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(共36張PPT)
5.1 原子的結構
第五章 原子與原子核
學習目標
4.了解能級、能級躍遷、能量量子化以及基態、激發態等概念；
1.了解α粒子散射實驗器材、實驗原理和實驗現象;
3.知道玻爾原子理論基本假設的主要內容；
2.盧瑟福的原子核式結構模型的主要內容；
5.掌握用玻爾原子理論簡單解釋氫原子模型；
目標一、原子核式結構認知歷程
近代科學原子論（1803年）
2.原子模型：原子是堅實的，不可再分的實心球。
1.一切物質都是由最小的不能再分的粒子——原子構成
目標一、原子核式結構認知歷程
科學家在研究稀薄氣體放電時發現，當玻璃管內的氣體足夠稀薄時，陰極就發出一種射線。它能使對著陰極的玻璃管壁發出熒光，這種射線的本質是什么呢？
目標一、原子核式結構認知歷程
這種射線稱為陰極射線。對這種射線本質的認識有兩種觀點：一種觀點認為，它是一種電磁輻射；另一種觀點認為，它是帶電微粒。如何用實驗判斷哪一種觀點正確呢？
目標一、原子核式結構認知歷程
19世紀，對陰極射線本質的認識有兩種觀點
一種觀點認為陰極射線像X射線一樣是電磁輻射代表人物赫茲
另一種觀點認為陰極射線是帶電微粒代表人物湯姆孫
湯姆孫
英國
陰極射線的本質
目標一、原子核式結構
【特別提醒】
(1)注意陰極射線和X射線的區別.陰極射線是電子流，X射線是電磁輻射.
(2)由陰極射線在電場、磁場中的偏轉可確定射線由帶負電的粒子組成.
J.J湯姆孫在實驗室
J. J.湯姆孫通過研究氣體電離和光電效應實驗現象中發現并完全確認了電子的存在。
陰極射線的本質——電子的發現
目標一、原子核式結構
1、組成陰極射線的成分是電子；
2、密立根通過著名的“油滴實驗”精確測定了電子的電荷量：
3、電荷是量子化的；
4、電子的發現的意義：打破了傳統的“原子不可分”的觀念。
陰極射線的本質——電子的發現
目標一、原子核式結構
通常情況下，物質是不帶電的，因此，原子應該是電中性的。既然電子是帶負電的，質量又很小，那么，原子中一定還有帶正電的部分，它具有大部分的原子質量。請你設想一下，原子中帶正電的部分以及帶負電的電子可能是如何分布的？
思考與討論
棗糕模型（葡萄干布丁模型）
湯姆孫提出了
目標一、原子核式結構
原子是一個球體，正電荷均勻地分布其中，質量很小的電子鑲嵌其中，就象棗點綴在一塊蛋糕里一樣，所以又被人們稱為“棗糕模型”或“葡萄干布丁模型”。
J. J.湯姆孫的原子模型——“棗糕模型”
目標一、原子核式結構
1909年湯姆孫的學生盧瑟福建議其學生兼助手蓋革和馬斯頓用α粒子轟擊金箔去驗證湯姆孫原子模型。
目標一、原子核式結構
α粒子是從放射性物質（如鈾和鐳）中發射出來的快速運動的粒子，質量為氫原子質量的4 倍、電子質量的7300倍。
⑴α粒子
⑵實驗原理和實驗裝置
③顯微鏡帶有光屏S，可以在水平而內轉到不同的方向對散射的α粒子進行觀察。
①是被鉛塊包圍的α粒子源
②是金箔：接收α粒子的轟擊
當α粒子打到金箔時，發生了α粒子的散射。統計散射到各個方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中電荷的分布情況。
