选修35原子结构.ppt

第十八章 原子结构,知识体系,电子发现,汤姆孙枣糕模型,其他原子光谱,薛定谔电子云模型,粒子散射实验,卢瑟福行星模型,氢原子光谱,玻尔量子模型,实验事实,理论假说,原子结构模型的演变,道尔顿 （1803）,汤姆孙 （1904）,卢瑟福 （1911）,玻 尔 （1913）,薛定谔 （1926）,1 电子的发现,简述气体的“电离”过程,问：图中哪个电源起加热作用？哪个起加速作用？,研究阴极射线的实验装置,实验现象？,玻璃壁上有淡淡的荧光、影子,实验时间：1858年 代表人物： 德国普吕克尔,德国物理学家戈德斯坦的解释？,汤姆孙的气体放电管示意图,汤姆孙利用阴极射线在电场和磁场中的偏转，测定阴极射线的比荷，从而确认阴极射线是电子流。,阅读课本P43思考与讨论，理解科学家是用哪些规律来研究阴极射线的。,测定电子比荷的装置,电子电荷的精确测定：密立根油滴实验,结论：电荷是量子化的；Q=ne；,e =1.60217733（49）10-19C,电子质量： me =9.109389710-31kg,质子质量与电子质量的比值：,汤姆孙进一步研究,阴极射线,光电流,射线,热离子流,电子,强电场电离,紫外线照射,放射性物质,金属受灼热,电子是原子的组成部分,阅读P49科学的足迹，很有意思的,2 原子的核式结构模型,汤姆孙模型,粒子散射实验,粒子散射实验的装置,全部设备装在真空中,放射源：钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能粒子（ 粒子）,金箔：厚度极小，可至1微米（金原子的质量大，且易做成很薄的箔,显微镜：能绕金箔在水平面内转动,荧光屏：装在显微镜上,实验的结果,绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进。 但有少数粒子却发生了较大的偏转 并且有极少数粒子的偏转超过了90。 有的甚至几乎达到180，象是被金箔弹回来。,卢瑟福感到非常震惊，就好象炮弹碰到卫生纸被反弹回来一样震惊。,粒子散射实验,绝大多数粒子不偏转 少数粒子发生较大偏转 极少数粒子被反向弹回,原子内部绝大部分是“空”的,在原子内部碰到了比粒子质量大很多的物体,库仑作用力很大，正电荷电量集中,实验现象,实验推论,汤姆生原子模型被否定,否定原因： 粒子穿的原子模型，可能与电子相碰，但粒子运动方向不会改变，因为电子的质量很小，就好象子弹碰到一粒尘埃。粒子与带正电物质的作用只可能发生小角度的偏转，解释不了大角度的偏转。只有当粒子受到原子核内正电荷很强的斥力时它的运动方向才能发生这样大的改变。,大胆假设： 原子中的正电荷与原子的质量一定集中在一个很小的核上。,新模型的建立,分析一束高速运动的正电荷 离Q远的+q，不改变方向继续前进 离Q较近的，发生大角度偏转 正对着的被反弹回 思考：以上各条均说明什么？,说明：原子内是十分空的，绝大多数粒子没有碰上带正电的质量大的物质。 只有少数粒子离带正电物质较近，命中率很小，原子内正电荷和原子的质量集中在很小的体积内。,卢瑟福核式结构模型,创造性的思维,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的空间运动。,原子核的发现意义重大，开辟了原子核物理的新领域，卢瑟福被人们尊称为原子核物理之父。,原子直径 数量级10 10 m 原子核直径 数量级1015 m 原子核直径是原子直径的十万分之一 如果原子是直径100m左右的大球，原子核只有一个直径为几毫米的玻璃球那么大,原子、原子核的大小,卢瑟福成功解释粒子散射现象,原子内部,十分空虚,原子,半径100米大球,原子核,球中心1毫米沙粒,粒子十分接近核的机会很少,原子是由带电荷+Ze的核与核外Z个电子组成。原子序数Z等于核电荷与电子电荷大小的比值。后来又发现原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。,3 氢原子光谱,几种光谱,一、光谱,用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长（频率）和强度分布的纪录，即光谱。用摄谱仪可以得到光谱的照片。,光谱分类,稀薄气体的辉光放电,稀薄气体的辉光放电现象,氢原子光谱,卢瑟福原子核式结构与经典电磁理论的矛盾,电子绕核运转作加速运动，要辐射电磁波，能量要减少，轨道半径要减小，最后电子要落到原子核上，原子不稳定。但实际原子常是稳定的。,轨道半径不断变化，原子辐射电磁波的频率要不断变化，原子光谱应是连续光谱，但实际是线状谱。,矛盾之一：,矛盾之二：,4 波尔的原子模型,1、围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这些现象叫做轨道量子化；这些轨道满足以下条件才是可能的：轨道半径r跟电子动量mv的乘积等于h/2的整数倍,1913年玻尔提出了自己的原子结构假说,玻尔,2、不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子在做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的；这些状态叫定态。电子可以一个轨道跃迁到另一个轨道，即从一个定态跃迁到另一个定态，在跃迁过程中吸收或辐射光子。