4.3 原子的核式结构模型 课件 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第四章 原子结构 第三节 原子的核式结构 朴素的原子论 德国物理学家J.普吕克尔在1858年利用高压气体放电管研究气体放电时发现 ：从低压气体放电管阴极发出一种射线。 阴极射线 1876年，戈德斯坦的研究——阴极射线 1、玻璃管，内装极其稀薄的气体。 2、电极，接上高压电源的负极的一端称“阴极”，另一端则称为“阳极或对阴极” 3、现象: 接通高压电源后，从阴极发出一种射线，撞在荧光板上发光，并在挡板后留下阴影。 电子发现的前夜 阴极射线 Cathode ray J.J 汤姆孙 J.J Thomson 1857 ～ 1940 英国 赫兹 H.Rudolf Hertz 1857 ～ 1894 德国 认为阴极射线是一种“电磁波” 认为阴极射线是一种“高速粒子流” PK 我看到的是： 1、阴极射线子能穿透薄铝片，是因为电磁波的衍射；而当时已知最小的粒子——原子无法做到。 2、施加一个垂直于射线的电场，阴极射线未发生偏转，因此不带电。 别急，别急: 让我们一起来好好想想…… 对阴极射线本性的研究形成了： 德国学派的电磁波说 英国学派的微粒说 波动学派 微粒学派 （实物展示,介绍仪器） 下面我们先给大家介绍下一个很好玩的玻璃管： 1、玻璃管，内装极其稀薄的气体。 2、电极，接上高压电源的负极的一端称“阴极”，另一端则称为“阳极或对阴极” 3、演示: 接通高压电源后，从阴极会射出一种射线，撞在荧光板上发光，出现一条光带 这种射线最早是1858年由德国物理学家普吕克尔 J. Plucker 发现的，1876年另一位物理学家戈德斯坦E.Goldstein 命名其为 “阴极射线”吧 当时，对阴极射线的本质，也就是说，阴极射线到底是什么 这个问题，存在着泾渭分明的两种观点： 一种是以德国物理学家 赫兹 为代表，认为阴极射线是一种 “电磁波” 另一种是以英国的 J.J汤姆孙为代表，认为阴极射线是一种“高速粒子流” 很显然，一场科学的PK在所难免… [教师] 赫兹当时的主要证据有两点： A、他做过实验，看到阴极射线在电场中不偏转，由此判定不带电 B、他发现阴极射线能穿透薄铝片，当时认为没有比原子更小的粒子了，所以粒子是做不到的，只有波才可以。 [教师设疑提问]：相反，如果你是汤姆生的支持者，你觉得你必须证明那些事实，才能说服赫兹，才能在这场科学PK中获得成功？ <学生>带不带电、带什么样的电、带多少电荷量、质量有多大、速度有多大、动量、动能，等等。 今天，让我们一起重温100多年前，J.J 汤姆孙走过的艰难的、充满挑战却又充满发现乐趣的科学探索之路…. 我看到的是： 1、电磁波能穿透薄铝片 最小原子粒子是做不到的，所以挡片出现阴影 2、电场中不偏转，因此不带电 阴极射线 Cathode ray J.J 汤姆孙 J.J Thomson 1857 ～ 1940 英国 赫兹 H.Rudolf Hertz 1857 ～ 1894 德国 认为阴极射线是一种“电磁波” 认为阴极射线是一种“高速粒子流” PK 对阴极射线本性的研究形成了： 德国学派的电磁波说 英国学派的微粒说 构成阴极射线的微粒比原子还小 KO （实物展示,介绍仪器） 下面我们先给大家介绍下一个很好玩的玻璃管： 1、玻璃管，内装极其稀薄的气体。 2、电极，接上高压电源的负极的一端称“阴极”，另一端则称为“阳极或对阴极” 3、演示: 接通高压电源后，从阴极会射出一种射线，撞在荧光板上发光，出现一条光带 这种射线最早是1858年由德国物理学家普吕克尔 J. Plucker 发现的，1876年另一位物理学家戈德斯坦E.Goldstein 命名其为 “阴极射线”吧 当时，对阴极射线的本质，也就是说，阴极射线到底是什么 这个问题，存在着泾渭分明的两种观点： 一种是以德国物理学家 赫兹 为代表，认为阴极射线是一种 “电磁波” 另一种是以英国的 J.J汤姆孙为代表，认为阴极射线是一种“高速粒子流” 很显然，一场科学的PK在所难免… [教师] 赫兹当时的主要证据有两点： A、他做过实验，看到阴极射线在电场中不偏转，由此判定不带电 B、他发现阴极射线能穿透薄铝片，当时认为没有比原子更小的粒子了，所以粒子是做不到的，只有波才可以。 [教师设疑提问]：相反，如果你是汤姆生的支持者，你觉得你必须证明那些事实，才能说服赫兹，才能在这场科学PK中获得成功？ <学生>带不带电、带什么样的电、带多少电荷量、质量有多大、速度有多大、动量、动能，等等。 