高中物理知识全解 5.1 原子结构.doc

高中物理知识全解 5.1 原子结构一：电子的发现早在1858年，德国物理学家普吕克尔利用低压气体放电管研究气体放电时看到了玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。1876年德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，并把这种射线命名为阴极射线。19世纪后期，对阴极射线的本质的认识有两种观点：一种认为阴极射线像x射线一样是电磁辐射，另一种认为阴极射线是带电微粒。英国物理学家j.j.汤姆孙自1890年起开始对阴极射线进行了一系列的实验研究。他认为阴极射线是带电粒子流。（著名实验：气体放电管实验）1897年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定它的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷。当汤姆孙在测定比荷实验时发现，用不同材料的阴极做实验，所发出射线的粒子都有相同的比荷，这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。由实验测得阴极射线的比荷约为质子（氢离子）比荷的近2000倍。他认为这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电荷量大致相同，由此可以看出他当初的猜测是正确的。后来阴极射线的粒子被称为电子。进一步拓展研究对象：用不同的材料做成的阴极做实验，做光电效应实验、热离子发射效应实验、射线（研究对象普遍化）等。他发现这些实验都能发射同样的带电粒子（电子）。这种带电粒子的质量只比最轻原子的质量的两千分之一稍多一点。由此可见电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。由于电子很小，当时的测量手段有限，美国科学家密立根通过“油滴实验”精确地测定了电子的电量，密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是的整数倍。例：一个物体带的正电荷，这是它失去了个电子的缘故。注意：电子电荷的现代值为：，从实验测得到的电子比荷及的数值，可以确定电子的质量： ，质子质量与电子质量的比值为：二：原子结构模型的发展道尔顿模型1808年，英国自然科学家约翰道尔顿提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下三点：1、原子都是不能再分的粒子；2、同种元素的原子的各种性质和质量都相同；3、原子是微小的实心球体。汤姆生模型1898年，英国物理学家汤姆生提出“枣糕模型”或“西瓜模型”，是第一个存在着亚原子结构的原子模型。他的理论主要有以下二点：1、电子是平均地分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消；2、在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。卢瑟福模型 1909年，英籍物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行了粒子散射实验。实验过程：在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(po)，它发出的射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。实验现象：绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数粒子发生了较大的偏转，并有极少数粒子的偏转超过90，有的甚至几乎达到180而被反弹回来，这就是粒子的散射现象。1、由不同元素对粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的电荷量q，由于原子是电中性的，所以可以推算出原子内含有的电子数。2、粒子散射实验是估计核半径的最简单的方法。对于一般的原子核，实验确定的核半径r的数量级为，而整个原子半径的数量级是米，两者相差十万倍之多。可见原子内部是十分“空旷”的。1911年，卢瑟福通过对粒子散射实验数据及现象的分析，提出了自己的原子结构模型“核式结构模型”，他的理论主要有以下三点：i、原子的大部分体积是空的。ii、在原子的中心有一个很小的原子核。iii、原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核外空间进行绕核运动。注意：在粒子散射实验中，不考虑粒子和电子的碰撞影响，是因为粒子和电子因碰撞而损失的能量极少，可忽略不计。波尔模型1、氢原子光谱光谱：复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。i、可见光谱：可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。ii、线状光谱：光谱为一条条分立的亮线。iii、连续光谱：光谱为连在一起的光带。iv、暗线光谱（吸收光谱）：具有连续谱的光波通过物质样品时，处于基态的样品原子或分子将吸收特定波长的光而跃迁到激发态，于是在连续谱的背景上出现相应的暗线或暗带组成的线光谱，称为暗线光谱。例：甲物质发出的白光经过乙物质的蒸气形成的是乙物质的吸收光谱。v、明线光谱：稀薄气体发光的光谱是由不连续的亮线组成，这种发射光谱又叫做明线光谱。应用举例：各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发射几种特定频率的光。不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此这些亮线被称作原子的特征谱线。既然每种原子都有自己的特征谱线，我们可以利用它来鉴别物质和确定物质组成成分。（同理理解吸收光谱中的暗线也是原子的特征谱线）2、氢原子光谱的实验规律从氢气放电管可以获得氢原子光谱，实验结果表明：氢原子光谱是线状谱，说明氢原子发光的频率是不连续的，对应的波长也是分立的值。 