第二节：原子的核式结构模型

其次节原子的核式结构模型

白景曦

（西北师范高校第一附属中学甘肃兰州730070）

摘要

汤姆生发觉电子后，提出枣糕式原子模型；卢瑟福和助手做了a粒子散射试验，提出

原子的核式结构模型；玻尔依据经典电磁理论和卢瑟福的核式结构模型的冲突，提出原子

的量子化结构模型。

关键词：电子的发觉枣糕式模型。粒子散射试验核式结构模型量子化结构模型

引言

很早以前人们就提出组成物质的最小微粒是原子，但是原子是否有内部结构、是否还

可以再分呢？同学们的回答确定是确定的。那么，人们是什么时候发觉原子还可以再分？

又是如何探究原子的结构的呢？

1897年，汤姆生发觉了电子，后来人们又通过气体电离和光电效应试验从物体中打出

了电子。通过这些现象，人们意识到原子并不是不行再分的。原子内除了电子外还应当有

带正电的物质，它们是怎么构成原子的呢？本节课我们来探讨第三节：原子的结构。

第1课时：原子的核式结构

新课教学：

一、原子的结构

1.电子的发觉

1897年英国物理学家汤姆生在探讨低压气体放电——阴极射线时发觉了电子。汤姆生

对阴极射线进行了一系列的试验探讨，确定了阴极射线中粒子带负电，并计算出了它的荷

质比匚，通过进一步的探讨发觉它的电量跟氢离子的电量基本相同，质量比氢离子小得多,

后来人们称之为电子，是原子的组成部分。阴极射线是高速电子流，电子的发觉对揭示原

子结构具有重大意义，它是近代物理三大发觉（X射线、放射性、电子）之一。

思索：既然电子是原子的组成部分，而原子乂是中性的，那么原子里还存在带什么电

的物质？既然电子质量很小，那么原子的质量绝大部分集中在哪里？带正电的物质和带负

电的电子是如何组成原子的呢？

2.汤姆生的原子结构（枣糕型）

（1）枣糕式模型：汤姆生提出，原子是由带负电的电

子和带正电的物质组成，原子是一个球体，带正电的物质

匀称的分布在原子中——就象枣糕中的米粒，电子嵌在原

子中一就象枣糕中的枣子，且在平衡位置振动。

（2）应用：汤姆生原子模型能说明一些试验事实——如原子是中性的。在汤姆生发表

论文10年后，即1909年到1911年，他的学生卢瑟福和同事们做了一个闻名的a粒子散

射试验，这个试验现象无法用汤姆生原子模型来正确说明——说明汤姆生原子模型有不正

瑰的地方，卢瑟福在□粒子散射试验的基础上提出了原子的核式结构学说。

3.原子的核式结构

（1）a粒子散射试验（P62）

装备：如图，a粒子源、金箔

（很薄，约1微米左右）、带荧光

屏的显微镜、带荧光屏的显微镜可

以沿图中虚线转动，整个装置放在

真空中.

