高二物理电子的发现、原子的核式结构粤教版知识精讲

用心 爱心 专心 高二高二物理物理电子的发现 原子的核式结构电子的发现 原子的核式结构粤教版粤教版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 1 电子的发现 2 原子的核式结构 3 氢原子光谱 4 玻尔的原子模型 二 知识归纳 总结 一 电子的发现 1 阴极射线 1 产生 在研究气体导电的玻璃管内有阴 阳两极 当两极间加一定电压时 阴极 便发出一种射线 这种射线为阴极射线 2 阴极射线的特点 碰到荧光物质能使其发光 2 汤姆孙的发现 1 阴极射线电性的发现 接静电计 图 18 1 2 为了研究阴极射线的带电性质 他设计了如图 18 1 2 所示装置 从阴极发出的阴极 射线 经过与阳极相连的小孔 射到管壁上 产生荧光斑点 用磁铁使射线偏转 进入集 电圆筒 用静电计检测的结果表明 收集到的是负电荷 2 测定阴极射线粒子的比荷 图 18 1 3 如图 18 1 3 所示 从阴极 K 发出的阴极射线通过一对平行金属板 P P 间的匀强 电场 发生偏转 偏转角 与电场强度 E 极板长度 L 以及带电粒子的速度 v 的关系 用心 爱心 专心 tan 2 mv EqL v v 然后再加一垂直于电场方向的匀强磁场 使粒子所受到的电场力与磁场力平衡 不发 生偏转 由此可得 B E v 将 式代入 式 并代入实验数据 求得这种粒子的比荷为 kgC m e 1011 说明 汤姆孙通过进一步的实验 发现当改变阴极材料时 测得的比荷都相同 表 明这种粒子是各种材料的共有成分 1898 年 汤姆孙测出这种粒子所带电荷与氢离子的电 荷数值接近 从而证明这种粒子的质量约是氢离子的千分之一 至此 这种粒子的 身份 已经明确 它是一种带负电的质量很小的粒子 物理学家把这种粒子叫做电子 现在测得电子的比荷为 e m 1 75881 1011C kg 电子的电荷量为 e 1 60219 10 19C 从而计算出电子的质量为 m 9 10953 10 31kg 电子的质量约为氢原子质量的 1836 1 二 原子的核式结构 1 汤姆孙的枣糕式模型 图 18 2 1 J J 汤姆孙于 1904 年提出来的模型 汤姆孙在发现电子后 便投入了对原子内部结 构的探索 他运用丰富的想象 提出了原子枣糕模型 图 18 2 1 在这个模型里 汤 姆孙把原子看作一个球体 正电荷均匀地分布在整个球内 电子像枣糕上的枣子一样嵌在 球中 被正电荷吸引着 原子内正 负电荷相等 因此原子的整体呈中性 汤姆孙的模型 是第一个有一定科学依据的原子结构模型 而不是哲学思辨的产物 2 粒子散射实验 1909 1911 年卢瑟福和他的助手做了用 粒子轰击金箔的实验 获得了重要的发现 1 实验装置 如图 18 2 2 所示 用心 爱心 专心 图 18 2 2 2 实验结果 绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进 但是有少数 粒子发生了 较大的偏转 极少数粒子被反向弹回 3 原子的核式结构 卢瑟福依据 粒子散射实验的结果 提出了原子的核式结构 在原子中心有一个很小 的核 叫原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里 带负电的电子在核外 空间绕核旋转 图 18 2 3 按照卢瑟福的核式结构学说 可以很容易地解释 粒子的散射实验现象 如图 18 2 3 所示 按照这个模型 由于原子核很小 大部分 粒子穿过金箔时都离核很远 受到的斥力 很小 它们的运动几乎不受影响 只有极少数 粒子从原子核附近飞过 明显地受到原子 核的库仑斥力而发生大角度的偏转 三 氢原子光谱 1 发射光谱 物质发光直接产生的光谱 从实际观察到的物质发光的发射光谱可分为连续谱和线状谱 1 连续谱 连续分布着的包含着从红光到紫光的各种色光的光谱 产生 是由炽热的固体 液体 高压气体发光而产生的 2 线状谱 只含有一些不连续的亮线的光谱 线状谱中的亮线叫谱线 产生 由稀薄气体或金属蒸气 即处于游离态下的原子 发光而产生的 