1、第二十一讲 原子结构,【知识要点】,一、电子的发现 二、原子的核式结构 三、玻尔的原子模型,一、电子的发现 1、汤姆生对阴极射线进行了一系列的实验研究。1897年，他确认阴极射线是带负电的粒子。,汤姆生测得的阴极射线粒子的荷质比，大约是当时已知的氢离子的核质比的二千倍。后来他又测得阴极射线粒子的电荷与氢离子的电荷大小基本上相同。因此得出结论，阴极射线粒子的质量比氢离子的质量小得多。后来人们逐渐把这种粒子叫做电子。 后来科学家精确的测量出电子的电量库仑，质量千克。 汤姆生发现电子，是物理学史上的重要事件。由于电子的发现，人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。,2、汤姆生原子模型
2、,原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，而电子却像枣子那样镶嵌在原子里面，这个模型能解释一些实验事实，但无法解释粒子散射实验。,二、原子的核式结构 1、粒子散射实验,1909年至1911年卢瑟福和他的合作者用粒子轰击金箔做了粒子散射实验，发现绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数粒子发生了较大的偏转，并有极少数的粒子偏转角超过了90，有些甚至被弹回，偏转角几乎达到180。,2、卢瑟福原子模型,通过对粒子散射实验的结果进行了分析，卢瑟福提出了他的原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转
3、。 卢瑟福的原子核式模型，能解释粒子散射实验，却与经典的电磁理论发生了矛盾。,3、原子核的电荷和大小,根据卢瑟福的原子核式模型和粒子散射的实验数据，可以推算出各种元素原子核的电荷数，还可以估计出原子核的大小。 （1）原子的半径约为10-10米、原子核半径约是10-14米，原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一。 （2）原子核所带正电荷数与核外电子数以及该元素在周期表内的原子序数相等。 （3）电子绕核旋转所需向心力就是核对它的库仑力。,三、玻尔的原子模型 1、玻尔的原子理论,玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出了新的原子理论。 （1）原子只处于一系列不连续的能量状态
4、中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫做定态。 （2）原子从一种定态(设能量为E1)跃迁到另一种定态(设能量为E2)时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 （3）原子的不同能量状态对应于电子的不同运动轨道。由于原子的能量状态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。,2、氢原子的大小和能极,玻尔在其假设的基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，对结构最简单的氢原子进行了计算，算出了氢的电子的各条可能轨道的半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和电势能）。 玻尔的计算结果可以概括为两个公式：式中r1，E1分别代表第一条
5、(即离核最近的)可能轨道的半径和电子在这个轨道上运动时的能量，rn，En分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是正整数，叫做量子数。 玻尔计算出了r1和E1的数值：,能级：氢原子的各个定态的能量值，叫做它的能级。,上面计算En的式子是氢原子的能级公式。通常把用上式计算出氢原子的各个能级表示为如下图所示的能级图。,基态：在正常状态下，原子处于最低能极，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。 激发态：给物体加热或有光照射物体时，物体中的某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中吸收一定的能量，从基态跃迁到较高能级，这时电子在离核较远的轨道上运动，这些定态叫做激发态。
6、跃迁：原子从基态向激发态跃迁的过程，是吸收能量的过程；原子从较高的基发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子的发光现象。,3、玻尔的原子理论对氢光谱的解释,按照玻尔理论，原子从较高能级E2跃迁到较低能级E1时，辐射出的光子能量为因此氢原子的电子从能量较高的第n条轨道跃迁到能量较低的第2条轨道时辐射光子的频率由此计算出来的频率与实验测出的氢原子的特征谱线的频率完全一致。,玻尔的原子理论对氢光谱的解释,玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的可见光系。同样也成功地解释了氢原子光谱的红外线系与紫外线系。玻尔理论对氢光谱的解释的如下。,玻尔理论成功地解释了
