原子認識的發(fā)展和結構模型

原子認識的發(fā)展和結構模型第一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五章節(jié)內容第一節(jié)對原子認識的發(fā)展第二節(jié)原子結構模型第三節(jié)原子的基本參數(shù)附錄1盧瑟福散射方法應用實例第二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)對原子認識的發(fā)展第三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五是什麼把它們組合在一起？歷史回顧物質世界是由什麼組成的？金、木、水、火、土？陰、陽？第四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

公元前384～322年

古希臘哲學家亞里士多德和泰勒斯等提出“四元素說”萬物源于水自然現(xiàn)象歸于自然物質水、空氣、土、火

第五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五公元前500～400年

古希臘人留基伯及其學生德謨克利特等古希臘哲學家首先提出“原子說”萬物是由大量的不可分割的微粒構成的，即原子德謨克利特第六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五“原子”在沉睡了2000多年后……科學概念球1803道爾頓1803道耳頓原子—科學概念球

提出近代原子學說，他認為原子是微小的不可分割的實心球體英國化學及物理學家第七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五電子的發(fā)現(xiàn)(實例)1897U.K.

Thomson湯姆遜

（1856-1940）實景照片P6第八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五陰極射線是帶負電的粒子陰極射線偏向正電極第九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五陰極射線是帶負電的粒子陰極射線受磁場影響而偏向第十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五Thomson：

1.確認陰極射線為帶負電的電子流，稱這種粒子為電子。

2.測量電子的e/m值(e/m=1.76*1011庫侖/公斤)第十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

實驗上認定:陰極射線是負電荷粒子,荷質比是氫原子離子的1000多倍若電荷都為1個單位,則該粒子質量為氫原子的1/1800,比氫原子小很多.命名為電子（現(xiàn)在精確值1/1840）？電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個比原子還小的粒子，從原子中出來,原子在強電場下可被打破.突破了原子是組成物質最小“磚塊”的認識，促使人們向原子內部探索，掀起了“分裂原子”的熱潮。湯姆遜第十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1887考夫曼，1890舒斯特都曾得到過類似實驗結果,但由于不相信陰極射線會是由粒子組成的,特別比原子還小很多,不可思議,沒有勇氣發(fā)表得到的結果。其他科學家的發(fā)現(xiàn)“當真理碰到鼻尖上的時候還沒有得到真理的人”

——恩格斯第十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五道耳頓原子—科學概念球電子的發(fā)現(xiàn)打破了第十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五湯姆遜原子模型正電荷電子湯姆遜均勻分布在球體內鑲嵌在球體內原子的質量集中在帶正電荷的部分湯姆遜英國物理學家(1856-1940)原子電中性原子=正電物質+電子第十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五湯姆遜“原子模型”把當時的實驗結果和理論都綜合進去了，被公認為第一個比較完整的、科學的原子模型，影響很大電子在平衡位置做簡諧振動，發(fā)射和吸收特定頻率的電磁輻射可以解釋元素周期表某些事實，元素化學性質，元素光譜線的差異等第十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1903年，林納（Lenard)在研究陰極射線被物質吸收的實驗里發(fā)現(xiàn)“原子是十分空虛的”1904年，長岡半太郎在此基礎上提出了“土星模型”，但沒有深入下去正電荷集中于中心，電子分布在繞正電球旋轉的園環(huán)上1909至1911年，英國物理學家盧瑟福（1871～1937）和他的合作者們做了用“粒子轟擊金箔的實驗”否定了“湯姆遜模型”第十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)原子結構模型第十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五粒子撞擊金箔的實驗放射源探測器背散射粒子金箔P12第十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五蓋革-馬斯頓散射實驗裝置—

