第21講 原子結(jié)構(gòu).ppt

1、第二十一講 原子結(jié)構(gòu),【知識(shí)要點(diǎn)】,一、電子的發(fā)現(xiàn) 二、原子的核式結(jié)構(gòu) 三、玻爾的原子模型,一、電子的發(fā)現(xiàn)1、湯姆生對(duì)陰極射線進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。1897年，他確認(rèn)陰極射線是帶負(fù)電的粒子。,湯姆生測(cè)得的陰極射線粒子的荷質(zhì)比，大約是當(dāng)時(shí)已知的氫離子的核質(zhì)比的二千倍。后來(lái)他又測(cè)得陰極射線粒子的電荷與氫離子的電荷大小基本上相同。因此得出結(jié)論，陰極射線粒子的質(zhì)量比氫離子的質(zhì)量小得多。后來(lái)人們逐漸把這種粒子叫做電子。 后來(lái)科學(xué)家精確的測(cè)量出電子的電量庫(kù)侖，質(zhì)量千克。 湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，是物理學(xué)史上的重要事件。由于電子的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識(shí)到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子本身也有結(jié)構(gòu)。,2、湯姆生原子模型,

2、原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，而電子卻像棗子那樣鑲嵌在原子里面，這個(gè)模型能解釋一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但無(wú)法解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)。,二、原子的核式結(jié)構(gòu)1、粒子散射實(shí)驗(yàn),1909年至1911年盧瑟福和他的合作者用粒子轟擊金箔做了粒子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并有極少數(shù)的粒子偏轉(zhuǎn)角超過(guò)了90，有些甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180。,2、盧瑟福原子模型,通過(guò)對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析，盧瑟福提出了他的原子核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。

3、盧瑟福的原子核式模型，能解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)，卻與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾。,3、原子核的電荷和大小,根據(jù)盧瑟福的原子核式模型和粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推算出各種元素原子核的電荷數(shù)，還可以估計(jì)出原子核的大小。 （1）原子的半徑約為10-10米、原子核半徑約是10-14米，原子核的體積只占原子的體積的萬(wàn)億分之一。 （2）原子核所帶正電荷數(shù)與核外電子數(shù)以及該元素在周期表內(nèi)的原子序數(shù)相等。 （3）電子繞核旋轉(zhuǎn)所需向心力就是核對(duì)它的庫(kù)侖力。,三、玻爾的原子模型1、玻爾的原子理論,玻爾在盧瑟福學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上，把普朗克的量子理論運(yùn)用到原子系統(tǒng)上，提出了新的原子理論。 （1）原子只處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在

4、這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然做加速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫做定態(tài)。 （2）原子從一種定態(tài)(設(shè)能量為E1)躍遷到另一種定態(tài)(設(shè)能量為E2)時(shí)，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）原子的不同能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)于電子的不同運(yùn)動(dòng)軌道。由于原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。,2、氫原子的大小和能極,玻爾在其假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)，對(duì)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的氫原子進(jìn)行了計(jì)算，算出了氫的電子的各條可能軌道的半徑和電子在各條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量（包括動(dòng)能和電勢(shì)能）。 玻爾的計(jì)算結(jié)果可以概括為兩個(gè)公式： 式中r1，E1分別代表第一條(即

5、離核最近的)可能軌道的半徑和電子在這個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，rn，En分別代表第n條可能軌道的半徑和電子在第n條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，n是正整數(shù)，叫做量子數(shù)。 玻爾計(jì)算出了r1和E1的數(shù)值：,能級(jí)：氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值，叫做它的能級(jí)。,上面計(jì)算En的式子是氫原子的能級(jí)公式。通常把用上式計(jì)算出氫原子的各個(gè)能級(jí)表示為如下圖所示的能級(jí)圖。,基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能極，這時(shí)電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)叫基態(tài)。 激發(fā)態(tài)：給物體加熱或有光照射物體時(shí)，物體中的某些原子能夠從相互碰撞或從入射光子中吸收一定的能量，從基態(tài)躍遷到較高能級(jí)，這時(shí)電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)，這些定態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。 躍遷

