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第五章 原子與原子核
粵教版選擇性必修三
第一節 原子的結構
新課導入
1858年，科學家在研究稀薄氣體放電時發現，在內部氣體足夠稀薄（抽成真空）的玻璃管兩端加上高電壓時，陰極就會發出一種射線。
陽極
熒光屏
狹縫
陰極
—— 陰極射線
陰極射線究竟是什么？是原子？還是更小的帶電微粒？
新課導入
關于陰極射線的兩種爭論：
德國赫茲：原子就是最小的粒子，陰極射線是電磁波。
英國湯姆孫：陰極射線由運動的帶電微粒組成的,
陰極射線究竟是什么？是原子？還是更小的帶電微粒？
陰極這種金屬原子是可以分割的
湯姆孫對陰極射線的研究
1、實驗探究：
陰極 K 發出的帶電粒子 → 小孔 A、B → 金屬板 P、P′ → 管壁 P1 處產生熒光斑點 → 當施加電場后，帶電粒子發生偏轉，P2 處產生熒光斑點。
極板長
L
K
A
B
P
P′
θ
P1
P2
+
-
+
-
J.J湯姆孫
結論：陰極射線中粒子所帶電荷為負電荷。
湯姆孫對陰極射線的研究
J.J湯姆孫
2.帶電粒子比荷 e/m 的測定過程
在PP′兩極間加入合適的電場，并逐步增大電壓，使屏幕上的亮點逐漸向屏幕下方偏移，直到屏幕上恰好看不見亮點為止，記下此時外加電壓U.
L
K
A
B
P
P′
P1
P2
+
-
+
-
不同物質材料重復實驗，結果相同
在PP′之間施加一個大小合適、方向垂直于紙面的磁場，使屏幕正中心重現亮點。射線粒子的速度大小
結論：帶電粒子比荷
偏轉位移
湯姆孫對陰極射線的研究
J.J湯姆孫
L
K
A
B
P
P′
P1
P2
+
-
+
-
(1) 帶負電的粒子是構成各種物質的共有成分。
(2) 陰極射線粒子的比荷是氫離子比荷的近2000倍，而該粒子所帶電荷的大小與氫離子大致相同，所以這種粒子的質量比氫離子小得多。后來，組成陰極射線這種帶負電的粒子即為電子。
湯姆孫的結論：
電子是比原子更基本的物質單元，是原子的組成部分
思考與討論
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 那原子的內部結構是什么樣的呢？
Part 01
原子的結構
一、湯姆孫的“棗糕”模型 / “葡萄干布丁模型”
“棗糕”模型：
原子是個球體，
正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內，電子鑲嵌其中。
J.J湯姆孫
二、盧瑟福 α 粒子散射實驗
盧瑟福
在真空中，一束α粒子打在金箔上，通過探測屏或者顯微鏡觀察某一時間內向某一方向散射的α粒子數。
問題：那什么是a粒子呢？
a射線是高速運動的氦原子核。
問題：為什么選擇a粒子呢？
首先是容易獲得，從放射源中就能得到他。其次它質量大，速度快，就足夠的能量可以接近原子中心。
最后它可以使熒光物質發光，因此可以方便的捕捉它的軌跡。如果a粒子與其他粒子發生相互作用而改變運動方向，熒光屏就能夠顯示出它的方向變化。
問題：為什么用金箔作為靶材呢？
由于金的延展性很好，可以做的很薄，甚至只有1μm厚。這樣一來，就可以減少a粒子與氫原子核發生二次碰撞的可能性。
此外，金原子的質量遠比a粒子要大，被a粒子的轟擊后不易移動。
問題：為什么整個裝置要放在真空中？
防止a射線電離空氣影響實驗結果
思考與討論
α 粒子射入金箔時難免與電子碰撞。試估計這種碰撞對 α 粒子速度影響的大小
按照湯姆孫的原子模型，正電荷均勻分布在整個原子球體內。
請分析： α 粒子穿金箔，受到電荷的作用力后，沿哪些方向前進的可能性較大，最不可能沿哪些方向前進。