粒子撞擊金箔的實驗鉛盒金箔

射線束熒光屏顯微鏡放射源(鐳)改進的裝置第二十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五易穿過原子，只能發(fā)生小角度散射Rrr電子的質量很小，不到α粒子的七千分之一，碰到它，就像飛行的子彈碰到一粒塵埃一樣。運動方向不會發(fā)生明顯的改變α粒子穿過原子時，它受到的原子內部兩側正電荷的斥力相當大一部分互相抵消，使α粒于偏轉的力不會很大每次碰撞偏轉角小于10-3rad，產(chǎn)生90o偏轉的幾率約為10-3500第二十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五放射源(鐳)金箔小部分粒子發(fā)生偏轉閃光大部分粒子不發(fā)生偏轉極小部分粒子發(fā)生角度很大的偏轉(180o)粒子大角度散射現(xiàn)象,令盧瑟福感到驚奇產(chǎn)生90O偏轉的實驗值為1/8000需要有很強的作用力,除非原子的大部分質量和電荷集中到一個很小的核上,否則大角度散射是不可能的第二十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五金原子核(集中原子的正電荷和質量)粒子金原子大部分沒有偏轉原子核很小大角度偏轉迎頭撞擊金原子核微小偏轉正電荷的原子核對粒子產(chǎn)生斥力

粒子的偏轉第二十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五R模型距核愈近力愈大，可能被大角度散射原子核原子盧瑟福設想的原子r第二十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五原子“行星”模型1911年

原子中心有一個帶正電荷的核，它的質量幾乎等于原子的全部質量，電子在它的周圍沿著不同的軌道運轉，就象行星環(huán)繞太陽運轉一樣盧瑟福英籍新西蘭人（1871~1937）E.Rutherford(1871-1937)第二十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五負電荷分布在原子核周圍,如何分布?原子不穩(wěn)定？盧瑟福散射實驗結果表明:原子內正電荷集中在中心,并載有原子絕大部分質量99.99%以上叫原子核原子內部十分空曠原子10-10米原子核10-15米第二十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五假定如果散射僅由靜電相互作用引起,則有:N=N0nt(Ze2/4πε0mv2)2/Sin4(θ/2)薄片厚度原子數(shù)/cm3介電常數(shù)8.85×10-12A·s/V·m散射粒子數(shù)反比于Sin4(θ/2)公式推導：自學P14~21盧瑟福散射公式P14第二十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

Rutherford原子模型：類似行星繞太陽軌道半徑

r可以是任意值，能量就應為連續(xù)，但是原子光譜卻是一些不連續(xù)的亮線：缺陷1：無法解釋原子光譜能量是不連續(xù)軌道半徑也是不連續(xù)

He的光譜線第二十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五電子軌道的崩潰缺陷2：無法解釋原子的穩(wěn)定性園周運動為加速運動帶電粒子作加速度運動會放出能量電子逐漸失去能量，最后會掉進原子核內正負電荷中和，原子全部崩潰第二十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五盧瑟福模型原子光譜的經(jīng)驗規(guī)律普朗克的量子假說(1900年)愛因斯坦的光子假說(1905年)+++

1913年提出假說

原子能量不連續(xù)當能級發(fā)生躍遷時，就發(fā)射出一定頻率的光尼玻爾（1885-1962）丹麥物理學家第三十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1.量子假說依據(jù)之一:黑體輻射

黑體輻射

“紫外災難”熱輻射量子

普朗克（1858-1947）德國物理學家(1918諾貝爾物理獎)P32第三十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五什么叫黑體輻射?物體對什么光都吸收而無反射所有物體都發(fā)射熱輻射用不透明材料制成一空心容器，壁上開一小孔，這個小孔可看成絕對黑體絕對黑體的模擬紅外線夜視鏡第三十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五實驗表明：一切物體是以電磁波的形式向外輻射能量輻射的能量與溫度有關，稱之為熱輻射輻射和吸收的能量恰相等時稱為熱平衡。此時溫度恒定不變第三十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五熱電偶E(T,λ)光柵光譜儀T黑體研究黑體輻射的實驗裝置示意圖第三十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五維恩位移定律實驗發(fā)現(xiàn)：當絕對黑體的溫度升高時，單色輻出度最大值對應的m

向短波方向移動第三十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出能量密度：*維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學得出：實驗瑞利-瓊斯維恩理論值T=1646k第三十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1893年,維恩得到E~的關系式，系統(tǒng)偏離單位時間單位面積黑體輻射的能量對波長極短的紫外部分輻射能量密度E

