原子結(jié)構(gòu)之謎

8/8原子結(jié)構(gòu)之謎一.教法建議【拋磚引玉】

本節(jié)雙基學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.了解原子的核式結(jié)構(gòu)

2。了解原子學(xué)說的發(fā)展歷史，認(rèn)識α粒子散射實驗的重大意義

3。了解玻爾理論的三條假設(shè)

４.通過公式rn=n2ｒ1，En=。使學(xué)生了解原子能極,軌道半徑和量子數(shù)n的關(guān)系?！局更c迷津】

本節(jié)重點內(nèi)容點撥

通過對盧瑟福α粒子散射實驗的分析闡述原子的核式結(jié)構(gòu)模型;從原子具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的事實出發(fā)，建立玻爾的級理論。二、學(xué)海導(dǎo)航【學(xué)法指要】

本節(jié)理論原理明晰

關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的四個學(xué)說要從學(xué)說提出的實驗基礎(chǔ),學(xué)說內(nèi)容，能解釋的現(xiàn)象,遇到的障礙四個方面掌握。

１。湯姆生的棗糕原子模型

①實驗基礎(chǔ)：湯姆生發(fā)現(xiàn)電子（發(fā)現(xiàn)電子打破了原子不可再分觀念，表明電子是原子的組成部分）

②模型內(nèi)容：原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球內(nèi),而電子象棗糕里的棗子鑲嵌在原子里面。

③能解釋現(xiàn)象：原子光譜（原子受激，電子振動而發(fā)光）

④遇到障礙：不能解釋α粒子散射實驗。

２．戶瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型

①實驗基礎(chǔ)：α粒子散射實驗。（盧瑟福用α粒子轟擊金箔,發(fā)現(xiàn)α粒子穿過金箔后，絕大多數(shù)仍沿原方向前進(jìn);少數(shù)發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn),極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過了９0°，甚至被反彈)

實驗說明:原子不是實心的，中間存在很大空隙;電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子質(zhì)量,大角度偏轉(zhuǎn)不是電子作用結(jié)果；大角度偏轉(zhuǎn)應(yīng)是α粒子碰到帶正電的質(zhì)量很大的物質(zhì)，α粒子大角度偏轉(zhuǎn)極少，表明原子的核心很小。

②模型內(nèi)容:

有三個特點:（１）核很小，原子直徑約１0-10米,而核直徑只有10－１4

(２)核很重，原子的質(zhì)量幾乎全部集中在核里，原子核集中了全部正電荷.

（3）電子繞核作園周運(yùn)動，庫侖力提供向心力。

③能解釋現(xiàn)象:α粒子散射實驗

由于原子的全部正電荷都集中在核里,當(dāng)α粒子與核十分接近時會受到很大的庫侖力而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。因原子內(nèi)部大部分是空的，核又很小，所以α粒子靠近核的機(jī)會很少，絕大多數(shù)α粒子離核較遠(yuǎn),受到的庫侖力小，基本按直線前進(jìn)。極少數(shù)α粒子離核較近，發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn).

3.玻爾的軌道量子化模型

①ａ.核式說學(xué)與經(jīng)典電磁理論的矛盾。(1）原子穩(wěn)定性問題,按經(jīng)典理論,核外電子繞核旋轉(zhuǎn)應(yīng)輻射電磁波,其能量要逐漸減少，半徑要減少，電子要被庫侖力吸收到核上，原子應(yīng)是不穩(wěn)定的,事實上原子是穩(wěn)定的。

②原子光譜問題

經(jīng)典理論,電子繞核運(yùn)行頻率不斷變化,原子輻射電磁波頻率等于運(yùn)行頻率,也應(yīng)是連續(xù)變化的,即原子光譜是連續(xù)光譜，而實際上原子光譜是頻率固定的線狀光譜.