分析：碰撞前后，質量大的a粒子速度幾乎不變。只可能是電子的速度發生大的改變，因此不可能出現反彈現象，也不會有大角度散射。
二、盧瑟福 α 粒子散射實驗
盧瑟福
在真空中，一束α粒子打在金箔上，通過探測屏或者顯微鏡觀察某一時間內向某一方向散射的α粒子數。
現象：
絕大多數 α 粒子穿越金箔后仍沿原方向前進，
少數發生較大偏轉，極少數偏轉角超過90°
這是我一生中從未有的最難以置信的事兒。這就好像你朝一張衛生紙射出一發炮彈，炮彈卻彈回來打中你一樣。
二、盧瑟福 α 粒子散射實驗
現象：
絕大多數 α 粒子穿越金箔后仍沿原方向前進，
少數發生較大偏轉，極少數偏轉角超過90°
解釋：
①粒子出現大角度散射有沒有可能是與電子碰撞后造成的？
——粒子的偏轉主要是由原子大部分質量的帶正電部分造成的。
②那有沒有可能是由于穿過多層原子造成偏轉角度增大呢？
由于每次的偏振方向都是隨機的，最終發生大角度偏轉的概率非常小，反彈的幾率只有10-3500。但實驗中反彈的幾率有。
③棗糕模型能否解釋大角度偏轉呢？
三、盧瑟福——原子的核式結構模型
原子的核式結構模型：
原子中心有一個很小的核，叫原子核，
原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在核里，
帶負電的電子在核外空間繞核旋轉。
盧瑟福
原子核的電荷與尺度
1.原子核的電荷
原子核的電荷數等于核外電子數，等于原子序數。
2.原子核的尺度
原子核大小的數量級為10－15 m，原子大小數量級
為10－10 m，兩者相差十萬倍之多，可見原子內部十分
“空曠”。
約 10-10 m
10-15 m ~ 10-14 m
三、盧瑟福——原子的核式結構模型
若原子相當于一個立體的足球場的話，則原子核就像足球場中的一粒米。
例1.（多選）盧瑟福對α粒子散射實驗的解釋是（ ）
A．使α粒子產生偏轉的力主要是原子中電子對 α 粒子的作用力
B．使α粒子產生偏轉的力是庫侖力
C．原子核很小，α粒子接近它的機會很小，所以絕大多數的α粒子仍沿原來的方向前進
D．能產生大角度偏轉的α 粒子是穿過原子時離原子核近的α 粒子
解析：原子核帶正電與α粒子間存在庫侖力，當α粒子靠近原子核時受庫侖力而偏轉，故B對，A錯；由于原子核非常小，絕大多數粒子經過時離核較遠因而運動方向幾乎不變，只有離核很近的α粒子受到的庫侖力較大，方向改變較多，故C、D對。
BCD
例2.（多選）關于原子的核式結構模型，下列說法正確的是（ ）
A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小
B．電子在核外繞核旋轉的向心力是原子核對它的庫侖力
C．原子的全部電荷和質量都集中在原子核里
D．原子核的直徑的數量級是10－10 m
AB
AC
解析：在盧瑟福α粒子散射實驗中，α粒子穿過金箔后，絕大多數α粒子仍沿原來的方向前進，故A正確．少數α粒子發生大角度偏轉，極少數α粒子偏轉角度大于90°，極個別α粒子反彈回來，所以在B 位置只能觀察到少數的閃光，在C、D兩位置能觀察到的閃光次數極少，故B、D錯誤，C正確。
回顧科學家對原子結構的認識:
原子不可割
湯姆孫發現電子
湯姆孫的棗糕模型
盧瑟福α粒子散射實驗
核式結構模型
否定
建立
否定
建立
完美？
新課導入
經典理論的困難
但是與經典的電磁理論發生了矛盾
軌道上運動的電子帶有電荷
運動中要輻射電磁波，損失能量
軌道半徑不斷縮小
最終落在原子核上
經典物理學觀點下，原子將發生“塌陷”
事實上，原子是穩定的
盧瑟福的核式結構模型能夠很好的解釋α粒子散射實驗的現象
另一方面
電子軌道連續變化
輻射電磁波的頻率也會連續變化
事實上，輻射電磁波的頻率只是某些不連續的特定值。