完全違背實驗事實經(jīng)典物理不可避免

“紫外災難”“紫外災難”1900~1905瑞利和金斯導出E~公式第三十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五即物體發(fā)射或吸收電磁輻射只能以“量子”方式進行，每個能量子的能量為:=h其中

h=6.626×10-34J·s稱為普朗克常數(shù)。對于頻率為的電磁輻射，物體只能以h為單位發(fā)射或吸收它。普朗克假設（1900年）第三十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

能量不連續(xù)的概念與經(jīng)典物理學是完全不相容的！普朗克導出了與實驗結果極為符合的普朗克公式1900.12.14.--量子論誕生日普朗克公式利用內插法將適用于短波的維恩公式和瑞利-金斯公式銜接起來第三十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1893年,維恩得到E~的關系式，系統(tǒng)偏離1900~1905瑞利和金斯導出E~公式單位時間單位面積黑體輻射的能量對波長極短的紫外部分輻射能量密度E

完全違背實驗事實經(jīng)典物理不可避免

“紫外災難”第四十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

普朗克從理論上尋找對公式的解釋，發(fā)現(xiàn)只要假定輻射能不是連續(xù)變化，而只取某個單元能量的整數(shù)倍跳躍變化，就可做出合理解釋。1900/12/14

普朗克將能量不連續(xù)的假設報告了德國物理學會：熱輻射能量是一個基本單位量0=h的整數(shù)倍，h

稱做能量子

即輻射能量取值n0

其中n=0,1,2,3,4,5,

由此，得到的公式能夠很好地與黑體熱輻射實驗結果符合

并且短波區(qū)維恩公式；長波區(qū)瑞利-金斯公式

第四十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五普朗克用能量子假說導出的黑體輻射公式與實驗結果精確相符,成為量子論的重要依據(jù)之一.第四十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五兩種觀點的對比經(jīng)典物理:自然界無跳躍,連續(xù)變化新觀點:自然界有跳躍,不連續(xù)(量子化)與傳統(tǒng)認識相矛盾,令許多人難以接受，普朗克本人也非常矛盾。但是，量子論是物理概念的一次革命、一次創(chuàng)新，更多的實驗事實被發(fā)現(xiàn)，發(fā)展趨勢銳不可擋！第四十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

普朗克試圖3次修改量子論，甚至放棄自己提出的能量量子概念，力圖將其納入經(jīng)典物理范疇。普朗克回憶這段經(jīng)歷說：

花費了15年的時間，付出了巨大的精力，企圖使基本作用量子與經(jīng)典理論調和的努力純屬“徒勞無益”，“近乎一場悲劇”。M.Planck(1858-1947)第四十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五愛因斯坦（1878-1955）愛因斯坦第一個堅持能量量子論1905年提出光量子解釋光電效應1907年解釋了熱容量量子性質Einstein(1878-1955)1905年（26歲）連續(xù)發(fā)表五篇論文《光量子論》《分子尺度新測定》《論動體的電動力學》等揭示了

“狹義相對論”基本原理第四十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.量子假說依據(jù)之二:光電效應

VA光RE-+電子eV0=(1/2)mv2P37第四十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五實驗結果10-9sti光電效應具有瞬時性(同時產(chǎn)生)經(jīng)典物理認為吸收能量需要時間光電流

吸收能量需要的時間?例:以光強為1μW/m2的光照射到鈉板上,要使電子獲得1eV的能量,需要1/3a.與經(jīng)典物理矛盾,是經(jīng)典物理最難理解的.第四十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

入射光的頻率高于閾頻率，才能產(chǎn)生光電流，否則無論光強I再大，都無光電流(與ν有關,與I無關)。而經(jīng)典認為:有無光電效應與頻率無關。CsKCuνν0V0遏制電壓V0依賴于光的頻率而與光強I無關；而經(jīng)典認為光強越大，光電子的初動能也越大。eV0=(1/2)mv2閾頻率第四十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五愛因斯坦1905年提出了光量子假設（1）電磁輻射由光量子組成，每一個光量子的能量=h

其中h是普朗克常數(shù)（2）光量子具有“整體性”。一個光子只能整個地被電子吸收或放出。第四十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五光電效應的量子解釋