观察稀薄气 体放电用光谱管 观察金属蒸气发光可把含有该金属原子的物质放到煤气灯上燃烧 即可 使它们汽化后发光 2 吸收光谱 高温物体发出的白光通过物质后 某些波长的光波被物质吸收后产生的光 谱 产生 由炽热物体 或高压气体 发出的白光通过温度较低的气体后产生 例如 让弧光灯发出的白光通过低温的钠气 可以看到钠的吸收光谱 若将某种元素的吸收光谱和线状谱比较可以发现 各种原子吸收光谱的暗线和线状谱 和亮线相对应 即表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的 故吸收光谱和线状 谱中的暗线比线状谱中的亮线要少一些 3 光谱分析 各种元素的原子都有自己的特征谱线 如果在某种物质的线状谱或吸收谱中出现了若 干种元素的特征谱线 表明该物质中含有这种元素的成分 这种对物质进行化学组成的分 析和鉴别的方法称为光谱分析 其优点 灵敏 快捷 检查的最低量是 10 10克 用心 爱心 专心 4 光谱分析的应用 1 光谱分析在科学技术中有着广泛的应用 例如 在检测半导体材料硅和锗是不是 达到高纯度要求时 就要用到光谱分析 2 历史上 光谱分析还帮助人们发现了许多新元素 例如 铷和铯就是人们通过分 析光谱中的特征谱线而发现的 3 利用光谱分析可以研究天体的物质成分 19 世纪初在研究太阳光谱时 人们发 现它的连续光谱中有许多暗线 通过仔细分析这些暗线 并把它们跟各种原子的特征谱线 对照 人们知道了太阳大气层中含有氢 氦 氮 碳 氧 铁 镁 硅 钙 钠等几十种 元素 4 光谱分析还能鉴定食品的优劣 例如 通过分析茶叶的近红外光谱 测定其各种 化学成分的含量 就可以鉴定茶叶的优劣 级别 真假以及品种等 5 用光谱分析还可以鉴定文物 例如 1978 年在新石器时代遗址浙江省余姚县河 姆渡村 人们挖掘出一件木质漆碗 器壁外涂有一层朱红色的涂料 且微有光泽 借助光 谱分析 鉴定出这种涂料与马王堆出土的漆皮类似 因此漆工艺的历史可追溯至 7000 年前 5 氢原子光谱的实验规律 氢原子是自然界中最简单的原子 对它的光谱线的研究获得的原子内部结构的信息 对于研究更复杂的原子的结构有指导意义 1 氢原子的光谱 图 18 3 3 从氢气放电管可以获得氢原子光谱 如图 18 3 3 所示 氢原子的光谱为线状谱 2 巴耳末公式 1 2 1 1 22 n R n 3 4 5 6 经典理论的困难 按经典理论原子是不稳定的 原子发光的光谱应为连续光谱 事实原子不但稳定而且 发光的光谱为线状光谱 图 18 3 4 1 按照经典物理学 核外电子受到原子核的库仑引力的作用 不可能是静止的 它 一定在以一定的速度绕核转动 既然电子在运动 它的电磁场就在变化 而变化的电磁场 会激发电磁波 也就是说 它将自己绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去 因此 电 子绕核转动这个系统是不稳定的 电子会失去能量 最后一头栽到原子核上 但是事实不 是这样 原子是个很稳定的系统如图 18 3 4 所示 用心 爱心 专心 2 根据经典电磁理论 电子辐射的电磁波的频率 就是它绕核转动的频率 电子越 转能量越小 它离原子核就越来越近 转得也就越来越快 这种变化是连续的 也就是说 我们应该看到原子辐射的各种频率 波长 的光 即原子的光谱应该总是连续的 而实际 上我们看到的是分立的线状谱 四 玻尔的原子模型 1 玻尔模型 玻尔认为 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值 这种现象叫做轨 道量子化 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 原子在不同的状态中具有不同的能量 所以原子的能 量也是量子化的 将以上内容进行归纳 玻尔理论有三个要点 1 原子只能处于一系列的不连续的能量状态中 在这些状态中原子是稳定的 电子 虽然绕核旋转 但并不向外辐射能量 这些状态叫定态 2 原子从一种定态 能量为 E1 跃迁到另一定态 能量为 E2 时 它辐射 或吸 收 一定频率的光子 