5.1 原子的结构 课件-2024-2025学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

第一节 原子的结构 第五章 原子与原子核 1.了解α粒子散射实验及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容. 2.知道氢原子光谱的实验规律. 3.知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容，了解能级跃迁、轨道和能量量子化以及基态、激发态等概念 学习目标 J.J.汤姆孙在气体电离和光电效应实验现象中发现，不同物质都可以逸出一种带负电的粒子，并且质量比任何一种分子或原子的质量都小得多，因此完全确认了电子的存在。 电子的发现打破了传统的“原子不可分”的观念，使人类对自然世界的认识又向前迈进了一步，也大大激发了人们研究原子内部结构的热情。 由于原子呈电中性，既然电子带负电，那么原子内部一定还有带正电的部分. 一、原子核式结构的提出 J.J.汤姆孙据此提出了一种原子结构模型. 他设想原子是一个球体，正电荷均匀地分布在其中，质量很小的电子镶嵌其中。有人形象地称其为“枣糕模型”或“葡萄干布丁模型”。 J.J.汤姆孙的模型能够解释一些实验事实。 但是不久就被新的实验事实所否定。 1909-1911年，英国物理学家卢瑟福指导他的助手进行了α粒子散射实验。 整个实验在真空环境下进行。 高速的α粒子束垂直射到很薄的金箔上， 由于受到金原子中带电微粒的库仑力作 用，一些α粒子通过金箔后必然会改变 原来的运动方向，产生偏转。 散射后的α粒子打在荧光屏上产生闪光，通过显微镜可以观察到这一现象。 实验结果： 绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进， 少数α粒子发生了较大的偏转， 有极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至达到180°。 α粒子在飞行过程中碰到电子，其运动情况会发生什么变化？ 设α粒子以速度v与电子发生弹性正碰，为简化讨论，假定电子原来是静止的。由于α粒子的质量远大于电子的质量，原子中的电子不可能使α粒子发生大角度的偏转。 那么，为什么α粒子会出现大角度偏转呢？ 卢瑟福认为，α粒子一定是受到原子内部正电荷产生的极强的电场斥力作用，运动方向才会发生如此大的改变，只有原子中的正电荷全部都集中在原子中心的一个很小的区域上，才有可能产生这种现象。 1911年，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。原子的中心有一个带正电的很小的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕原子核旋转。原子半径的数量级大约是10-10m，而原子核半径的数量级为10-15~ 10-14m ，仅相当于原子半径的万分之一。 形象地说，假设原子像足球场那么宽阔， 原子核只相当于一个硬币大小，可见原 子内部是多么“空旷”。 在α粒子散射实验中，大多数α粒子都是“侵入”原子核和电子之间的空间里，它们受到的库仑力很小，运动方向的改变也就很小。当极少数α粒子非常接近金原子核时，它们之间强烈的斥力就迫使α粒子发生较大的偏转，甚至被弹回，如图所示。 例1.(多选)如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置. 下列关于该实验的描述正确的是（ ） A．α粒子轰击金箔的实验需在真空条件下完成 B．该实验揭示了原子有复杂的核式结构 C．实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转 D．该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性 AB 解析：α粒子轰击金箔的实验需在真空条件下完成，故A正确； α粒子的散射实验揭示了原子具有复杂的核式结构，卢瑟福提出了原子核式结构模型，同时否定了汤姆孙原子模型，故B正确，D错误； 实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，故C错误． 例2．一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级．该氢原子（ ） A．辐射光子，能量增加 B．辐射光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加 D．吸收光子，能量减少 解析：根据玻尔的原子理论，氢原子从高能级(n＝3)跃迁到低能级(n＝2)时，辐射一定频率的光子，氢原子能量减少，光子的能量由这两种定态的能级差决定．故B正确． B 二、氢原子光谱 原子核式结构模型成功解释了α粒子散射实验，但对原子光谱的解释却出现了问题。 某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，这种光谱被称为原子光谱。 原子光谱是了解原子结构最重要的直接证据。 观察与思考：在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2~3 kV的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下发光，通过分光镜可观察到氢原子的光谱.氢原子的光谱具有怎样的特点呢？ 现象： 按照经典物理学的观点，核外电子带有电荷，运动中要辐射电磁波。 