ｂ．普朗克提出量子論

模型內(nèi)容：三條假說

(1)定態(tài)理論原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中,在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的,電子雖做加速運(yùn)動，并不向外輻射能量。

（2)能級躍遷，原子從一種定態(tài)（E初）躍遷到另一種定態(tài)(E終）時，它輻射(或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即。

(３）軌道量子化，原子的不同能量狀態(tài)跟電了沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動相對應(yīng),原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子的可能軌道分布是不連續(xù)的.

經(jīng)計算：

其中r1為第一條軌道的半徑，E１為第一條轉(zhuǎn)道（離核最近）的半徑的能量.n為量子數(shù)

③解釋現(xiàn)象：氫原子光譜

④遇到障礙:不能解釋所有原子光譜（成功之處在于引入量子論,失敗之處在于過多保留了經(jīng)典理論）

４．量子力學(xué)電子方式結(jié)構(gòu)模型。（選學(xué)內(nèi)容）

①理論基礎(chǔ).a.玻爾理論不能解釋復(fù)雜原子發(fā)光.b．量子力學(xué)發(fā)展

②模型內(nèi)容:

核外電子在核外的運(yùn)動沒有固定的軌道,它時而在這里出現(xiàn),時而又在那里出現(xiàn),在某些地方出現(xiàn)的幾率大，在某些地方出的幾率小，出現(xiàn)幾率大的地方就是玻爾理論中的“軌道”。原子核好象被電子云霧籠罩著。

本節(jié)、難點、疑點釋疑

1．原子的能量是指核外電子繞核運(yùn)動的動能和勢能總和，為什么不說成“電子能量”呢?因為勢能屬于原子核和核外電子所共有。

對氫原子:據(jù)庫侖力提供向心力。

選無窮遠(yuǎn)為勢能零點,電子在半徑為ｒ軌道上運(yùn)動時的勢能：

總能:①

２．原子發(fā)光(吸收光）

原子從基態(tài)（能量最低狀態(tài))向激發(fā)態(tài)躍遷，r增大，電子克服庫侖力做功電勢能增大，動能減少,由總能表達(dá)式①知總能量增加,吸收能量（光子）

原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷，同理總能減少，以光子的形式放出。原子吸收或輻射能量不是任意的，而是等于發(fā)生躍遷的兩能級的能量差。

一個原子可以有許多不同的能量狀態(tài)和相應(yīng)的能級，但在某一時刻一個原子不可能既處一這一狀態(tài)也處于那一狀態(tài),如果有大量的原子它們之中有的處于這一狀態(tài)，有的處于那一狀態(tài)，氫光譜線不是一個氫原子發(fā)出的,而是不同的氫原子從不同的能級躍遷到另一些不同能級的結(jié)果.【妙文賞析】

1909年,盧瑟福交給他的學(xué)生，青年物理學(xué)家馬斯登一項簡單的任務(wù)，要他數(shù)一數(shù)通過各種物質(zhì)薄片（金、銅、鉛等)的a粒子，這些薄片是放在放射源的熒光屏之間的,盧瑟福是想看一看馬斯登能不能看到什么奇異現(xiàn)象。當(dāng)時大家都接受湯姆生的原子模型，按照這種模型,a粒子應(yīng)該很容易地穿過原子球,不應(yīng)該發(fā)生散射現(xiàn)象。但是馬斯登注意到,雖然絕大數(shù)a粒子穿過薄片，但是仍然可以看到散射現(xiàn)象,有一些粒子好象是跳回來了(偏轉(zhuǎn)角在9０°以上的a粒子約點總數(shù)的）。馬斯登把實驗結(jié)果告訴了盧瑟福，盧瑟福感到很吃驚，實驗重復(fù)了很多次，盧瑟福經(jīng)過深入研究和思考提出原子核式結(jié)構(gòu)模型。

讀后你有何感想？【思維體操】

⒈已知電子質(zhì)量為ｍ,電量為ｅ。當(dāng)氫原子核外電子繞核旋轉(zhuǎn)時的軌道半徑為ｒ時,求電子繞核運(yùn)行的速度、頻率、動能和等效電流強(qiáng)度。