光子的能量由这两个定态的能量差决定 即 hv E2 E1 可见 电子如果从一个轨道到另一个轨道 不是以螺旋线的形状改变半径大小的 而 是从一个轨道上 跳跃 到另一个轨道上 玻尔将这种现象称为跃迁 3 原子的不同能量状态对应于电子沿不同圆形轨道运动 原子的定态是不连续的 因而电子的可能轨道是分立的 满足 mvr 2 h n n 叫量子数 这种轨道的不连续现象 叫轨道量子化 轨道半径 rn n2r1 2 能级 在玻尔模型中 原子的可能状态是不连续的 因此各状态对应的能量也是不连续的 这些能量值叫做能级 各状态的标号 1 2 3 叫做量子数 通常用 n 表示 能量最低的状态叫做基态 其他状态叫做激发态 基态和各激发态的能量分别用 E1 E2 E3 代表 1 氢原子的能级及玻尔对氢光谱的解释 对氢原子而言 核外的一个电子绕核运行时 若半径不同 则对应着的原子能量也不 同 若使原子电离 外界必须对原子做功 使电子摆脱它与原子核之间的库仑力的束缚 所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高 我们把原子电离后的能量记为 0 则 其他状态下的能量值就是负的 原子各能级的关系为 2 1 n E En n 1 2 3 对于氢原子而言 基态能量 E1 13 6eV 其他各激发态的能级为 E2 3 4 eV E3 1 51 eV 2 能级图 氢原子的能级图如图 18 4 1 所示 用心 爱心 专心 18 4 1 3 光子的发射和吸收 1 能级的跃迁 根据玻尔模型 原子只能处于一系列的不连续的能量状态中 这些状态分基态和激发 态两种 其中原子在基态时是稳定的 原子在激发态时是不稳定的 当原子处于激发态时 会自发地向较低能级跃迁 经过一次或几次跃迁到达基态 2 光子的发射 原子能级跃迁时以光子的形式放出能量 原子在始末两个能级 Em和 En m n 间跃 迁时发射光子的频率可由下式表示 hv Em En 由上式可以看出 能级差越大 放出光子的频率就越高 3 光子的吸收 光子的吸收是光子发射的逆过程 原子在吸收了光子后会从较低能级向较高能级跃迁 两个能级的差值仍是一个光子的能量 其关系式仍为 hv Em En 4 原子能级跃迁问题 跃迁是指电子从某一轨道跳到另一轨道 而电子从某一轨道跃迁到另一轨道对应着原 子就从一个能量状态 定态 跃迁到另一个能量状态 定态 1 跃迁时电子动能 原子势能与原子能量的变化 原子中原子核带电荷量为 Ze 核外电子带电荷量为 e 电子在半径为 r 的轨道上绕 核做匀速圆周运动时 库仑力提供向心力 则有 r v m r kZe 2 2 2 则 mr kZe v 2 电子绕核运动的动量 r Ze kmvEk 22 1 2 2 在原子中 由于原子核与核外电子库仑引力的作用而具有电势能 电势能属于相互作 用的系统 原子 由库仑力所做的功与电势能变化的关系可知 电子绕核运动的轨道半 径 r 增大时 库仑引力 F 做负功 原子的电势能 Ep增大 通常取 r 时的电势能为零 电子在半径为 r 的轨道上的电势能 r kZe r kZe eeUEp 2 用心 爱心 专心 r Ze k r Ze k r Ze kEEE pK 22 222 2 使原子能级跃迁的两种粒子 光子与电子 原子若是吸收光子的能量而被激发 其光子的能量必须等于两能级的能量差 否则不 被吸收 不存在激发到 n 2 时能量有余 而激发到 n 3 时能量不足 则可激发到 n 2 的 问题 原子还可吸收外来电子 自由电子 的能量而被激发 只要入射电子的能量大于或等 于两能级的能差差值 E Em En 均可使原子发生能级跃迁 5 原子光谱 稀薄的气体通电后能够发光 利用分光镜可以得到气体发光的光谱 不过 这种光谱 并不是连续光谱 它只有分立的几条亮线 也就是说 稀薄气体通电时只发出几种确定频 率的光 不同气体光谱的亮线位置不同 这表明不同气体发光的频率是不一样的 这种分 立的线状光谱又叫原子光谱 6 玻尔理论的局限性 玻尔理论只能解释氢原子光谱 而对外层电子较多的原子 理论与实际相差很多 玻 尔理论不再成立 取而代之的是量子力学 量子力学是一种彻底的量子理论 