电子损失了能量，它的轨道半径会不断变小，最终落在原子核上。 由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率也会连续变化。 但事实上原子是稳定的，由实验得到的氢原子光谱是分立的。 氢原子光谱为什么是这样的？ 三、原子的能级结构 丹麦物理学家玻尔在普朗克、爱因斯坦量子概念的启发下提出： 电子绕原子核运动的轨道半径是分立的，电子只能在某些特定的轨道上运动。当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。这些分立的能量值被称为原子的能级。原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁。 处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁，并且在这个过程中辐射光子。 假定原子在跃迁前后的能级分别为和，根据能量守恒定律，并结合爱因斯坦的光量子学说，可以得到辐射出光子的能量为 反之，原子吸收了特定频率的光子，或者通过其他途径（如受到高速电子的轰击）获得能量时，便可以从低能级向高能级跃迁，同样也遵循上述的规律。 每条横线代表一个能级，两条横线间的距离表示能级的间隔，即能量差。在正常状态下，氢原子处于最低的能级E1(n=1)，这个最低能级对应的状态称为基态。 选取电子处于无穷远处时 氢原子的能量为零，则氢 原子各能级的能量为负值， 其中，氢原子在基态时的 能量为-13.6eV。 氢原子的能级示意图 当电子受到外界激发时，可从外界吸收能量，并从基态跃迁到较高的能级E2，E3，…上，这些能级对应的状态称为激发态。 处于激发态的氢原子是不稳定的。它会向较低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子形式向外辐射，这就是氢原子具有分立光谱的原因。辐射出的光子的能量等于两能级间的能量差。 根据氢原子的能级图可以推知，一群量子数为n的氢原子最后跃迁到基态时，可能发出的不同频率的光谱线条数可用N＝＝计算。 玻尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律，是原子结构理论发展中的一个重大进展，但对于稍微复杂一点的原子， 例如氦原子，就无法解释它的光谱现象。 玻尔理论的局限性主要在于其保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍然看做为经典理论下的轨道运动。 我们知道，波粒二象性是包括电子在内的一切微观粒子的共同特征。对于电子的运动，我们只能用概率波对其作统计性的描述。当原子处于不同的状态时，电子在原子核周围各处出现的概率不同。 氢原子处于基态时的电子云若用疏密不同的点表示电子在各处出现的概率，这样画出的概率分布图称为电子云。 例3.(多选)关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是（ ） A.用波长为60 nm的X射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子 B.用能量为10.2 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态 C.用能量为11.0 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态 D.用动能为12.5 eV的电子撞击氢原子，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态 ABD 解析：波长为60 nm的X射线，光子能量E＝h＝3.32×10－18 J＝20.75 eV 氢原子电离能：ΔE＝0－(－13.6)eV＝13.6 eV<E＝20.75 eV所以可使氢原子电离，A项正确； 据hν＝Em－En得，Em1＝hν＋E1＝10.2 eV＋(－13.6)eV＝－3.4 eV， Em2＝11.0 eV＋(－13.6)eV＝－2.6 eV．只有Em1＝－3.4 eV对应n＝2的状态，因电子绕核运动时，吸收光子只能吸收能量恰好为两能级差的光子，所以只有能量为10.2 eV的光子可使氢原子从基态跃迁到激发态，B项正确；电子的动能大于10.2 eV，因此与处于基态的氢原子撞击时，可以使氢原子吸收10.2 eV的能量跃迁到第二能级态，故D正确． 例4.(多选)如图为氢原子能级示意图，则氢原子（ ） A．从n＝4能级跃迁到n＝3能级比从n＝3能级 跃迁到n＝2能级辐射出电磁波的波长长 B．从n＝5能级跃迁到n＝1能级比从n＝5能级 跃迁到n＝4能级辐射出电磁波的速度大 C．处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是不一样的 D．处于n＝5能级的一群原子跃迁时，最多可以发出6种不同频率的光子 AC 解析：根据ΔE＝hν，ν＝，可知λ＝＝ ，从n＝4能级跃迁到n＝3能级比从n＝3能级跃迁到n＝2能级放出能量小，所以从n＝4能级跃迁到n＝3能级比从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出电磁波的波长长，选项A正确；电磁波的速度是光速，与电磁波的波长、频率无关，选项B错误；处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率不相同，C正确；处于n＝5能级的一群原子跃迁时，最多可以发出C＝10种不同频率的光子，D项错误．] $$