7、氢原子光谱的可见光系。同样也成功地解释了氢原子光谱的红外线系与紫外线系。,4、玻尔理论的局限性,玻尔理论在解释氢原子光谱上获得了成功，但用来解释比较复杂的原子的光谱时却碰到了很大的困难。理论推导出来的结论与实验事实出入很大。玻尔理论的成功之处在于它引入了量子观念，失败之处在于它保留了过多的经典物理理论。 20世纪20年代，建立了量子力学。量子力学是一种彻底的量子理论，它不但成功解释了玻尔理论能解释的现象，而且能够解释大量的玻尔理论所不能解释的现象。,四.量子理论,电子云,【典型例题】,例1、卢瑟福提出原子的核式结构学说的根据是，在用粒子轰击金箔的实验中发现粒子：A、全部穿过或发生很小的偏转；B
8、、绝大多数穿过，只有少数发生很大偏转，甚至极少数被弹回；C、绝大多数发生很大的偏转，甚至被弹回，只有少数穿过；D、全部发生很大的偏转。,分析：粒子轰击金箔的实验结果是：绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数粒子发生了较大角度的偏转，且有极少数粒子偏转角超过了90，有的甚至被弹回。卢瑟福根据这个实验事实提出了原子的核式结构学说。答：选项B正确。,例2、氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时，可能发生的情况有： A、放出光子，电子动能减小，原子势能增加； B、放出光子，电子动能增加，原子势能减少； C、吸收光子，电子动能减小，原子势能增加； D、吸收光子，电子动能增加，原子势能减小。,
9、分析：根据玻尔理论，氢原子的不同定态是跟核外电子绕不同圆形轨道运动相对应的。氢原子的各个定态的能量值（包括电子的动能和电子与核子之间的电势能)称为各个定态的能级。用En表示电子在第n轨 道上的原子能级，用E1表示电子在第1轨道上的原子能级，且 ， 这表明电子在外轨道的能级高于电子在内轨道时的能级。又根据原子由 高能级向低能级跃迁要放出一个光子，原子由低能级向高能级跃迁要吸收一个光子。可见，原子放出光子是电子由外轨道向内轨道跃迁，原子吸收光子是电子由内轨道向外轨道跃迁。,根据电子绕原子核做匀速圆周运动的动力学方程得到电子绕核运转时动能的表达式由上式可以看出，电子在半径较大的轨道上运行时，动能反而
10、小。 根据电子与原子核间的作用力是引力，电子由较低轨道跃迁到较高轨道时，电场力做负功，电势能增加。 因此，当原子放出光子时，是电子从高轨道向较低轨道跃迁，电子的动能增加，原子的势能减少，总能量亦减少，选项B正确。当原子吸收光子时，是电子从较低轨道向较高轨道跃迁，电子的动能减小，原子的势能增加，原子的总能量增加，选项C正确。,答：选项B、C正确。,说明：电子在半径为r的轨道上绕核做匀速圆周运动时，电子具有的动能设电子距原子核为无穷远时，原子的电势能为零，那么，电子在半径为r的轨道上绕核运行时，原子的电势能原子具有的总能量,例3、一群处于n=5的激发态的氢原子，当它们向n=2的能级跃迁时，可能辐射
11、n种频率的光子，其中光子的最大和最小的频率各为多少？,分析：原子辐射光子的能级跃迁情况如图所示。原子由第5能级向第2能级跃迁时，辐射的光子能量最大，频率也最大。原子由第5能级向第4能级跃迁时，辐射的光子能量最小，频率也最小。,解答：一群处于n=5的激发态的氢原子，当它们向n=2的能级跃迁时，可能辐射6种频率的光子。 从n=5直接跃迁到n=2的能级时，辐射的光子的频率最大，从n=5跃迁到n=4的能级时，辐射的光子的频率最小，,【反馈练习】,1、在用粒子轰击金箔的实验中，卢瑟福观察到的粒子的运动情况是A、全部粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进B、绝大多数粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进，少数发生
12、较大偏转，极少数甚至被弹回C、少数粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进，绝大多数发生较大偏转，甚至被弹回D、全部粒子都发生很大偏转,答案：B,2、原子的核式结构学说，是卢瑟福根据以下哪个实验或现象提出来的A、光电效应实验B、氢原子光谱实验C、粒子散射实验D、天然放射现象,答案：C,3、卢瑟福粒子散射实验的结果 A、证明了质子的存在 B、证明了原子核是由质子和中子组成的 C、说明原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上 D、说明原子的电子只能在某些不连续的轨道上运动,答案：C,4、当粒子被重核散射时，如图所示的运动轨迹哪些是不可能存在的,答案：BC,5、玻尔在他提出的原子模型中所做的假
