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第五章 原子與原子核
第一節(jié) 原子的結(jié)構(gòu)
1858年，科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)部氣體足夠稀?。ǔ槌烧婵眨┑牟ＡЧ軆啥思由细唠妷簳r，陰極就會發(fā)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？
1.了解α粒子散射實驗原理和實驗現(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圖及光譜。
1897年，J. J.湯姆孫根據(jù)陰極射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況斷定，它的本質(zhì)是帶負電的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。他進一步發(fā)現(xiàn)，用不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數(shù)值都是相同的。這說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分，后人稱之為電子。
一、原子核式結(jié)構(gòu)的提出
隨著人們認為組成陰極射線的成分是電子，有關(guān)于電子理論的完善從未停止；
密立根通過著名的“油滴實驗”精確測定了電子的電荷量：
而且電荷是量子化的；
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，使人類對自然世界的認識又向前邁進了一步，也大大激發(fā)了人們研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱情。由于原子呈電中性，既然電子帶負電，那么原子內(nèi)部一定還有帶正電的部分.J.J.湯姆孫據(jù)此提出了一種原子結(jié)構(gòu)模型.他設(shè)想原子是一個球體，正電荷均勻地分布在其中，質(zhì)量很小的電子鑲嵌其中(如圖5-1-1所示)。有人形象地稱其為“棗糕模型”，如圖所示”。J.J.湯姆孫的模型能夠解釋一些實驗事實，但是不久就被新的實驗事實所否定
為了找到正確的原子核式結(jié)構(gòu)，1909-1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福指導(dǎo)他的助手進行了α粒子散射實驗。如圖5-1-2所示是α粒子散射實驗示意圖。
整個實驗在真空環(huán)境下進行。高速的α粒子束垂直射到很薄的金箔上，由于受到金原子中帶電微粒的庫侖力作用，一些α粒子通過金箔后必然會改變原來的運動方向，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。散射后的α粒子打在熒光屏上產(chǎn)生閃光，通過顯微鏡可以觀察到這一現(xiàn)象。
實驗結(jié)果出人意料：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，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)超過了90°，有的甚至達到180°。
為什么α粒子會出現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)呢？
盧瑟福認為，α粒子一定是受到原子內(nèi)部正電荷產(chǎn)生的極強的電場斥力作用，運動方向才會發(fā)生如此大的改變，只有原子中的正電荷全部都集中在原子中心的一個很小的區(qū)域上，才有可能產(chǎn)生這種現(xiàn)象。
盧瑟福進一步的進行實驗，得出以下結(jié)論：
1.絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來方向前進；
2.少數(shù)α粒子（約占8000分之一）發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；
3.極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過了90°，有的甚至幾乎被撞了回來。
1911年，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，得到了廣泛的認同，模型內(nèi)容如下：
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(zhì)量。
2.帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)。
二、氫原子光譜
早在17世紀，牛頓就發(fā)現(xiàn)了日光通過三棱鏡后的色散現(xiàn)象，并把實驗中得到的彩色光帶叫做光譜。
1.發(fā)射光譜：
物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜，發(fā)射光譜又分為兩種：其一是連續(xù)光譜，其二是線狀光譜。
①連續(xù)光譜：由波長連續(xù)分布的光組成的連在一起的光帶叫連續(xù)光譜。
特點：光譜看起來不是一條條分立的譜線，而是連在一起的光帶。
熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。
例如白熾燈絲發(fā)出的光、燭焰、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。