今天，让我们一起重温100多年前，J.J 汤姆孙走过的艰难的、充满挑战却又充满发现乐趣的科学探索之路…. 我看到的是： 1、电磁波能穿透薄铝片 最小原子粒子是做不到的，所以挡片出现阴影 2、电场中不偏转，因此不带电 阴极射线 Cathode ray J.J 汤姆孙 J.J Thomson 1857 ～ 1940 英国 赫兹 H.Rudolf Hertz 1857 ～ 1894 德国 认为阴极射线是一种“电磁波” 认为阴极射线是一种“高速粒子流” PK 对阴极射线本性的研究形成了： 德国学派的电磁波说 英国学派的微粒说 KO 玻璃管内真空度不高；全真空偏转了。 KO （实物展示,介绍仪器） 下面我们先给大家介绍下一个很好玩的玻璃管： 1、玻璃管，内装极其稀薄的气体。 2、电极，接上高压电源的负极的一端称“阴极”，另一端则称为“阳极或对阴极” 3、演示: 接通高压电源后，从阴极会射出一种射线，撞在荧光板上发光，出现一条光带 这种射线最早是1858年由德国物理学家普吕克尔 J. Plucker 发现的，1876年另一位物理学家戈德斯坦E.Goldstein 命名其为 “阴极射线”吧 当时，对阴极射线的本质，也就是说，阴极射线到底是什么 这个问题，存在着泾渭分明的两种观点： 一种是以德国物理学家 赫兹 为代表，认为阴极射线是一种 “电磁波” 另一种是以英国的 J.J汤姆孙为代表，认为阴极射线是一种“高速粒子流” 很显然，一场科学的PK在所难免… [教师] 赫兹当时的主要证据有两点： A、他做过实验，看到阴极射线在电场中不偏转，由此判定不带电 B、他发现阴极射线能穿透薄铝片，当时认为没有比原子更小的粒子了，所以粒子是做不到的，只有波才可以。 [教师设疑提问]：相反，如果你是汤姆生的支持者，你觉得你必须证明那些事实，才能说服赫兹，才能在这场科学PK中获得成功？ <学生>带不带电、带什么样的电、带多少电荷量、质量有多大、速度有多大、动量、动能，等等。 今天，让我们一起重温100多年前，J.J 汤姆孙走过的艰难的、充满挑战却又充满发现乐趣的科学探索之路…. 阴极射线 Cathode ray J.J 汤姆孙 J.J Thomson 1857 ～ 1940 英国 赫兹 H.Rudolf Hertz 1857 ～ 1894 德国 认为阴极射线是一种“电磁波” 认为阴极射线是一种“高速粒子流” 我用实验证明了: 速度远小于电磁波传播速度 带负电，且电荷量与质子相同 质量是最轻的原子H的 1/1837 左右 WIN 我看到的是： 1、电磁波能穿透薄铝片 最小原子粒子是做不到的，所以挡片出现阴影 2、电场中不偏转，因此不带电 很显然，在赫兹与汤姆孙的科学PK中，汤姆生大获全胜 可是，我们又应如何解释在最初的时候，赫兹所提到的两个认为阴极射线是电磁波的证据呢？ 1、赫兹在发现阴极射线在电场中不偏转的实验，事实上汤姆孙也做过。但是赫兹就此打住，认为这对自己的电磁说是一种支持，于是不再往下追究。而汤姆生则进一步研究，终于发现是因为管中的真空度不高，气体不够稀薄而引起的。这种穷追不舍的探索精神和深入细致的分析，是值得我们学习的。 2、至于阴极射线穿透了薄铝片，赫兹被固有的成见： 原子是物质世界最小的粒子 所牵伴，从没想过还有比原子更小的粒子存在！ 而汤姆生不迷信已有的结论，通过大量实验证实这是一种比最小的原子还小很多的微粒，从而发现了原子中电子的存在！ 7 正离子的轰击 紫外线照射 放射性物质 阴极射线 光电流 β射线 电子 金属受热 热离子流 英国物理学家J.J.汤姆孙自1890年起开始，对阴极射线进行了一系列的实验研究。发现：用不同材料做阴极，所得比荷皆相同。故他认为阴极射线是构成各种物质的共有成分，命名为——电子。 再后来，更多的物理学家分别对正离子轰击产生的阴极射线，金属受热产生的热离子流，紫外线照射产生的光电流，放射性物质产生的B射线进行研究 也都在它们之中发现相同的成份，证实它们本质上都是电子流 可见电子是普遍存在于自然界的物质之中的，是组成原子的重要组成部分。 8 J.J 汤姆孙(英国) 1857 ～ 1940 1889年4月30日，J.J.汤姆孙正式宣布发现电子; 电子的发现，结束了关于阴极射线本质的争论; 从此，人类意识到，原子并不是组成物质的最小单位，探索原子结构的序幕由此拉开…… 由于J.J.汤姆生的杰出贡献，1906年他获得诺贝尔物理学奖。 