13、设有A、原子处于称为定态的能量状态时，虽然电子做加速运动，但并不向外辐射能量B、原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的C、电子从一个轨道跃迁到另一轨道时，辐射（或吸收）一定频率的光子D、电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率,答案：ABC,6、氢原子的核外电子，在由离核较远的可能轨道跃迁到离核较近的可能轨道的过程中 A、辐射光子，获得能量 B、吸收光子，获得能量 C、吸收光子，放出能量 D、辐射光子，放出能量,答案：D,7、在玻尔的原子模型中，比较氢原子所处的量子数n=1及n=2的两个状态，若用E表示氢原子的能量，r表示氢原子核外
14、电子的轨道半径，则 A、 E2E1、r2r1； B、E2E1，r2r1； D、E2E1，r2r1 。,答案：A,8、根据玻尔理论，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道后 A、原子的能量增加，电子的动能减少 B、原子的能量增加，电子的动能增加 C、原子的能量减少，电子的动能减少 D、原子的能量减少，电子的动能增加,答案：D,9、按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道上，则 A、电子的动能变大，电势能变大，总能量变大 B、电子的动能变小，电势能变小，总能量变小 C、电子的动能变小，电势能变大，总能量不变 D、电子的动能变小，电势能变大，总能量变大,答案：D,10、氢原子在
15、下列各能级间跃迁（如图所示） （1）从n=2到n=1 （2）从n=5到n=3 （3）从n=4到n=2 在跃迁过程中辐射的电磁波的波长分别用1、2、3表式，波长1、2、3大小的顺序是： A、1 2 3 ； B、13 2 ； C、3 2 1 ； D、3 1 2 。,答案：B,【课后练习】 一、填空题,1、氢原子的基态能量 ，则氢原子处于量子数n=5的能级时的能量为_eV。 2、用电磁波照射某原子，使它以能量为E1的基态跃迁到能量为E2的激发态，该电磁波的频率等于_。3、在玻尔的氢原子模型中，电子的第1条（即离核最近的那条）可能轨道的半径为r1，则由此向外数的第2条可能轨道半径r2=_， 电子在这第
16、2条可能轨道上运动时的动能Ek=_ 。已知基本 电荷为e，其静电引力恒量为k 。,答案：-0.544 。,答案：,答案：,4、如图所示，氢原子最低的4个能级，氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率最多有_种，其中最小的频率等于_Hz（保留两位数字）。,答案：6 ;,二、选择题,5、卢瑟福粒子散射实验的结果，表明了 A、质子比电子重 B、原子核内存在着中子 C、原子中的正电荷集中在很小的区域范围内 D、可以用人工方法直接观察原子结构,答案：C,6、按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，ra rb，在此过程中 A、原子要发出一系列频率的光
17、子 B、原子要吸收一系列频率的光子 C、原子要发出某一频率的光子 D、原子要吸收某一频率的光子,答案： C,7、氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时，可能发生的情况有 A、放出光子，电子动能减少，原子势能增加 B、放出光子，电子动能增加，原子势能减少 C、吸收光子，电子动能减少，原子势能增加 D、吸收光子，电子动能增加，原子势能减少,答案： BC,8、氢原子基态能级为13.6eV，一群氢原子处于量子数n=3的激发态，它们向较低能级跃迁时，放出光子的能量可以是 A、1.51eV B、1.89eV C、10.2eV D、12.09eV,答案： BCD 。,三、计算题,9、设氢原子的核外电子在
18、第2条轨道和第3条轨道上运动时，氢原的能量分别是E2和E3， 已知 ， 问氢原子吸收波长为多少微米的光子，才能使它的电子从第2条轨道跳到第3条轨道(普朗克常量 ),答案： 0.656m 。,10、已知氢泵子基态的电子轨道半径为 ，量子数为n的能级值为（1）求电子在基态轨道上运动时的动能 （2）有一群氢原子处于量子数n=3的激发态，画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线 （3）计算这几条光谱线中波长最短的一条的波长， （静电力恒量 ，电子电量 ，普朗克常量 ，真空中的光速 ),答案： (1) 13.6eV ；(2) 3 ；(3) 。,答案：,一、填空题 1、0.544 。2、 。 3、 。4、6 ; 。 二、选择题 5、C ； 6、C ； 7、BC ； 8、BCD 。 三、计算题 9、0.656m 。 10、(1) 13.6eV ；(2) 3 ；(3) 。,