6、：原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過(guò)程，是吸收能量的過(guò)程；原子從較高的基發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過(guò)程，是輻射能量的過(guò)程，這個(gè)能量以光子的形式輻射出去，這就是原子的發(fā)光現(xiàn)象。,3、玻爾的原子理論對(duì)氫光譜的解釋,按照玻爾理論，原子從較高能級(jí)E2躍遷到較低能級(jí)E1時(shí)，輻射出的光子能量為 因此氫原子的電子從能量較高的第n條軌道躍遷到能量較低的第2條軌道時(shí)輻射光子的頻率 由此計(jì)算出來(lái)的頻率與實(shí)驗(yàn)測(cè)出的氫原子的特征譜線的頻率完全一致。,玻爾的原子理論對(duì)氫光譜的解釋,玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜的可見(jiàn)光系。同樣也成功地解釋了氫原子光譜的紅外線系與紫外線系。玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋的如下。,玻爾理論成功地解釋了

7、氫原子光譜的可見(jiàn)光系。同樣也成功地解釋了氫原子光譜的紅外線系與紫外線系。,4、玻爾理論的局限性,玻爾理論在解釋氫原子光譜上獲得了成功，但用來(lái)解釋比較復(fù)雜的原子的光譜時(shí)卻碰到了很大的困難。理論推導(dǎo)出來(lái)的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)出入很大。玻爾理論的成功之處在于它引入了量子觀念，失敗之處在于它保留了過(guò)多的經(jīng)典物理理論。 20世紀(jì)20年代，建立了量子力學(xué)。量子力學(xué)是一種徹底的量子理論，它不但成功解釋了玻爾理論能解釋的現(xiàn)象，而且能夠解釋大量的玻爾理論所不能解釋的現(xiàn)象。,四.量子理論,電子云,【典型例題】,例1、盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)的根據(jù)是，在用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粒子： A、全部穿過(guò)或發(fā)生很小的偏轉(zhuǎn)；

8、 B、絕大多數(shù)穿過(guò)，只有少數(shù)發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)，甚至極少數(shù)被彈回； C、絕大多數(shù)發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回，只有少數(shù)穿過(guò)； D、全部發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)。,分析：粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：絕大多數(shù)粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，且有極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角超過(guò)了90，有的甚至被彈回。盧瑟福根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)。 答：選項(xiàng)B正確。,例2、氫原子的核外電子由一個(gè)軌道躍遷到另一軌道時(shí)，可能發(fā)生的情況有： A、放出光子，電子動(dòng)能減小，原子勢(shì)能增加； B、放出光子，電子動(dòng)能增加，原子勢(shì)能減少； C、吸收光子，電子動(dòng)能減小，原子勢(shì)能增加； D、吸收光子，電子動(dòng)能增加，原子勢(shì)

9、能減小。,分析：根據(jù)玻爾理論，氫原子的不同定態(tài)是跟核外電子繞不同圓形軌道運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的。氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值（包括電子的動(dòng)能和電子與核子之間的電勢(shì)能)稱為各個(gè)定態(tài)的能級(jí)。用En表示電子在第n軌 道上的原子能級(jí)，用E1表示電子在第1軌道上的原子能級(jí)，且 ， 這表明電子在外軌道的能級(jí)高于電子在內(nèi)軌道時(shí)的能級(jí)。又根據(jù)原子由 高能級(jí)向低能級(jí)躍遷要放出一個(gè)光子，原子由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷要吸收一個(gè)光子?？梢?jiàn)，原子放出光子是電子由外軌道向內(nèi)軌道躍遷，原子吸收光子是電子由內(nèi)軌道向外軌道躍遷。,根據(jù)電子繞原子核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程 得到電子繞核運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)能的表達(dá)式 由上式可以看出，電子在半徑較大的軌道上運(yùn)