金的延展性好，
核電荷量大，
核質量大。
為什么用金？
目標一、原子核式結構
絕大多數α粒子穿過金箔后仍沿原來方向前進，
少數α粒子（約占8000分之一）發生了較大的偏轉，
極少數α粒子的偏轉超過了90°，有的甚至幾乎被撞了回來。
實驗現象
目標一、原子核式結構
對α粒子散射實驗的解釋
①J. J.湯姆孫的模型無法解釋大角度散射的實驗結果。
②占原子質量絕大部分的帶正電的物質集中在很小的空間范圍。這樣才會使α粒子在經過時受到很強的斥力，使其發生大角度的偏轉。
⑴大角度的偏轉不可能是電子造成的
⑵α粒子偏轉主要是具有原子的大部分質量的帶正電部分造成的
因為電子的質量只有α粒子的 ，它對α粒子速度的大小和方向的影響就像灰塵對槍彈的影響，完全可以忽略。
目標一、原子核式結構
絕大多數ɑ粒子不偏移
少數ɑ粒子發生較大偏轉
極少數ɑ粒子被彈回
實驗現象
分析推理
原子內部絕大部分是“空”的
原子內部有“核”存在
作用力很大
質量很大電量集中
目標一、原子核式結構
1911年，盧瑟福提出了原子的核式結構模型
1、原子核：原子中心有一個很小的核，集中了原子的全部正電荷和幾乎全部質量。
2、帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉。
3、原子半徑的數量級大約是10-10m
原子核半約數量級為10-15m
評價任務：
【典例1】　1897年，物理學家湯姆孫正式測定了電子的比荷，打破了原子是不可再分的最小單位的觀點．因此，湯姆孫的實驗是物理學發展史上最著名的經典實驗之一．在實驗中湯姆孫采用了如圖所示的陰極射線管，從電子槍C出來的電子經過A、B間的電場加速后，水平射入長度為L的D、E平行板間，接著在熒光屏F中心出現熒光斑．若在D、E間加上方向向下，場強為E的勻強電場，電子將向上偏轉；如果再利用通電線圈在D、E電場區加上一垂直紙面的磁感應強度為B的勻強磁場(圖中未畫)，熒光斑恰好回到熒光屏中心，接著再去掉電場，電子向下偏轉，偏轉角為θ.試解決下列問題：
(1)說明圖中磁場沿什么方向；
(2)根據L、E、B和θ，求出電子的比荷．
評價任務：
【典例2】　如圖所示為α粒子散射實驗中α粒子穿過某金屬原子核附近時的示意圖，A、B、C三點分別位于兩個等勢面上，則下列說法中正確的是(　　)
A．α粒子在A處的速度比在B處的速度小
B．α粒子在B處的速度最大
C．α粒子在A、C處的速度相同
D．α粒子在B處的速度比在C處的速度小
答案：D
評價任務：
【典例3】　(多選)關于原子核式結構理論說法正確的是 (　　)
A．是通過發現電子現象得出來的
B．原子的中心有個核，叫作原子核
C．原子的正電荷均勻分布在整個原子中
D．原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外旋轉
答案：BD
目標二、光譜——形成
1.光譜：經三棱鏡散射后，不同頻率的光分開(折射率與光的頻率有關)， 照在感光底片上，不同波長(即頻率)的光出現在底片上不同位置.