试验及设想：用Q粒子轰击金箔，由于金原子中的带电微粒对Q粒子有库仑力的作用,

一些a粒子穿过金箔后会变更原来的运动方向，这种现象叫做a粒子散射。卢瑟福希望通

过对散射的探讨的分析，来了解原子内部电荷与质量的分布状况。

试验现象：绝大多数a粒子不偏转；

少数a粒子发生了较大角度的偏转；

极少数a粒子发生了大角度偏转，甚至被反弹回来。

试验现象分析：

按汤姆生模型分析，a粒子穿过汤姆生原子模型有两种可能，——不?工二

①与电子相碰，②受到静电斥力。因为电子的质量很小，a粒子打>

在电子上，就象子弹打在一颗尘埃上一样，运动方向不行能发生什—

么变更；当。粒子通过金箔时受静电斥力作用，但由于带正电的物一

质匀称分布，所以正电荷对a粒子的斥力大部分相互抵消，也不会使a粒子产生大角度偏

转。

思索：什么样的原子结构会出现这样的试验现象呢？

因为电子的质量很小，Q粒子打在电子上，就象子弹打在一颗尘埃上一样，运动方向

不行能发生什么变更。。粒子的偏转确定是带正电的物质引起的，大多数。粒子不偏转的

缘由是它们运动过程中没有受到带正电的物质的斥力作用，说明原子内几乎是“空”的；

少数a粒子发生较大偏转，说明带正电的物质对它们产生了库仑斥力的作用；极少数a粒

子发生大角度偏转，说明它们和带正电的物质发生了很大的作用力——撞击，而且这种物

质占据的空间很小。

(2)原子的核式结构

英国物理学家卢瑟福在。粒子散射试验的基础上，于1911年提出了原子核式结构学

说。

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空间围着核旋转。

学生探讨：用原子核式结构学说说明a粒子散射试验。

小结：按卢瑟福的原子核式结构模型，原子内部是非常“空旷”的，近年来的探讨表

明，原子直径的数量级(事实上是电子的活动范围的数量级)为需一生］,而原子核直径的

数量级为10-7,两者的直径相差十万倍。假如把原子直径比做直径为百米左右的大球，

那么原子核则只有毫米左右米粒大小。所以，a粒子通过金箔时，如入“无人之景”，绝

大多数Q粒子碰不到质量和电量都较大的原子核，只有少子从原子核旁边经过，受电场力

经典的电磁理论认为电子绕原子核旋转，则确定具有加速度，作变速运动，作变速运

动的电子产生变更的电场，因而电子向外辐射能量一一辐射电磁波，因此随着它的能量削

减，电子运行的轨道半径也减小，最终要落入原子核中一一造成原子塌陷，这样看来原子

是不稳定的。而事实上原子是稳定的。

2.大量原子的光谱将是包含一切频率的连续光谱，

经典的电磁理论认为电子绕核运行的轨道不断的变更，它向外辐射电磁波的频率应当

等于绕核旋转的频率。因此在轨道不断减小的过程中原子辐射一切频率的电磁波，大量原

子的发光光谱应当是连续光谱。而事实上，原子光谱是不连续的线状光谱。

课件视察：原子的线状光谱。

卢瑟福的学说跟经典的电磁理论发生了冲突，这些冲突说明，从宏观现象总结出的经

典电磁理论不适用与原子这样小的粒子产生的微观现象。为了解决这些冲突，很多物理学

家做了努力和探究，其中丹麦的物理学家一一玻尔提出了较好的解决方法。

二、玻尔的原子模型理论

1.玻尔原子模型理论的基础

（1）卢瑟福的原子核式结构；

（2）普朗克的量子理论，-美V；

（3）光谱学，特殊是氢光谱试验中测得的试验数据。

2.玻尔原子模型理论的主要内容一三个假设

（1）能量量子化假设

原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然

做加速运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。

说明：这一说法和事实是符合得很好的，电子并没有被库仑力吸引到核上，就像行星

围着太阳运动一样。这里所说的定态是指原子可能的一种能量状态，有某一数值的能量，

这些能量是电子的动能和电势能的总和。

（2）跃迁量子化假设

原子从一种定态（设能量为E2）跃迁到另一种定态（设能量为E。时，它辐射或汲取

确定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差确定，即

当瓦＞及时，辐射光子；当&V©时，汲取光子。

（3）轨道量子化假设

原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道，由于原子的能量状态是不连续的，

因此电子的可能轨道也是不连续的，即电子不能在随意半径的轨道上运行，只有满意下列

条件的轨道才是可能的：轨道的半径，跟电子的动量〃”的乘积等于;的整数倍，即

式中n是正整数，叫量子数。

玻尔的原子模型解决了原子的稳定性问题，玻尔在这几个假设的基础上利用经典的电

磁理论和牛顿力学，计算出了氢的电子的各条可能轨道的半径和电子在各轨道上运动时的

能量。

三、氢原子轨道半径的大小和能级

1.电子的轨道半径的大小：氢原子的电子的各条可能轨道的半径即：