它不但成功 地解释了玻尔理论所能解释的现象 而且能够解释大量玻尔理论所不能理解的现象 玻尔 理论中的三点假设 在量子力学中也变成理论上推导出来的直接结果 建立在量子力学基 础上的原子理论认为 核外电子的运动服从统计规律 而没有固定的轨道 我们只能知道 它们在核外某处出现的概率大小 结果发现电子在某些地方出现的概率较大 在另一些地 方出现的概率较小 电子频繁地出现在这些概率大的地方 我们可以想像在那里有一团 电子云 包围着原子核 这些电子云形成许多层 在不同层中运动的电子具有不同的能 量 因而形成了原子的定态和能级 这样量子力学就根本抛弃了从经典物理引用来的电子 运动轨道的概念 所谓玻尔理论中的电子轨道 只不过是电子云中电子出现概率最大的地 方 典型例题典型例题 例例 1 有一群氢原子处于量子数 n 3 的激发态 当它们跃迁时 1 有可能放出几种能 量的光子 2 在哪两个能级间跃迁时 所发出的光子的波长最长 波长是多少 分析 分析 由 n 3 的激发态向低能级跃迁的路径为 n3 n2 n1或 n3 n1 其中由 n3 n2的 跃迁能级差最小 辐射的光子能量最小 波长最长 解 解 1 共能放出三种能量的光子 即三种频率的光子 2 由氢原子能级图 E2 3 4Ev E3 1 51eV hv E3 E2 1 89eV 又知 v c 则有 1058 6 106 189 1 1031063 6 7 19 834 23 mm EE hc 例例 2 如图 18 4 2 所示 一群处于基态的氢原子吸收某种光子后 向外辐射 f1 f2 f3 三种频率的光子 且 f1 f2 f3则 用心 爱心 专心 图 18 4 2 A 被氢原子吸收的光子的能量为 hf1 B 被氢原子吸收的光子的能量为 hf2 C f1 f2 f3 D h f1 h f2 h f3 解析 解析 氢原子吸收光子能向外辐射出三种频率的光子 说明氢原子从基态跃迁到了第 三激发态 在第三激发态不稳定 又向低能级跃迁 发出光子 其中从第三能级跃迁到第 一能级的光子能量最大 为 hf1 从第二能级跃迁到第一能级的光子能量比从第三能级跃迁 到第二能级的光子能量大 由能量守恒可知 氢原子一定是吸收了能量为 h f1的光子 且 关系式 h f1 h f2 h f3 f1 f2 f3存在 故答案为 A C D 答案 答案 ACD 模拟试题模拟试题 1 氢原子处于基态时 原子的能量为 E1 13 6 eV 问 1 氢原子在 n 4 的定态时 可放出几种光子 2 若要使处于基态的氢原子电离 要用多大频率的电磁波照射此原子 2 根据玻尔理论 氢原子核外电子在 n 1 和 n 2 的轨道上运动时 其运动的 A 轨道半径之比为 1 4 B 动能之比为 4 1 C 速度大小之比为 4 1 D 周期之比为 1 8 3 卢瑟福 粒子散射实验的结果 A 证明了质子的存在 B 证明了原子核是由质子和中子组成的 C 证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里 D 说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动 4 粒子散射实验中 不考虑电子和 粒子的碰撞影响 是因为 A 粒子与电子根本无相互作用 B 粒子受电子作用的合力为零 是因为电子是均匀分布的 C 粒子和电子碰撞损失能量极少 可忽略不计 D 电子很小 粒子碰撞不到电子 5 在卢瑟福 粒子散射实验中 有少数 粒子发生大角度偏转 其原因是 A 原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 B 正电荷在原子内是均匀分布的 C 原子中存在着带负电的电子 D 原子只能处于一系列不连续的能量状态中 试题答案试题答案 1 解析 1 原子处于 n 1 的定态 这时原子对应的能量最低 这一定态是基态 其 他的定态均是激发态 原子处于激发态时 不稳定 会自动地向基态跃迁 而跃迁的方式 多种多样 当氢原子从 n 4 的定态向基态跃迁时 可释放出如图 18 4 3 所示的 6 种不 用心 爱心 专心 同频率的