★光照射到金屬表面時，光子將全部能量hν傳遞給金屬中的電子。電子克服核的束縛而成為自由電子。

★光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，與光的強度無關。逸出的電子的最大初動能為(1/2)mv2=hν-φ逸出功第五十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五ν0能量Em閾頻率頻率ννhν-φφ動能動能=(1/2)mv2=hν-φ第五十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

普朗克指責愛因斯坦光量子論

“太極端了”愛因斯坦的光量子假設成功地解釋了光電效應，1922年因光電效應獲諾貝爾物理獎第五十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五光源分光器（棱鏡或光柵）紀錄儀（感光底片或光電紀錄器）光譜儀3.量子假說依據(jù)之三:原子線狀光譜

玻爾1913年利用量子軌道的概念成功地解釋了原子線狀光譜，提出了現(xiàn)代原子模型。光譜電磁輻射頻率成分和強度分布的關系圖第五十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五He光譜原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量。

h=En-Em頻率規(guī)則EnEm吸收發(fā)射hhE2E3第五十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.德布洛依1924年提出物質波概念5.海森堡1925年創(chuàng)立矩陣力學（量子力學）6.薛定諤1926年創(chuàng)立波動量子力學

量子論終于取得了勝利!第五十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五盧瑟福模型原子光譜的經(jīng)驗規(guī)律普朗克的量子假說(1900年)愛因斯坦的光子假說(1905年)+++

1913年提出假說

原子能量不連續(xù)當能級發(fā)生躍遷時，就發(fā)射出一定頻率的光尼玻爾（1885-1962）丹麥物理學家第五十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五現(xiàn)代原子模型的建立1913尼玻爾（1885-1962）丹麥物理學家1912年6月12日一封信中寫道：“PerhapsIhavefoundoutaittleaboutthestructureofatoms”電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速的圓周運動（1922年獲諾貝爾物理學獎）P44第五十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五原子結構原子殼層模型1913年

第一次提出角動量量子化H原子中的電子處于分立（定態(tài)）能級上

這些電子是穩(wěn)定，不輻射能量解決了原子不穩(wěn)定和光譜不連續(xù)的困惑第五十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

電子云電子出現(xiàn)幾率的分布圖第五十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

電子只能存在某些特殊的軌道上才是穩(wěn)定的，在這些軌道上不會放射出電磁波，因此電子也不會損失能量在這個假設下，原子的激發(fā)光譜自然而然也是不連續(xù)的第六十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五核外電子分層排布電子按能量高低在核外分層排布。1234567KLMNOPQ由內到外，能量逐漸升高第六十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五排布規(guī)律電子總是盡先排布在能量最低的電子層里K→L→M→N→O→P2→8→18→32→50→2n21→2→3→4→5→6每個電子層最多只能排布2n2個電子K層為最外層時，最多只能容納2個電子次外層最多不超過18個電子其它各層為最外層時，最多只能容納8個電子第六十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五惰性氣體元素原子電子層排布核電荷數(shù)元素名稱元素符號各電子層的電子數(shù)KLMNOP最外層電子數(shù)2氦He2210氖Ne28818氬Ar288836氪Kr28188854氙Xe2818188886氡Rn2818321888各層最多電子數(shù)281832??第六十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五原子結構示意圖1第六十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五原子結構示意圖2第六十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五弗蘭克－赫茲實驗玻爾理論的驗證1914年Franck和Hertz實驗發(fā)現(xiàn)原子經(jīng)電子碰撞后吸收能量的分立性K：熱陰極，發(fā)射電子KG區(qū)：電子加速，與Hg原子碰撞GA區(qū)：電子減速，能量大于0.5eV的電子可克服反向偏壓，產(chǎn)生電流P56第六十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五非彈性碰撞，電子損失能量，激發(fā)Hg原子彈性碰撞，電子幾乎不損失能量電子經(jīng)過次加速和非彈性碰撞，能量全部損失，電流最小。第六十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五K：旁熱式熱陰極，均勻發(fā)射電子，提高能量測量精度KG1區(qū)：電子加速G1G2區(qū)：電子與原子碰撞G2A區(qū)：電子減速1920年Hertz測得4.9eV以上的高激發(fā)能Franck改進實驗裝置1924年缺陷：電子動能達到4.9eV便經(jīng)碰撞失去能量，無法達到更高動能。第六十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五課堂練習11.下列原子結構示意圖中,正確的是:2.某元素原子的原子核外有三個電子層,最外層有4個電子,該原子核內的質子數(shù)為:A.14B.15C.16D.173.下列敘述正確的是:A.電子在原子核外作高速圓周運動B.電子云示意圖中的小黑點表示一個電子C.次外層電子數(shù)一定是2或8D.最外層只有一個電子的原子不一定是堿金屬元素的原子A.B.C.D.答案：1.B2.A3.D第六十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五課堂練習21.根據(jù)下列敘述,寫出元素名稱并畫出原子結構示意圖。（1）A元素原子核外M層電子數(shù)是L層電子數(shù)的1/2；___________