目標二、光譜——分類
發射光譜
吸收光譜：
連續光譜
線狀光譜
熾熱的固體、液體或高壓氣體
游離原子、稀薄氣體、金屬蒸氣
原子光譜
物質吸收光子，從低能級躍遷到高能級而產生的光譜
（光源發出）
光譜取決于原子的內部結構
原子發出的光譜都是不連續的線狀光譜
目標二、光譜——種類
目標二、氫原子光譜
原子光譜：
某種原子的氣體通電后可以發光并產生固定不變的光譜。
氫原子光譜：
由實驗得到的氫原子光譜是分立的。
每種原子都有自己的特征光譜
目標二、氫原子光譜
每種原子都有自己的特征光譜
特征譜線
鑒別元素
目標二、氫原子光譜——經典理論的困難
矛盾二：無法解釋原子的穩定性
矛盾一：無法解釋原子光譜的分立性
輻射電磁波
事實上：輻射電磁波頻率只是某些確定值
電子軌道半徑連續變小
原子不穩定
輻射電磁波頻率連續變化
Hα
Hδ
Hγ
Hβ
事實上：
原子是穩定的
核外電子繞核運動
目標三、原子能級結構
棗糕模型或葡萄干模型
原子核式結構
玻爾的原子模型
目標三、原子能級結構
受到普朗克和愛因斯坦量子概念的啟發下，
玻爾提出：1.電子繞原子核運動的軌道半徑是分立的，電子只能在某些特定的軌道。（軌道量子化假說）
玻爾，丹麥物理學家1885年10月7日—1962年11月18日，1922獲得諾貝爾物理學獎
目標三、原子能級結構
2.當電子在不同的軌道上運動時，
原子具有不同的能量值（能級）（能量量子化假說）。
3.當電子從一個穩定態躍遷到另一個穩定態，會輻射出電磁波或者吸收電磁波.電磁波波長滿足，（躍遷假說）
4.高能級的原子能自發地向低能級躍遷，并輻射出能量。反之，低能級的原子獲得能量，便可以向高能級躍遷。
hv =Em-En
目標三、原子能級結構
軌道與能級相對應
氫原子的能級示意圖
激發態：當電子受到外界激發時，可從外界吸收能量，并從基態躍遷到較高能級上，這些能級對應的狀態稱為激發態。
基態：在正常情況下，氫原子處于最低的能級，這個最低能級對應的狀態稱為基態。
目標三、原子能級結構
氫原子能級的躍遷條件
光子的能量：E=hv
如果電子想從n=1躍遷到n=2的軌道
E2-E1=10.2eV
如果電子想從n=1躍遷到n=3的軌道
E3-E1=12.09eV
則原子需要剛好吸收12.09eV的能量
電離條件
實物粒子
原子與原子結構
原子
J.J湯姆孫
盧瑟福
波爾
J.J湯姆孫
盧瑟福
波爾
提出棗糕模型
發現了電子
密里根
油滴實驗
電子電荷量
原子的核式結構
粒子散射實驗
量子化條件
三個假設
躍遷假設
定態假設
軌道量子化
能量量子化
光子
實物粒子
光子的能量必須滿足能級差
光子的能量大于或等于能級差
軌道半徑越大，原子能量越大，
勢能增加動能減少
電離能
目標三、原子能級結構
玻爾理論的局限性
玻爾在解決核外電子的運動時成功引入了量子化的觀念
同時又應用了“粒子、軌道”等經典概念和有關牛頓力學規律
除了氫原子光譜外，在解決其他問題上遇到了很大的困難
沒有繞開經典理論
無法解釋復雜一點的原子的光譜現象無法解釋譜線的強度等
評價任務：
【典例4】　(多選)由玻爾理論可知，下列說法中正確的是(　　)
A．電子繞核運動有加速度，就要向外輻射電磁波
B．處于定態的原子，其電子做變速運動，但它并不向外輻射能量
C．原子內電子的軌道可能是連續的
D．原子的軌道半徑越大，原子的能量越大
解析：按照經典物理學的觀點，電子繞核運動有加速度，一定會向外輻射電磁波，很短時間內電子的能量就會消失，與客觀事實相矛盾，由玻爾假設可知選項A、C錯誤，B正確；原子軌道半徑越大，原子能量越大，選項D正確．
答案：BD
評價任務：
【典例5】　如圖所示為氫原子的能級分布圖，已知可見光光子的能量在1.61～3.10 eV范圍內，由圖可知(　　)
A．基態氫原子吸收能量為10.3 eV的光子能從n＝1能級躍遷到n＝2能級
B．基態氫原子的電離能為13.6 eV
C．一群處于n＝5能級的氫原子向低能級躍遷時，可輻射6種不同頻率的光子
D．氫原子從n＝4能級躍遷到n＝3能級，輻射的光子是可見光
答案：B
注意事項：
課堂總結

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