⒉氫原子的基態(tài)能量為E,電子轉(zhuǎn)道半徑為r，電子的質(zhì)量為m，電量為ｅ，氫原子中電子在ｎ=3的定態(tài)軌道上運(yùn)動時的速度為V3，氫原子從n=３定態(tài)躍遷到n=1的基態(tài)過程中輻射光子的波長為l，則下列結(jié)果正確的是()

Ａ。B。

C。電子的電勢能和動能都要減小。

D。電子的電勢能減小動能增大。

解答:１．由庫侖力提供向心力得

頻率動能

等效電流強(qiáng)度（本題考查庫侖力提供向心力)

2.根據(jù)玻爾理論,由上題知

A正確。

由得由躍遷理論即，所以,因此B正確。

氫原子從n＝3躍遷到n=１，電子受到的庫侖力做正功，電勢能減小，由知動能即軌道半徑越小,動能越大，所以D正確,Ｃ錯誤。(考查波爾理論，及庫侖力提供向心力）三、智能顯示【心中有數(shù)】

本節(jié)理論發(fā)散思維

盧瑟福核式模型,玻爾模型，電子云式模型中,對原子的認(rèn)識都是原子有原子核和核外電子組成，原子核很小集中了全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量,電子在核外高速運(yùn)動。盧瑟福模型中電子繞核旋轉(zhuǎn)庫侖力提供向心力,軌道是連續(xù)的；玻爾模型中軌道是量子化的,是不連續(xù)的;電子云模型中電子沒有確定軌道,是隨機(jī)的.

在盧瑟福模型中，核外電子繞核運(yùn)動與衛(wèi)星繞行星運(yùn)動類似,前者庫侖力提供向心力，后者是萬有引力提供向心力，由于庫侖力與萬有引力表達(dá)式相似,所以可用類比方法處理.【動手動腦】單元立體檢測

1.有大量的氫原子，吸收某種頻率的光子后,從基態(tài)躍遷到n=3的激發(fā)態(tài)，已知氫原子處于基態(tài)時的能量為E1，則吸收光子的頻率v=_______，當(dāng)這些處于激發(fā)態(tài)的氫原子向低能態(tài)躍遷發(fā)光時,可發(fā)出_＿_(dá)__＿_(dá)條譜線,輻射光子的能量為＿＿_(dá)____＿＿_(dá)

2．欲使處于基態(tài)的氫原子激發(fā),下列措施可行的是(）

Ａ。用10。2eｖ的光子照射B。用1１eｖ的光子照射

C．用1４ev的光子照射D．用1１eｖ的電子碰撞

解答：1。據(jù)躍遷理論,所以。由于是大量原子，可從n=2躍遷到n＝1故應(yīng)有三條譜線，光子能量分別為E３—E１，Ｅ3－E2，Ｅ２-E1即

2.由波爾理論：氫原子躍遷時只能吸收能量值剛好等于某兩能級之差的光子。由能級關(guān)系不難算出１0。2ｅv剛好為n=2與n=1兩能級之差，而11ev不是氫原子基態(tài)與任一激發(fā)態(tài)的能量差，因而基態(tài)氫原子能吸收前者被激發(fā),不能吸收后者,對于14ev的光子，其能量大于氫原子的電離能（13．6ev）足以使之電離。另外用電子去碰撞氫原子時,入射電子動能可全部或部分成為氫原子吸收,只要電子動能大于或等于氫原子基態(tài)與某激發(fā)態(tài)能量之差，可使氫原子激發(fā)。正確答案［ＡCD］

本題考查：原子躍遷條件的認(rèn)識和理解?！緞?chuàng)新園地】

1.有一群處于量子數(shù)ｎ=Ｎ(N為大于1的自然數(shù))的氫原子躍遷時可發(fā)出光譜線條數(shù)表達(dá)式為＿_(dá)____＿＿_(dá)_＿