②線狀光譜：只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做線狀光譜。
線狀光譜中的亮線叫譜線，各條譜線對應(yīng)不同波長的光。
稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜。
各種原子的發(fā)射光譜都是線狀譜。
各種元素都只能發(fā)出具有本身特征的某些波長的光，明線光譜的譜線也叫原子的特征譜線。
除了發(fā)射光譜以外，還有著吸收光譜。高溫物體發(fā)出的白光（其中包含連續(xù)分布的一切波長的光）通過物質(zhì)時，某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。
2.吸收光譜
三、原子的能級結(jié)構(gòu)
丹麥物理學(xué)家玻爾在普朗克、愛因斯坦量子概念的啟發(fā)下提出：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上運動。當電子在不同的軌道上運動時，原子處于不同的狀態(tài)，具有不同的能量。這些分立的能量值被稱為原子的能級。原子從一個能級變化到另一個能級的過程叫作躍遷。
處于高能級的原子會自發(fā)地向低能級躍遷，并且在這個過程中輻射光子，如圖所示。
（1）自發(fā)躍遷：處于高能級的原子不穩(wěn)定會自發(fā)地向低能級躍遷。同時輻射光子。
假定原子在躍遷前后的能級分別為Em和En，根據(jù)能量守恒定律，并結(jié)合愛因斯坦光子說，可得到輻射出光子的能量為：
（2）激發(fā)躍遷：原子吸收了特定的光子或其他途徑獲得能量時，低能級的原子會受激發(fā)地向高能級躍遷。
氫原子的能級結(jié)構(gòu)
激發(fā)態(tài)：當電子受到外界激發(fā)時，可從外界吸收能量，并從基態(tài)躍遷到較高能級上，這些能級對應(yīng)的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。
基態(tài)：在正常情況下，氫原子處于最低的能級，這個最低能級E1（n＝1）對應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài)。
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
實物粒子
玻爾的原子理論成功地解釋了氫原子光譜的實驗規(guī)律，是原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展中的一個重大進展，但對于稍微復(fù)雜一點的原子，例如氦原子，就無法解釋它的光譜現(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，把電子的運動仍然看做為經(jīng)典理論下的軌道運動。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。對于電子的運動，我們只能用概率波對其作統(tǒng)計性的描述。當原子處于不同的狀態(tài)時，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)時的電子云若用疏密不同的點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. (多選)關(guān)于α粒子散射實驗，下列說法正確的是（　?。?br/>A．絕大多數(shù)α粒穿過金箔后，發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)
B．極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角度甚至大于90°
C．根據(jù)實驗現(xiàn)象可知原子結(jié)構(gòu)不是“西瓜模型”或“棗糕模型”
D．α粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是由于受到金箔中電子的作用
BC
2.盧瑟福的α粒子散射實驗裝置如圖所示，開有小孔的鉛盒里面包裹著少量的放射性元素釙。鉛能夠很好地吸收α粒子，使得α粒子只能從小孔射出，形成一束很細的射線射到金箔上，最后打在熒光屏上產(chǎn)生閃爍的光點。下列說法正確的是（　?。?br/>A．α粒子碰撞到了電子會反向彈回
B．極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)
C．該實驗為湯姆孫的“棗糕模型”奠定了基礎(chǔ)
D．該實驗說明原子具有核式結(jié)構(gòu)，負電荷集中在原子中心
B
3.α粒子散射實驗被評為世界十大經(jīng)典物理實驗之一，此實驗開創(chuàng)了原子結(jié)構(gòu)研究的先河，為建立現(xiàn)代原子核理論打下了基礎(chǔ)，關(guān)于α粒子散射實驗，下列說法正確的是（ ）
A．湯姆孫的α粒子散射實驗，證明了原子核是可以再分的
B．該實驗的數(shù)據(jù)否定了盧瑟福的“西瓜模型”，并估算了原子的大小
C．該實驗表明原子中心有一個極大的核，它占有原子體積的極大部分
D．該實驗表明占原子質(zhì)量絕大部分的帶正電的物質(zhì)集中在很小的空間范圍內(nèi)
D
4.(多選)氫原子各個能級的能量如圖所示，大量氫原子由n＝1能級躍遷到n＝4能級，在它回到n＝1能級過程中，下列說法中正確的是(　 　)
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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