照屏幕读…… 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B 速度选择器 V qE qVB E ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － D C 问题2：阴极射线中带电粒子的比荷？ 1、有什么方法可以控制或者改变带电粒子的运动轨迹从而进行研究？ 2、怎么确定带电粒子的初速度？以前是否认识过相关的仪器？ 《介绍工作原理》 1、在阴极射线行进的路上，平行放置一对金属板，假如我们加上电压后，使上板带负电，下板带正电，那么，就会形成一个向上的电场 这时，飞过来的阴极射线粒子会受到电场力，这个电场力向哪个方向？ （向下，因为负电荷受力与电场强度方向相反，动画） 2、我们再在这个空间加一个垂直黑板面向外的磁场，带电粒子受到的洛伦兹力向哪个方向? （再次复习左手定则） 3、调节E和B合适，可以让qvB=qE，则可以得到v=E/B 这样，我们把V求出来了，接下来，我们要想办法得到带电粒子在磁场中偏转的半径r ,请大家注意观察我们简化的模型。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B 1、带电粒子 在磁场中偏转模型 V L qVB O r 磁偏转模型的原理 只存在磁场的情况下，偏转圆弧为圆周运动一部分，出磁场后成匀速直线运动 根据有关几何知识，我们一定是可以求出带电粒子圆周运动的半径r的。 测得射出磁场时速度偏角为θ θ θ 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 1 <讲解>磁偏转模型的原理 1、只存在磁场的情况下，偏转圆弧为圆周运动一部分，出磁场后成匀速直线运动 根据有关几何知识，我们一定是可以求出带电粒子圆周运动的半径r的。 2、假如将磁感应强度 B ↑，则 r ↓，直到粒子束恰好消失。 3、勾股定理 即可得结果 <总结 转换> 我们刚才通过研究带电粒子在磁场中的偏转，测得了阴极射线带电粒子的比荷 那么，我们能不能换个思路，换个方法，研究带电粒子在电场中的偏转从而得到关于带电粒子的比荷呢？ 例.在汤姆孙测量阴极射线比荷的实验中，采用了如图所示的阴极射线管，从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑．若在D、G间加上方向向下，场强为E的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画)，荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，阴极射线向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：(1)说明阴极射线的电性； (2)说明图中磁场沿什么方向； (3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷． (1)说明阴极射线的电性 分析：射线向上偏，电场力向上，与电场线方向反，则射线带负电。 (2)说明图中磁场沿什么方向 分析：再加上磁场，射线回到原位，则洛伦兹力向下，由左手定则，磁场垂直纸面向里。 (3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷 2、带电粒子在电场中的偏转模型 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ V qE Y D L － － － － － － － － E d O θ Y,L,E,D,d可测 1、《学生探究》推导出 y 的表达式，再推导y与Y之间的关系 <学生活动约3分钟> <指定学生发言，上黑板交流方案> 1、分析偏转为类平抛，写出类平抛表达式（板书草演） <教师为主引导分析> 2、引导分析y是不易直接测量的,而Y则是可直接测量的，如何从Y得到y ? 3、进一步讨论 , E↑，y↑ ,直至刚好消失，即令 y=d/2 即可方便求得结果 2、《总结并板书》比荷的测定 刚才我们通过研究带电粒子在磁场和电场的偏转，得到了比荷的表述式。汤姆孙也通过方法和原理类似的实验测定了阴极射线中带电微粒的比荷。 然而结果令他大吃一惊 <板书> q/m 约为 q/m(氢离子)的2000倍 汤姆生猜测这有两种可能 1、m差不多的话，q是氢离子的近两千倍… 2、q差不多的话，m是氢离子的近两千分之一… 经汤姆生大量实验测定，尽管限于当时条件与技术，很不精确，但足以证明，这种带电微粒的电荷量与氢离子相当，可见其质量远小于氢离子。 