、放出光子，電子動能增加，原子勢能減少；C、吸收光子，電子動能減小，原子勢能增加；D、吸收光子，電子動能增加，原子勢能減小。第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四分析：根據(jù)玻爾理論，氫原子的不同定態(tài)是跟核外電子繞不同圓形軌道運(yùn)動相對應(yīng)的。氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值（包括電子的動能和電子與核子之間的電勢能)稱為各個(gè)定態(tài)的能級。用En表示電子在第n軌道上的原子能級，用E1表示電子在第1軌道上的原子能級，且這表明電子在外軌道的能級高于電子在內(nèi)軌道時(shí)的能級。又根據(jù)原子由高能級向低能級躍遷要放出一個(gè)光子，原子由低能級向高能級躍遷要吸收一個(gè)光子?？梢?，原子放出光子是電子由外軌道向內(nèi)軌道躍遷，原子吸收光子是電子由內(nèi)軌道向外軌道躍遷。第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)電子繞原子核做勻速圓周運(yùn)動的動力學(xué)方程得到電子繞核運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動能的表達(dá)式由上式可以看出，電子在半徑較大的軌道上運(yùn)行時(shí)，動能反而小。根據(jù)電子與原子核間的作用力是引力，電子由較低軌道躍遷到較高軌道時(shí)，電場力做負(fù)功，電勢能增加。因此，當(dāng)原子放出光子時(shí)，是電子從高軌道向較低軌道躍遷，電子的動能增加，原子的勢能減少，總能量亦減少，選項(xiàng)B正確。當(dāng)原子吸收光子時(shí)，是電子從較低軌道向較高軌道躍遷，電子的動能減小，原子的勢能增加，原子的總能量增加，選項(xiàng)C正確。答：選項(xiàng)B、C正確。第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四說明：電子在半徑為r的軌道上繞核做勻速圓周運(yùn)動時(shí)，電子具有的動能設(shè)電子距原子核為無窮遠(yuǎn)時(shí)，原子的電勢能為零，那么，電子在半徑為r的軌道上繞核運(yùn)行時(shí)，原子的電勢能原子具有的總能量第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四例3、一群處于n=5的激發(fā)態(tài)的氫原子，當(dāng)它們向n=2的能級躍遷時(shí)，可能輻射n種頻率的光子，其中光子的最大和最小的頻率各為多少？分析：原子輻射光子的能級躍遷情況如圖所示。原子由第5能級向第2能級躍遷時(shí)，輻射的光子能量最大，頻率也最大。原子由第5能級向第4能級躍遷時(shí)，輻射的光子能量最小，頻率也最小。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四解答：一群處于n=5的激發(fā)態(tài)的氫原子，當(dāng)它們向n=2的能級躍遷時(shí)，可能輻射6種頻率的光子。從n=5直接躍遷到n=2的能級時(shí)，輻射的光子的頻率最大，從n=5躍遷到n=4的能級時(shí)，輻射的光子的頻率最小，第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四【反饋練習(xí)】

1、在用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)中，盧瑟福觀察到的α粒子的運(yùn)動情況是

A、全部α粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進(jìn)

B、絕大多數(shù)α粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)甚至被彈回

C、少數(shù)α粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進(jìn)，絕大多數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回

D、全部α粒子都發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)答案：B第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

2、原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，是盧瑟福根據(jù)以下哪個(gè)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象提出來的

A、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

B、氫原子光譜實(shí)驗(yàn)

C、α粒子散射實(shí)驗(yàn)

D、天然放射現(xiàn)象答案：C第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3、盧瑟福α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、說明原子的電子只能在某些不連續(xù)的軌道上運(yùn)動答案：C第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四4、當(dāng)α粒子被重核散射時(shí)，如圖所示的運(yùn)動軌跡哪些是不可能存在的答案：BC第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四

5、玻爾在他提出的原子模型中所做的假設(shè)有

A、原子處于稱為定態(tài)的能量狀態(tài)時(shí)，雖然電子做加速運(yùn)動，但并不向外輻射能量

B、原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓軌道繞核運(yùn)動相對應(yīng)，而電子的可能軌道的分布是不連續(xù)的

C、電子從一個(gè)軌道躍遷到另一軌道時(shí)，輻射（或吸收）一定頻率的光子

D、電子躍遷時(shí)輻射的光子的頻率等于電子繞核做圓周運(yùn)動的頻率答案：ABC第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四6、氫原子的核外電子，在由離核較遠(yuǎn)的可能軌道躍遷到離核較近的可能軌道的過程中A、輻射光子，獲得能量B、吸收光子，獲得能量C、吸收光子，放出能量D、輻射光子，放出能量答案：D第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四7、在玻爾的原子模型中，比較氫原子所處的量子數(shù)n=1及n=2的兩個(gè)狀態(tài)，若用E表示氫原子的能量，r表示氫原子核外電子的軌道半徑，則A、E2>E1、r2>r1；B、E2>E1，r2<r1；C、E2<E1，r2>r1；D、E2<E1，r2<r1。

答案：A第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四8、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、原子的能量增加，電子的動能減少B、原子的能量增加，電子的動能增加C、原子的能量減少，電子的動能減少D、原子的能量減少，電子的動能增加答案：D第32頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四9、按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道上，則A、電子的動能變大，電勢能變大，總能量變大B、電子的動能變小，電勢能變小，總能量變小C、電子的動能變小，電勢能變大，總能量不變D、電子的動能變小，電勢能變大，總能量變大答案：D第33頁，共34頁，2023