八代表第一条（离核最近的一条）可能轨道的半径，n=0.53X10-10mo

,0

例：n=2,r2=2.12X10-m

2.能级

（1）原子在各个定态时的能量值En称为原子的能级。它对应电子在各条可能轨道上

运动时的能量耳（包括动能和势能）

Ei代表电子在第一条可能轨道（〃）上运动时的能量，Ei=-13.6eV。

说明：计算能量时取离核无限远处的电势能为零，电子带负电，在正电荷的场中为负

值，电子的动能为电势能琥定值的一半，总能量为负值。

例：当〃=2时，氏=一3.4eV；

当〃二3时，£*3=—1，5当V；

当片4时,E4=-0.85eV；

（2）基态和激发态

基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种

定态叫基态。

激发态：原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态叫激发态。

3.原子发光

（1）原子光谱

原子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加要汲

取能量：

原子也可以从能量较高的激发态向能量较低的激发态或基态跃迁，电子所受库仑力做

正功，电势能减小，原子的能量削减要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出；

明确：原子的能量增加是因为电子增加的电势能大于电子削减的动能；反之原子的能

量削减是因为电子削减的电势能大干电子增加的动能。原子无论汲取能量还是停射能量，

这个能量都不是随意的，而是等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差：

原子光谱：原子从高能级跃迁到低能级时，辐射的光子的能量是不连续的，波长也是

不连续的，所以其光谱是若干条不连续的亮线，这种分立的线状光谱叫原子光谱。如课本

彩图所示。

（2）氢的原子光谱

氢原子中只有一个核外电子，这个电子在某个时刻只能在某个可能轨道上，或者说在

某个时间内，由某轨道跃迁到另一轨道——可能状况只有一种。可是，通常容器盛有的氢

气，总是千千万万个原子在一起，这些原子核外电子跃迁时，就会有各种状况出现了。但

是这些跃迁不外乎是“能级图”中表示出来的那些状况。

E(eV)

n

COr0

5-0.54

4I埠卜匾紫（红外线）-0.85

।布拉开系（红外线）

3—1.51

帕邢系（红外线）

2一3.4

巴耳末系（可见光及红外线）

11，旦।*----—13.6

莱曼系（紫外线）

说明，真空中可见光的波长及频率范围：

波长，770nm---400nm；

频率，3.9X1014——7.5X10,4HZ；

光子能量，1.6----3.1eV。

巩固练习：

例1：依据玻尔理论，在氢原子中量子数n越大，则（）

A.原子轨道半径越小；B.核外电子速度越小；

C.原子能级的能量越小；D.原子的电势能越大。

解析：由弓=〃2”得，〃越大，电子的轨道半径乙越大。A错误;

由K4=/〃堂（不计万有引力）得：％"坛xR，B正确；

「GV”厂VG

由与今4I=>£>后，C错误；

4n4寸

/增大时，库仑力做负功，电势能增大，D正确。

例2：已知，氢原子基态的电子轨道半径为八二0.53X10一%,基态的能级为£=-13.6eV0

（1）求电子在n=2的轨道上运动形成的等效电流。

（2）有一群氢原子处于量子数n=4的激发态，求这些氢原子向低能态跃迁时所辐射的

光子的频率可能有几种。

（3）计算这儿条光谱线中最长的波长，这种波长的光能否使的发生光电效应（己知

葩的极限频率是4.545乂10"取）。

（4）能量为12cV的光子能否使处于基态的氢原子受到激发？能否使处于n=2的氢原子

电离？动能为12eV的实物粒子（如电子、质子等）能否使处于基态的氢原子受到激发？

解析：（1）

得：7=

（2）最多有6条谱线。

（3）这6条谱线中波长最长的是由n=4跃迁到n=3

的一条。

2

v<v0,所以不能使葩发生光电效应。

（4）光子不能使处于基态的氢原子受到激发，可以使处于n=2的氢原子电离，因为物

体汲取光子时必需全部汲取，否则就一点也不汲取；若汲取光子使原子由低能态跃迁到高

能态，则光子的能量必需是这两能级间的能量差，若汲取光子可使原子电离，则只要光子

的能量大于其电离能即可被原子汲取。

斤12eV的实物粒子可以使处于基态的氢原子受到激发，原子汲取实物粒子的能量时，

可只汲取其一部分能量（这部分能量确定等于其跃迁时的两能级能量之差；若汲取能量可

使原子电离，则只要汲取的能量大于其电离能即可）。

四、光谱分析

L概念：由于不同原子的结构不同，所以每种元素光谱（特征谱线）中的谱线分布都

与其他元素不同，因此，可通过光谱来鉴别物质、推断他的化学成分，这种方法叫光谱分

析。

2.特点：灵敏度高、分析快速工作效率高、精确性高。