10、行時(shí)，動(dòng)能反而小。 根據(jù)電子與原子核間的作用力是引力，電子由較低軌道躍遷到較高軌道時(shí)，電場(chǎng)力做負(fù)功，電勢(shì)能增加。 因此，當(dāng)原子放出光子時(shí)，是電子從高軌道向較低軌道躍遷，電子的動(dòng)能增加，原子的勢(shì)能減少，總能量亦減少，選項(xiàng)B正確。當(dāng)原子吸收光子時(shí)，是電子從較低軌道向較高軌道躍遷，電子的動(dòng)能減小，原子的勢(shì)能增加，原子的總能量增加，選項(xiàng)C正確。,答：選項(xiàng)B、C正確。,說(shuō)明：電子在半徑為r的軌道上繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子具有的動(dòng)能 設(shè)電子距原子核為無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，原子的電勢(shì)能為零，那么，電子在半徑為r的軌道上繞核運(yùn)行時(shí)，原子的電勢(shì)能 原子具有的總能量,例3、一群處于n=5的激發(fā)態(tài)的氫原子，當(dāng)它們向n=2的能

11、級(jí)躍遷時(shí)，可能輻射n種頻率的光子，其中光子的最大和最小的頻率各為多少？,分析：原子輻射光子的能級(jí)躍遷情況如圖所示。原子由第5能級(jí)向第2能級(jí)躍遷時(shí)，輻射的光子能量最大，頻率也最大。原子由第5能級(jí)向第4能級(jí)躍遷時(shí)，輻射的光子能量最小，頻率也最小。,解答：一群處于n=5的激發(fā)態(tài)的氫原子，當(dāng)它們向n=2的能級(jí)躍遷時(shí)，可能輻射6種頻率的光子。 從n=5直接躍遷到n=2的能級(jí)時(shí)，輻射的光子的頻率最大， 從n=5躍遷到n=4的能級(jí)時(shí)，輻射的光子的頻率最小，,【反饋練習(xí)】,1、在用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)中，盧瑟福觀察到的粒子的運(yùn)動(dòng)情況是 A、全部粒子穿過(guò)金屬箔后仍按原來(lái)的方向前進(jìn) B、絕大多數(shù)粒子穿過(guò)金屬箔后仍按

12、原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)甚至被彈回 C、少數(shù)粒子穿過(guò)金屬箔后仍按原來(lái)的方向前進(jìn)，絕大多數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回 D、全部粒子都發(fā)生很大偏轉(zhuǎn),答案：B,2、原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，是盧瑟福根據(jù)以下哪個(gè)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象提出來(lái)的 A、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) B、氫原子光譜實(shí)驗(yàn) C、粒子散射實(shí)驗(yàn) D、天然放射現(xiàn)象,答案：C,3、盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 A、證明了質(zhì)子的存在 B、證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的 C、說(shuō)明原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個(gè)很小的核上 D、說(shuō)明原子的電子只能在某些不連續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng),答案：C,4、當(dāng)粒子被重核散射時(shí)，如圖所示的運(yùn)動(dòng)軌跡哪些是不可能存在的,答案：BC,

13、5、玻爾在他提出的原子模型中所做的假設(shè)有 A、原子處于稱為定態(tài)的能量狀態(tài)時(shí)，雖然電子做加速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量 B、原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)，而電子的可能軌道的分布是不連續(xù)的 C、電子從一個(gè)軌道躍遷到另一軌道時(shí)，輻射（或吸收）一定頻率的光子 D、電子躍遷時(shí)輻射的光子的頻率等于電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)的頻率,答案：ABC,6、氫原子的核外電子，在由離核較遠(yuǎn)的可能軌道躍遷到離核較近的可能軌道的過(guò)程中 A、輻射光子，獲得能量 B、吸收光子，獲得能量 C、吸收光子，放出能量 D、輻射光子，放出能量,答案：D,7、在玻爾的原子模型中，比較氫原子所處的量子數(shù)n=1及n=2的兩個(gè)狀

