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第五章 原子與原子核
第一節(jié) 原子的結(jié)構(gòu)
科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極就發(fā)出一種射線。它能使對(duì)著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光，這種射線的本質(zhì)是什么呢？
兩種觀點(diǎn)：
1.一種電磁波
2.帶電微粒
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.了解α粒子散射實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；
2.了解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，
3.了解玻爾原子理論的基本假設(shè)的主要內(nèi)容。
4.能用玻爾原子理論解釋氫原子能級(jí)圖及光譜。
一、原子核式結(jié)構(gòu)的提出
近代科學(xué)原子論（1803年）
2.原子模型：原子是堅(jiān)實(shí)的，不可再分的實(shí)心球。
1.一切物質(zhì)都是由最小的不能再分的粒子——原子構(gòu)成
【特別提醒】
（1）注意陰極射線和X射線的區(qū)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(chǎng)、磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)可確定射線由帶負(fù)電的粒子組成。
J.J湯姆孫在實(shí)驗(yàn)室
J. J.湯姆孫通過(guò)研究氣體電離和光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)并完全確認(rèn)了電子的存在。
陰極射線的本質(zhì)——電子的發(fā)現(xiàn)
電子的基本規(guī)律如下：
1.組成陰極射線的成分是電子；
2.密立根通過(guò)著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”精確測(cè)定了電子的電荷量：
3.電荷是量子化的；
4.電子的發(fā)現(xiàn)的意義：打破了傳統(tǒng)的“原子不可分”的觀念。
電子的發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的“原子不可分”的觀念，使人類對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)又向前邁進(jìn)了一步，也大大激發(fā)了人們研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱情。
原子是一個(gè)球體，正電荷均勻地分布其中，質(zhì)量很小的電子鑲嵌其中，就像棗點(diǎn)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”。
也可理解為“西瓜模型”，電子是西瓜的籽
J.J.湯姆孫的模型能夠解釋一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但是不久就被新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)所否定
為了找到正確的原子核式結(jié)構(gòu)，1909-1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福指導(dǎo)他的助手進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn)。如圖5-1-2所示是α粒子散射實(shí)驗(yàn)示意圖。
為什么要用α粒子來(lái)做散射實(shí)驗(yàn)？
原子的結(jié)構(gòu)非常緊密，質(zhì)量較大的α粒子具有足夠的能量接近原子的中心，α粒子還可以使熒光物質(zhì)發(fā)光，如果α粒子與其他粒子發(fā)生作用而改變運(yùn)動(dòng)方向，熒光屏能顯示出它方向的變化。
粒子的散射實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過(guò)了90°，有的甚至達(dá)到180°。
盧瑟福根據(jù)他的導(dǎo)師湯姆生模型計(jì)算的結(jié)果：
電子質(zhì)量很小，對(duì)α粒子的運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯影響；由于正電荷均勻分布，α粒子所受庫(kù)侖力也很小，散射角不超過(guò)零點(diǎn)幾度，發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的幾率幾乎是零。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是有八千分之一的粒子發(fā)生了大角度轉(zhuǎn) ！！！
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前預(yù)測(cè)完全不一致，所以原子結(jié)構(gòu)模型必須重新構(gòu)思!
1911年，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。
1.原子核：原子中心有一個(gè)很小的核，集中了原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量。
2.帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)。
二、氫原子光譜
1.原子光譜：某種原子的氣體通電后可以發(fā)光并產(chǎn)生固定不變的光譜。
2.氫原子光譜：由實(shí)驗(yàn)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
發(fā)射光譜
吸收光譜：
連續(xù)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(zhì)吸收光子，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而產(chǎn)生的光譜
（光源發(fā)出）
三、原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)
氫原子光譜為什么是這樣的？
按照經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)去推斷，在軌道上運(yùn)動(dòng)的電子帶有電荷，運(yùn)動(dòng)中要輻射電磁波，電子損失了能量，其軌道半徑不斷縮小，最終落在原子核上，由于電子軌道的變化是連續(xù)的，輻射電磁波的頻率也會(huì)連續(xù)變化。
事實(shí)上，原子是穩(wěn)定的，輻射電磁波的頻率也只是某些確定的值。
+
圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值。
且電子在這些軌道上繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射
假說(shuō)1：軌道量子化
+
m
r
v
原子在不同的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子處于不同的狀態(tài)，波爾指出，原子的不同的狀態(tài)中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。
　量子數(shù)
——基態(tài)
1
2
3
4
5
E5
能級(jí)圖
假說(shuō)2：能量量子化
E4
E3
E2
E1
+
當(dāng)電子從能量較高的定態(tài)軌道（其能量記為Em）躍遷到能量較低的定態(tài)軌道（能量記為En，m>n）時(shí)，會(huì)放出能量為hν的光子（h是普朗克常量），這個(gè)光子的能量由前后兩個(gè)能級(jí)的能量差決定，
即hν＝Ｅm-Ｅn
稱為頻率條件，又稱輻射條件
假說(shuō)3：頻率條件（躍遷假說(shuō)）
１
２
３
４
５
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
基態(tài)
激發(fā)態(tài)
氫原子能級(jí)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?jiǎng)偤梦?2.09eV的能量
實(shí)物粒子
玻爾的原子理論成功地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，是原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展中的一個(gè)重大進(jìn)展，但對(duì)于稍微復(fù)雜一點(diǎn)的原子，例如氦原子，就無(wú)法解釋它的光譜現(xiàn)象。玻爾理論的局限性主要在于其保留了經(jīng)典粒子的觀念，把電子的運(yùn)動(dòng)仍然看做為經(jīng)典理論下的軌道運(yùn)動(dòng)。我們知道，波粒二象性是包括電子在內(nèi)的一切微觀粒子的共同特征。對(duì)于電子的運(yùn)動(dòng)，我們只能用概率波對(duì)其作統(tǒng)計(jì)性的描述。當(dāng)原子處于不同的狀態(tài)時(shí)，電子在原子核周圍各處出現(xiàn)的概率不同。圖5-1-10氫原子處于基態(tài)時(shí)的電子云若用疏密不同的點(diǎn)表示電子在各處出現(xiàn)的概率，這樣畫出的概率分布圖稱為電子云。
1.下列說(shuō)法符合事實(shí)的是（　　）
A．原子是不可再分的最小粒子
B．湯姆孫研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了電子，并提出原子的“核式結(jié)構(gòu)”模型
C．電子的電荷量最早由密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)得
D．湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，并提出了原子的核式結(jié)構(gòu)
C
2.在α粒子穿過(guò)金箔發(fā)生大角度散射的過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是（　　）
A．α粒子一直受到金原子核的斥力作用
B．α粒子的動(dòng)能不斷減小
C．α粒子和金原子的電勢(shì)能不斷增加
D．α粒子發(fā)生散射，是與電子碰撞的結(jié)果
A
3.(多選)氫原子各個(gè)能級(jí)的能量如圖所示，大量氫原子由n＝1能級(jí)躍遷到n＝4能級(jí)，在它回到n＝1能級(jí)過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是(　 　)
A.可能激發(fā)出頻率不同的光子只有6種
B.可能激發(fā)出頻率不同的光子只有3種
C.可能激發(fā)出的光子的最大能量為12.75 eV
D.可能激發(fā)出的光子的最大能量為0.66 eV
AC

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