連續光譜和原子的特征譜線
經典理論的困難
Part 02
玻爾的原子結構假說
玻爾的原子結構假說
玻爾了解到盧瑟福的原子模型所遇到的困難，他認為產生困難的原因不在于模型本身，而在于經典理論。
在普朗克關于黑體輻射的量子論和愛因斯坦光子說的啟發下，玻爾大膽提出自己的原子結構假說。
玻爾
玻爾原子理論的基本假設
軌道量子化
能量量子化
躍遷假說
（一）軌道量子化(定軌)
(1)圍繞原子核運動的電子軌道半徑只能是某些分立的數值，即電子的軌道是量子化的。
(2)電子在這些軌道上繞核的轉動是穩定的，不產生電磁輻射。
分立軌道
玻爾的原子結構假說
（二）能量量子化（定態）
（1）當電子在不同的軌道上運動時，原子處于不同的狀態，具有不同的能量。
（2）原子中這些具有特定能量的穩定狀態，稱為定態。
（3）玻爾指出，原子只能處在一系列不連續的能量狀態之中，這些狀態中能量是穩定的。所以原子的能量也是量子化的。
定態軌道
玻爾的原子結構假說
最穩定
基態：能量最低的狀態(離核最近)
激發態：其他的能量狀態
電離：原子吸收能量使電子脫離原子束縛的現象
（二）能量量子化（定態）
玻爾的原子結構假說
量子數：按能級由低到高為1、2、3…n(n為整數)
氫原子各能級可表示為:E1、E2、E3 ... En
能級圖
（二）能量量子化（定態）
玻爾的原子結構假說
1.從高能級向低能級躍遷
原子從高能級向低能級躍遷時，電子的軌道半徑減小，電子所受庫侖引力做正功，電勢能減小，原子的能量減少，要輻射出能量，這一能量以光子的形式放出。
（三）躍遷假說（頻率條件)
躍遷：原子由一個能量狀態變為另一個能量狀態的過程稱為躍遷。
躍遷模擬畫面
玻爾的原子結構假說
2.從低能級向高能級躍遷
原子也可以從低能級向高能級躍遷，此時電子從低軌道向高軌道躍遷，克服庫侖引力做功，電勢能增大，原子的能量增加，要吸收能量。
躍遷模擬畫面
（三）躍遷假說（頻率條件)
玻爾的原子結構假說
+
m
n
-
頻率條件:
低能級（En）
電子吸收特定頻率的光子，或者受到其它粒子的轟擊。
高能級（Em）
原子輻射光子
躍 遷
（三）躍遷假說（頻率條件)
玻爾的原子結構假說
(2)原子還可吸收外來實物粒子(例如，自由電子)的能量而被激發，由于實物粒子的動能可部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于兩能級的能量差值，就可使原子發生能級躍遷．
使原子能級躍遷的兩種粒子 —— 光子與實物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激發，其光子的能量必須等于兩能級的能量差，否則不被吸收，不存在激發到n能級時能量有余，而激發到n＋1時能量不足，則可激發到n能級的問題．
低能級（En）
電子吸收特定頻率的光子，
或者受到其它粒子的轟擊。
高能級（Em）
原子輻射光子
躍 遷
例1.（多選）關于氫原子能級的躍遷，下列敘述中正確的是(　 　)
A．用波長為60 nm的X射線照射，可使處于基態的氫原子電離出自由電子
B．用能量為10.2 eV的光子照射，可使處于基態的氫原子躍遷到激發態
C．用能量為11.0 eV的光子照射，可使處于基態的氫原子躍遷到激發態
D．用動能為12.5 eV的電子撞擊氫原子，可使處于基態的氫原子躍遷到激發態
ABD
A. 波長為60 nm的X射線，
光子能量E ＝＝6.63×10-34× J
≈3.32×10-18 J＝20.75 eV
例2.（多選）玻爾在他提出的原子模型中所做的假設有（ ）
A．原子處在具有一定能量的定態中，雖然電子做變速運動，但不向外輻射能量。