已知波爾假設(shè)，電子軌道半徑滿足

設(shè)無究遠(yuǎn)電勢為零,點電荷Ｑ周圍電勢表達(dá)式為

據(jù)此推導(dǎo)氫原子軌道半徑和能量表達(dá)式【創(chuàng)新園地】答案:從ｎ=N躍遷到ｎ=1，2，3,……N-1，可發(fā)出N—1條，從n=N-1躍遷到n=1，2，3，……N—2，可發(fā)出N－2條，………………故可發(fā)出(N－1）＋（Ｎ—２)＋(N-3）+……＋1=（本題考查躍遷理論)據(jù)牛頓第二定律，電子繞核運(yùn)動庫侖力提供向心力有

──①

據(jù)波爾假設(shè),──②

由①②得，

有

電子在核外r處具有電勢能

氫原子能量

由①知,

則，又

有，【同步題庫】1.關(guān)于粒子散射實驗的結(jié)果,下列說法中正確的是（）A．絕大多數(shù)粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)。Ｂ。少數(shù)粒子射過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)。C.極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角超過90°.D.有的粒子被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°。2。在α粒子散射實驗中,引起α粒子散射的力是(）

A.萬有引力B。電場力C.磁場力D。強(qiáng)相互作用力3。根據(jù)玻爾氫原子模型，氫原子核外電子分別處在第一第二條軌道上時,它運(yùn)動的情況是()

A．軌道半徑之比等于1:4

Ｂ。周期之比等于1：8

C。速度之比等于4：1

D．動能之比等于４：1

3。按照玻爾理論,當(dāng)氫原子中電子由半徑為ra的園軌道躍遷到半徑為rｂ的園軌道上,若rb〉ra則在躍遷過程中()

A。氫原子要吸收一系列頻率的光子

Ｂ。氫原子要輻射一系列頻率的光子

C。氫原子要吸收某一頻率的光子

D。氫原子要輻射某一頻率的光子4．一群處于基態(tài)的氫原子被一束單色光照射后共發(fā)出三種頻率分別為，ｖ1,v2,v3的光子，且v1＞ｖ2＞v3,則入射光的能量應(yīng)為(）

Ａ.hv1

Ｂ．hｖ２

C．hv3

D.ｈ(ｖ1+v2+v３)5。玻爾提出的原子結(jié)構(gòu)模型中所做的假設(shè)有（）

A.原子處于定態(tài)時,電子雖做加速運(yùn)動，但并不輻射能量

B．原子的不同定態(tài)同電子繞核沿不同軌道運(yùn)動相對應(yīng)

Ｃ。電子從核外一軌道躍遷到另一軌道時,輻射(或吸收)一定頻率的光子

D．電子躍遷時輻射光子的頻率等于電子繞核運(yùn)動的頻率６。在氫原子中,電子在各個可能軌道上運(yùn)動的能量包括電勢能和動能兩部分。當(dāng)電子從離核較近軌道向較遠(yuǎn)軌道躍遷時

Ａ．電勢能增大,動能減小，原子總能量減小

B.電勢能增大，動能減小，原子總能量增大

C．電勢能增大，動能增大，原子總能量增大

D。電勢能增大，動能減小，原子總能量不變

７．氫原子從能級A躍遷到能級Ｂ吸收頻率為v1的光子，從能級A躍遷到能級Ｃ,釋放頻率為v2的光子.若ｖ2>v1,則當(dāng)它從能級C躍遷到能級B時，將吸收頻率為

的光子。

８．氫原子的核外電子由基態(tài)躍遷到n=2的激發(fā)態(tài)時,吸收光子的能量為E,若氫原子的核外電子從n=３能級躍遷到ｎ=2的能級時，釋放光子的能量是

.

9。氫原子基態(tài)能量E1＝－13。６ev,要使處于量子數(shù)n=2的定態(tài)的氫原子電離至少需要能量

ｅv.用能量為10eｖ的