且 h=E2E1,3、原子在不同的状态之中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。,例1、玻尔在提出他的原子模型中所做的假设有（ ） 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圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道分布是不连续的 C、电子从一个轨道跃迁到另一个轨道，需要吸收或辐射一定频率的光子 D、电子跃迁时辐射光子频率等于电子绕核圆运动的频率,ABC,原子最低能级所对应的状态叫做基态，比基态能量高的状态叫激发态,原子从基态向激发态跃迁，原子要吸收光子。这是因为电子半径增大，电子要克服库仑引力做功增大电势能，而电子的环绕速度减少，动能减少，原子的电势能与电子动能的总和增大，即总能量却要增加，故要吸收能量,光子的发射和吸收,原子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功,电势能减小，原子的能量减少要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出,能量守恒式,原子的电势能与电子的动能和称为原子能。因此电子从低能态向高能态跃迁，原子能增加，电子从高能态向低能态跃迁，原子能减少。,电子从低能态向高能态跃迁时：设从1到2,电势能：,原子能的表达式,电子从高能态向低能态跃迁，辐射光子，能量守恒式应怎样书写？,称：量子数,r1=0.5310-10m=0.53埃=0.53,E1-13.6eV,原子能：,由方程：,可得：,氢原子的能级图,三.玻尔理论解释氢原子的光谱,n=1时，赖曼系; n=2时,巴耳末系； n=3时，帕邢系； n=4时，布喇开系,用波尔假设推导上式？里伯德常数R表达式？,氢原子能级图及氢原子的光谱线系,赖曼,巴尔末,逢德,布剌开,柏邢,预言新线系,被实验证实!,例2、氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中 ( ) A原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量增大 B原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小 C原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量增大 D原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大，原子的能量增加,D,对于能量小于氢原子电离能(13.6eV)的光子，只有其能量刚好使氢原子向高能级跃迁的光子才能被基态氢原子吸收，否则不能吸收；对于能量等于或大于氢原子电离能的光子，则能被基态氢原子吸收而使氢原子电离，多余的能量变为自由电子的动能对于实物粒子，只要其能量足以使氢原子向高能级跃迁，便能被氢原子吸收全部或部分动能而使氢原子向高能级跃迁，多余的能量仍为实物粒子的动能总之，氢原子只能吸收整个光子，而却能吸收实物粒子的部分动能。,氢原子与光子和实物粒子的作用是不同,什么叫电离？电离能？,举例:氢原子从较高激发态向基态跃迁时,可由较高激发态直接向基态跃迁,也可由较高激发态向不同较低激发态跃迁,再由不同低能级向基态跃迁。 氢原子从较低能级En跃迁到较高能级Em时,必须吸收能量E = EnE m,能量E可由外来电子提供,电子提供能量必须大于E ； E也可由光子提供，光子的能量 hv= E ，能量大于或小于E的光子都不能被原子吸收。光子能量比电离能大时，可使氢原子电离，剩余能量为电子动能。,例3、氢原子能级图如下图，由能级图求： （1）如果有很多氢原子处于n=3的能级，向低能态跃迁可能有几种不同的光谱线？某个氢原子呢？ （2）如果用动能为11eV的外来电子去激发处于基态的氢原子，可使氢原子激发到哪一能级上？用动能为12.1eV或14eV的外来电子去激发呢？,（3）如果用能量为11eV的外来光子去激发处于基态的氢原子，结果如何？用12.1eV或14eV光子去激发呢？,例4、如图，给出氢原子最低的四个能级，某个氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率可能有有 _ 种，最多有 _ 种其中最小的频率等于_Hz (保留两位有效数字),( 6种,3种， 1.61014Hz ),练：光子能量为E的一束单色光照射到容器中的氢气上，氢原子吸收光子能量后处于激发态，并能发射光子。现测得该氢气发射的光子共有3种，其频率分别为 v1、v2 、v3 ，且v1v2 v3 ,那么入射光光子的能量E 值是（设普朗克常量为 h ） （ ） A、h（v1+v2 +v3） B、 h（v2 +v3） C、 hv1 D、 hv3,因为这些氢气发射出的光子只有3种可能频率，所以它们必然处在第三能级上，如图中黑色箭头表示三种可能的跃迁 。,BC,例5、将氢原子电离，就是从外部给电子能量，使其从基态或激发态脱离原子核的束缚而成为自由电子。 1）若要使n=2激发态的氢原子电离，至少要用多大频率的电磁波照射该氢原子？ 2）若用波长为200nm的紫外线照射n=2激发态的氢原子，则电子飞到离核无穷远处时的速度多大？ （电子电量e=1.61019 C，电子质量me= 9.1 1031 kg）,例6、氢原子处于基态的能量为E1=13.6 eV，电子绕核运动的轨道半径为r1=0.531010 m， 1）求氢原子处于n=2所具有的能量，在这个轨道上电子的动能、电势能； 2）使处于基态的氢原子电离，求需吸收光子的波长。 3）氢原子由第6能级跃迁到基态时辐射出光子的能量、频率、波长，由第6能级跃迁时可能放出几种能量的光子，求最高频率光子的能量。,注意,一、激发原子使电子跃迁方法： 1. 电磁波辐射 入射光子能量等于跃迁对应两能级差。除电离以外，只吸收特定频率电磁波。 2.电子碰撞 入射电子动能大于跃迁对应两能级差。 3.加热 二、区别一群氢原子与一个氢原子辐射。,1、还未能完全摆脱经典理论的束缚，过多地保留了轨道模型、圆周运动、牛顿运动定律等经典电磁理论。 2、玻尔的原子模型是量子理论和经典理论的“混血儿”实际上，经典理论中的某些规律在微观领域是不适用的。,成功之处：引入了量子观念；失败之处：保留过多的经典物理理论。,玻尔模型的局限性及原因,上世纪二十年代，大约在玻尔原子理论建立十年后，海森堡（19011976）、薛定谔（18871961） 、玻尔、玻恩、狄拉克等物理学家在量子观念的基础上建立了量子力学。,薛定谔方程,对于氢原子以外的多电子原子引入电子云概念，重新建立了原子模型。,电子云概念,道尔顿 （1803）,汤姆孙 （1904）,卢瑟福 （1911）,玻 尔 （1913）,薛定谔 （1926）,小结：,原子结构的研究 用经典电磁理论解释核外电子运动 难以解决的矛盾 玻尔原子理论的主要内容（三个基本假设） 数学推理 与实验事实的对照 （氢原子光谱的实验规律、弗兰克赫兹实验） 玻尔模型的局限性,本章线索,高考题训练,03年江苏高考9,原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子，例如在某种条件下，铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子，使之能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为 式中n=1，2，3表示不同能级，A是正的已知常数，上述俄歇电子的动能是 （ ） A3A/16 B7A/16 C11A/16 D13A/16,解： n=2跃迁到n=1 能级时放出能量为,E0=3A/4,处于n=4能级的电子吸收能量为A/16可以电离,EK= 3A/4 +（-A/16）= +11A/16,C,如图所示为氢原子的能级图，用光子能量为13.07eV的光照射一群处于基态的氢原子，可能观测到氢原子发射的不同波长的光有多少种？ A. 15 B. 10 C. 4 D. 1,B,14现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是多少？假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的 。（ ） A2200 B2000 C1200 D2400,解：n=4向较低能级跃迁，各发出 12001/3=400个,n=3向较低能级跃迁，各发出 4001/2=200个,n=2有600个受激氢原子，向较低能级跃迁，能发出 6001/1=600个,发出的光子总数为2200个,A,04年湖北理综14,04年北京17,A40.8eV B43.2ev C51.0eV D54.4eV,17氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量为E1=54.4eV，氦离子能级的示意图如图所示。在具有下列能量的光子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是 （ ）,B,04年江苏高考10,10 若原子的某内层电子被电离形成空位，其它层的电子跃迁到该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电磁辐射就是原子的特征X射线内层空位的产生有多种机制，其中的一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位(被电离的电子称为内转换电子)214Po的原子核从某一激发态回到基态时，可将能量E0=1.416MeV交给内层电子(如K、L、M 层电子，K、L、M标记原子中最靠近核的三个电子层)使其电离实验测得从214Po原子的K、L、M层电离出的电子的动能分别为Ek=1.323MeV、EL=1.399MeV、EM=1.412MeV则可能发射的特征X射线的能量为 （ ） A. 0.013MeV B. 0.017MeV C. 0.076MeV D. 0.093MeV,A C,解：K、L、M三个空位的能量为： K：1.323MeV1.416MeV=0.093MeV L： 1.399MeV1.416MeV=0.017MeV M：1.412MeV1.416MeV=0.004MeV 从M、L上向K跃迁：辐射出的光子能量可能为： 0.013MeV、0.089MeV、0.076MeV,05年理综全国卷/17,17.图中画出了氢原子的4个能级,并注明了相应的能量E,处在n=4的能级的一群氢原子