B．原子的不同能量狀態與電子沿不同的圓軌道繞核運動相對應，而電子的可能軌道的分布是不連續的。
C．電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，輻射(或吸收)一定頻率的光子。
D．電子躍遷時輻射的光子的頻率等于電子繞核做圓周運動的頻率。
解析：A、B、C三項都是玻爾提出來的假設。其核心是原子定態概念的引入與能級躍遷假說的提出，也就是“量子化”的概念。原子的不同能量狀態與電子繞核運動時不同的圓軌道相對應，是經典理論與量子化概念的結合。電子躍遷時輻射的光子的頻率與能級差有關，與電子繞核做圓周運動的頻率無關，故D錯誤，A、B、C正確。
ABC
例3.一群氫原子處于n=4的激發態，當它向低能級躍遷時，最多能向外輻射多少種頻率的光子？
1
2
3
4
5
∞
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0
E /eV
答案：6種
總結：氫原子核外電子從高能級向低能級躍遷時，可能直接躍遷到基態，也可能先躍遷到其他低能級的激發態，然后再到基態。處于n能級的電子向低能級躍遷時就有很多可能性，其可能有cn2種情況。
若為一個氫原子處于n=4的激發態呢？
答案：3種
玻爾理論對氫光譜的解釋
1. 解釋氫原子光譜的不連續性
原子從較高能級向低能級躍遷時放出光子的能量等于前后兩能級差，由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發射光譜只有一些分立的亮線。
2. 解釋不同原子具有不同的特征譜線
不同的原子具有不同的結構，能級各不相同，因此輻射(或吸收)的光子頻率也不相同。
玻爾理論的成就和局限性
1. 玻爾理論的成就
（1）玻爾理論第一次將量子觀念引入原子領域。
（2）提出了定態和躍遷的概念，成功解釋了氫原子光譜的實驗規律。
2. 玻爾理論的局限性
過多地保留了經典理論，即保留經典粒子的觀念，把電子的運動看作經典力學描述下的軌道運動。除了氫原子光譜外，在解釋其他原子發光的問題上遇到了很大的困難。
怎樣修改玻爾模型？
思想：必須徹底放棄經典概念
關鍵：用電子云概念取代經典的軌道概念
原子中的電子沒有確定的坐標值，我們只能描述電子在某個位置出現概率的多少，把電子這種概率分布用疏密不同的點表示時，這種圖象就像云霧一樣分布在原子核周圍，故稱電子云。
例4. 根據氫原子的能級示意圖，一群氫原子處于n=3的激發態。
(1)在向較低能級躍遷的過程中向外發出的光子有幾種 能量多大
(2)哪些能使逸出功為2.29eV的金屬鈉發生光電效應 逸出的光電子最大初動能為多大
1
2
3
4
5
∞
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0
E /eV
例5. 2022年1月，西安衛星測控中心圓滿完成52顆在軌運行的北斗導航衛星健康狀態評估工作。“體檢”結果顯示，所有北斗導航衛星的關鍵技術指標均滿足正常提供各類服務的要求。北斗導航衛星中的“北斗三號"采用星載氫原子鐘，通過氫原子能級躍遷產生電磁波校準時鐘。氫原子的部分能級結構如圖，則（　　）
D
A. 氫原子由基態躍遷到激發態后，原子的電勢能減少
B. 用11eV的光子照射，能使處于基態的氫原子躍遷到激發態
C. 一群處于n=4能級的氫原子向低能級躍遷時，最多可以輻射出3種不同頻率的光子
D. 一群處于n=3能級的氫原子向低能級躍遷時，發出的光照射鉀板（逸出功為2.25eV），鉀板表面所發出的光電子的最大初動能為9.84eV

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