《总结》比荷的测定 通过研究带电粒子在磁场和电场的偏转，得到了比荷的表述式。汤姆孙也通过方法和原理类似的实验测定了阴极射线中带电微粒的比荷。 汤姆孙猜测有两种可能： 1、m差不多的话，q是氢离子的近两千倍… 2、q差不多的话，m是氢离子的近两千分之一… 密立根油滴实验 密立根 (美国) Robert A.Millikan 1868年～1953年 密立根油滴实验（测出了电子的电量） 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 比较精确地测量了阴极射线微粒的带电量的人，是一个叫“密立根”的美国人于1910年测定的。 他通过密立根油滴实验，精确的测得了这种带电微粒的电量是： 由其比荷，进一步得到它的质量是: 例2.电子所带电量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的．他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都等于某个最小电量的整数倍．这个最小电量就是电子所带的电量．密立根实验的原理如图所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电，B板带负电．从喷雾器嘴喷出的小油滴，落到A、B两板之间的电场中．小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可使小油滴受到的电场力和重力平衡．已知小油滴静止处的电场强度是1.92×105 N/C，油滴半径是1.64×10－4 cm，油的密度是0.851 g/cm3，求油滴所带的电量，这个电量是电子电量的多少倍？ 密立根油滴实验的原理图 1.电子的电量：e=1.6x10-19C 根据比荷确定了电子的质量： 2.电子的质量：m是氢离子的近两千分之一 密立根油滴实验的原理图 原始的原子：a（不）tom（可分割的） 现实的原子：可继续分割为电子+ 思考： 原子的结构？ 2020太原市二模试题 电子是原子的组成部分，由于电子是带负电的，而原子又是中性的，因此推断出原子中还有带正电的物质，几乎占有原子的全部质量。 me=9.109×10-31Kg e=1.602×10-19C 历史回顾 J.J.汤姆孙，1857-1940，英国物理学家，电子的发现者。 因通过气体电传导性的研究，测出电子的电荷与质量的比值，1906年获诺贝尔物理学奖。 思考：那么，这两种物质是怎样构成原子的呢？ JACK (J) - 应追授汤姆孙同志为优秀的共产主义者，以表彰他的“质量均分”理论——正电部分质量占比大，所以体积大。 但是原子内部的密度其实并不均匀，就像世界的财富分配满足“二八定律”。 电子 正电荷 原子是一个球体，正电部分弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中，所以又被人们称为“西瓜模型”或“枣糕模型”或“布丁模型”。 电子等间隔地排列在与正电球同心的圆周上，并以一定的速度做圆周运动。 一.汤姆孙的原子模型 问题1、简述汤姆孙的原子模型？ JACK (J) - 正电部分是瓜瓤，负电部分是瓜子。瓜瓤大，瓜子小，谁吃西瓜是为了吃瓜子呢？ 以汤姆孙为首的英国剑桥学派，在原子物理学上所取得的这些惊人成就，使欧洲大陆上的物理学家都拜倒在他们的脚下。他的学生卢瑟福也接受了汤姆孙的原子模型，1909年卢瑟福建议其学生兼助手盖革和马斯顿用α粒子轰击金箔去验证汤姆孙原子模型。 让我们来认识一下卢瑟福吧！ 从经典物理学的角度看，汤姆孙的模型是很成功的。 解释原子是电中性的，电子在原子里是怎样分布的，解释原子为什么会发光，能估计出原子的大小约为一亿分之一厘米。 问题2、汤姆孙的原子模型可以解释哪些现象？ qinli (q) - 盖革计数器 admin (a) - 历史上四大最成功的“失败的实验”： 1、迈克尔逊莫雷实验； 2、α粒子散射实验； 3、密立根证明“光电效应”是错误的实 验； 4、永动机的证明实验。 JACK (J) - 春秋笔法 1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生。提出原子结构的核式模型，为原子结构的研究做出很大的贡献。 1898年，在汤姆孙的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教授。 1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任。 