14、態(tài)，若用E表示氫原子的能量，r表示氫原子核外電子的軌道半徑，則 A、 E2E1、r2r1； B、E2E1，r2r1； D、E2E1，r2r1 。,答案：A,8、根據(jù)玻爾理論，氫原子的電子由外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道后 A、原子的能量增加，電子的動(dòng)能減少 B、原子的能量增加，電子的動(dòng)能增加 C、原子的能量減少，電子的動(dòng)能減少 D、原子的能量減少，電子的動(dòng)能增加,答案：D,9、按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道上，則 A、電子的動(dòng)能變大，電勢(shì)能變大，總能量變大 B、電子的動(dòng)能變小，電勢(shì)能變小，總能量變小 C、電子的動(dòng)能變小，電勢(shì)能變大，總能量不變 D、電子的動(dòng)能變小，電勢(shì)

15、能變大，總能量變大,答案：D,10、氫原子在下列各能級(jí)間躍遷（如圖所示） （1）從n=2到n=1 （2）從n=5到n=3 （3）從n=4到n=2 在躍遷過(guò)程中輻射的電磁波的波長(zhǎng)分別用1、2、3表式，波長(zhǎng)1、2、3大小的順序是： A、1 2 3 ； B、13 2 ； C、3 2 1 ； D、3 1 2 。,答案：B,【課后練習(xí)】一、填空題,1、氫原子的基態(tài)能量 ，則氫原子處于量子數(shù)n=5的能級(jí)時(shí)的能量為_(kāi)eV。 2、用電磁波照射某原子，使它以能量為E1的基態(tài)躍遷到能量為E2的激發(fā)態(tài)，該電磁波的頻率等于_。 3、在玻爾的氫原子模型中，電子的第1條（即離核最近的那條）可能軌道的半徑為r1，則由此向外

16、數(shù)的第2條可能軌道半徑r2=_， 電子在這第2條可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能Ek=_ 。已知基本 電荷為e，其靜電引力恒量為k 。,答案：-0.544 。,答案：,答案：,4、如圖所示，氫原子最低的4個(gè)能級(jí)，氫原子在這些能級(jí)之間躍遷所輻射的光子的頻率最多有_種，其中最小的頻率等于_Hz（保留兩位數(shù)字）。,答案：6 ;,二、選擇題,5、盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，表明了 A、質(zhì)子比電子重 B、原子核內(nèi)存在著中子 C、原子中的正電荷集中在很小的區(qū)域范圍內(nèi) D、可以用人工方法直接觀察原子結(jié)構(gòu),答案：C,6、按照玻爾理論，一個(gè)氫原子中的電子從一半徑為ra的圓軌道自發(fā)地直接躍遷到一半徑為rb的圓軌道上，ra r

17、b，在此過(guò)程中 A、原子要發(fā)出一系列頻率的光子 B、原子要吸收一系列頻率的光子 C、原子要發(fā)出某一頻率的光子 D、原子要吸收某一頻率的光子,答案： C,7、氫原子的核外電子由一個(gè)軌道躍遷到另一軌道時(shí)，可能發(fā)生的情況有 A、放出光子，電子動(dòng)能減少，原子勢(shì)能增加 B、放出光子，電子動(dòng)能增加，原子勢(shì)能減少 C、吸收光子，電子動(dòng)能減少，原子勢(shì)能增加 D、吸收光子，電子動(dòng)能增加，原子勢(shì)能減少,答案： BC,8、氫原子基態(tài)能級(jí)為13.6eV，一群氫原子處于量子數(shù)n=3的激發(fā)態(tài)，它們向較低能級(jí)躍遷時(shí)，放出光子的能量可以是 A、1.51eVB、1.89eV C、10.2eVD、12.09eV,答案： BCD 。,三、計(jì)算題,9、設(shè)氫原子的核外電子在第2條軌道和第3條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，氫原的能量分別是E2和E3， 已知 ， 問(wèn)氫原子吸收波長(zhǎng)為多少微米的光子，才能使它的電子從第2條軌道跳到第3條軌道(普朗克常量 ),答案： 0.656m 。,10、已知?dú)浔米踊鶓B(tài)的電子軌道半徑為 ，量子數(shù)為n的能級(jí)值