1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的四条谱线做了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示，这个公式称为巴耳末公式，可以写作： ， （波数：）i、式中r叫做里德伯常数，式中只能取整数，不能连续取值，波长也只会对应分立的值。ii、氢原子是最简单的原子，所以氢原子光谱也是最简单的原子光谱。【例题】由巴耳末公式可以得出（ ）a、巴耳末系是氢原子光谱中含有可见光的一条线系。 b、n的无穷取值，决定着光谱有无数条明线。c、波长越大的波对应的量子数n越大。 d、量子数n越大，光的频率越小。答案：ab【例题】根据巴耳末公式，指出氢原子光谱中巴耳末系的最短波长和最长波长所对应的n值，并计算出这两个波长。解：在巴耳末线系中，当n取时对应的波长最短，设最短波长为，解得：当n=3时对应的波长最长，设最长波长为，解得：【例题】在氢原子光谱中。电子从较高能级跃迁到n=2能级发出的谱线属于巴耳末线系。若一群氢原子自发跃迁时发出的谱线中只有2条属于巴耳末线系，求这群氢原子自发跃迁时最多可发出几条不同频率的谱线？3、经典理论的困难i、不能解释原子结构的稳定性。根据经典电磁波理论，电子绕核做圆周运动，将会不断地向外辐射电磁波，电子的能量会越来越小，半径r也会越来越小，电子最终会碰到原子核。而事实原子是个很稳定的系统。ii、不能解释原子光谱为分立的线状谱 根据经典电磁波理论，辐射电磁波的频率与电子圆周运动的频率是相同的，r连续减小，所以向外辐射的电磁波频率也应该是连续的，而实验得出原子发射光谱是分立的线状谱。4、波尔原子理论 1913年，波尔提出自己的原子结构模型即波尔模型，成功解释了氢原子光谱的规律性。玻尔原子结构模型的基本观点如下：i、电子的轨道是量子化的：原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，不辐射能量。解释了原子为什么是稳定的。ii、定态：当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态。原子在不同的状态中具有不同的能量，因此原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫做能级。原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。（1）能量最低的状态叫基态（即n=1），通常情况下原子处于基态，基态是最稳定的。其它的状态叫做激发态【即n=2,3,4,（其中n=2为第一激发态）】，处于激发态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子，最终回到基态。（2）轨道用n=1,2,3,来标志（n称为量子数），能级用来标志。（3）能级，基态和激发态都是相对原子而言的，定态轨道是相对电子而言的。iii、频率条件：当电子从能量较高的定态轨道（其能量记为）跃迁到能量较低的定态轨道（其能量记为，）时，会放出能量为的光子（是普朗克常量），这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即： 解释了为什么原子发射光谱是分立的线状光谱拓展：结合数学知识可知电子从定态轨道m向定态轨道n跃迁（mn）,能发射种不同频率的光。例：如下图为氢原子能级图，电子从定态轨道5向定态轨道2跃迁能产生种不同频率的光。【例题】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1、2、3，且123，那么入射光光子的能量e值是(设普朗克常量为h) ( )ah(123) bh(23) ch1 dh3解析：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，如图所示，向下的箭头表示三种可能的跃迁结合玻尔对氢原子发光的解拓展：反之，当电子吸收光子时会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道，而吸收的光子的能量同样由频率条件决定。拓展：当电子远离原子核，不再受原子核的吸引力的状态叫做电离态，电离态的能级为0。拓展：由于光子的能量是一份一份的，用大量光子轰击氢原子，光子的能量必须刚好等于氢原子两能级之差，这样光子才能被氢原子吸收发生能级跃迁，这由光子本身性质决定。而用大量电子去轰击氢原子，电子的能量可以只有一部分被氢原子吸收（即碰撞），电子可以留下一部分能量，也就是电子的能量只需大于氢原子两能级之差，就能使氢原子发生能级跃迁。【如果光子或电子的能量大于处于基态的氢原子的能量，则用大量该种光子或电子轰击氢原子则能使氢原子电离】 【例题】用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再次进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条。用n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，e表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，n和e的可能值为：（ ）an1，13.22 eve13.32 ev bn2，13.22 eve13.32 evcn1，12.75 eve13.06 ev dn2，12.75 eve13.06 ev答案：ad【例题】能量为ei的光子照射基态氢原子，刚好可使该原子中的电子成为自由电子，这一能量ei称为氢的电离能现用一频率为的光子从基态氢原子中击出了一电子，该电子在远离核以后速度的大小为_(用光子频率、电子质量m、氢的电离能ei与普朗克常量h表示)解：注意：在波尔原子理论中，电子的绕核运动除轨道量子化外，其它性质与万有引力中行星绕中心天体的运动具有相似的性质，有关电子定态轨道跃迁后的各物理量变化情况可由万有引力中行星绕中心天体的运动同理理解求解。拓展：在波尔原子理论中：以无穷远为零电势，电子的绕核运动有以下公式和性质*电子的电势能电子的动能原子的能级（解释了原子能级为什么为负值）波尔原子理论的有用公式：现代模型（电子云模型）波尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律，但对稍微复杂一点的原子如氦原子，波尔理论就无法解释它的光谱现象。这说明