（2）B元素原子的最外層電子數(shù)是次外層電子數(shù)的1.5倍；______

（3）C元素的次外層電子數(shù)是最外層電子數(shù)的1/4；________2.X和Y是原子序數(shù)小于18的元素，X原子比Y原子多1個電子層；X原子的最外層中只有1個電子；Y原子的最外層電子層中有7個電子。這兩種元素形成的化合物的化學式是__________________.答案：1.(1)硅284(2)硼23(3)氖282.NaF第七十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)原子基本參數(shù)第七十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五一、原子的質量1611.質量單位原子質量單位u(unit),12C質量的1/121u=1.6605402×10-27kg=931.49432Mev/c2

MH=1.007825uMO=15.994915ump=1.007276u第七十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1eV:1個電子穿過1伏特電壓差所獲得的能量1eV=1.6

10-19焦耳

1keV=103eV1MeV=106eV

1GeV=109eV1TeV=1012eV1

GeV約相當于蚊子飛行動能的1/1000核科學使用的能量單位電子伏特(eV)1TeV第七十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.原子質量的計算m=M/NA原子質量摩爾質量阿伏伽德羅常數(shù)NA=6.022×1023/mol例:1mol12C的摩爾質量為12g，故12u=12/NA1u=1/NA=1.6605402×10-27kg第七十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五核素M（u）核素M（u）p1.00727612C12.0000001H1.00782514C14.0032422H2.01410214N14.0030743H3.01604916O15.9949153He3.01603027Al26.9815424He4.00260356Fe55.9349406Li6.015123208Pb207.9766417Li7.016004235U235.0439259Be9.012183238U238.050786一些原子的質量第七十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五二、電子的電荷和質量

1923年獲諾貝爾獎R.Millikan(1868-1953)

電子電荷的精確測定由密立根于1910年完成——“油滴實驗”e=1.60217733×10-19C密立根發(fā)現(xiàn)電荷是量子化的

為什么？至今仍然是一個迷第七十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五實驗測得e/me可以定出電子的質量為：me=9.1093897×10-31kg=0.511MeV/c2J.J.Thomson(1856-1940)1897年使用的放電管第七十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五荷質比的測定V計數(shù)12質譜儀{動能=qVMv2=qVqvH=Mv2/Rq/M=2Vc2/H2R2H,R固定,改變V,調壓法第七十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五三、原子大小的估算A克AX原子有NA個

V=(4/3)πr3r

m=A/NAr3=3A/(4πρNA)m=ρ×V==ρ×(4/3)πr3第七十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五不同原子的半徑元素A密度半徑/nmLi70.70.16Al272.70.16Cu638.90.14S322.070.18Pb20711.340.19第八十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五附錄1盧瑟福散射方法應用實例第八十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五盧瑟福背散射分析（RBS)1盧瑟福散射實驗的思考

1911由于觀測到大角度散射的粒子發(fā)現(xiàn)了原子核，表明大角度散射粒子載有原子核大小的信息。散射粒子是否還載有其他信息呢？背散射﹥90o

前向散射

基本思想：用“炮彈”轟擊研究“對象”,分析實驗現(xiàn)象和結果，推知彈與靶有關信息。第八十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2盧瑟福散射理論指出018090E%7Li12C27Al197Au散射能量損失E=E0-Eb散射角在一定的實驗條件下，散射粒子能量Eb

Eb(Mi，Zi，)90散射粒子能量差別大背散射粒子能量和強度（數(shù)目）載有信息:1）樣品成分（Zi