1919年接替退休的汤姆孙，担任卡文迪许实验室主任。 1925年当选为英国皇家学会主席。1931年受封为纳尔逊男爵。 1937年10月19日因病在剑桥逝世，与牛顿和法拉第并排安葬，享年66岁。 欧内斯特·卢瑟福 1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭。并在新西兰长大。他进入新西兰的坎特伯雷学院学习。 23岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）。 科学成就 　1、他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。为开辟原子物理学做了开创性的工作。 　2、1909年起，卢瑟福根据a粒子散射试验现象提出原子核式结构模型。把原子结构的研究引上了正确的轨道，被誉为原子物理学之父。 3、1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验，从而发现了质子。 　　 4、用粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应实现人工核反应，成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。 桃李满天下 在卢瑟福的悉心培养下，他的学生和助手有多人获得了诺贝尔奖金： 1921年，卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖； 1922年，卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖； 1922年，卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖； 1927年，卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖； 1935年，卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖； 1948年，卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖； 1951年，卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿，共同获得诺贝尔物理奖； 1978年，卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。 　　 二. α粒子散射实验 1.实验装置 放射源——放射性元素钋（Po）放出α粒子，α粒子是氦核，带2e正电荷，质量是氢原子的4倍，电子的7300倍，具有较大的动能。速度达107m/s。 金箔——作为靶子，厚度1μm, 重叠了3000层左右的金原子。 荧光屏——α粒子打在上面发出微弱的闪光。 放大镜——通过放大镜观察闪光，且可360°转动观察不同角度α粒子的到达情况。 问题3、 α粒子散射实验的实验装置 及各部分的作用？实验条件？ 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 问题4、 α粒子散射实验的为什么用金箔、铂箔等重金属箔，而不用轻金属箔，如铝箔？ 金、铂等重金属的原子的质量比α粒子大得多， α粒子不会使金原子核发生明显的运动（动量守恒：M1<<M2） 粒子加速器撞击原子分析原子结构就像把钢琴从楼上扔下去，通过听清脆的声音分辨元件一样 qinli (q) - 科技黑箱 问题5：如果原子的结构确实如汤姆孙所假设的西瓜模型，用α粒子轰击原子应得到怎样的结果？ 根据汤姆孙模型计算的结果：电子质量很小，对α 粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正电荷均匀分布，α 粒子所受库仑力也很小，且越靠近原子核受力越小（受力均匀抵消）。故α 粒子偏转角度不会很大． 二. α粒子散射实验 2.实验现象 绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进， 少数α粒子（约占8000分之一）发生了较大的偏转， 极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至几乎被撞了回来。 问题6、 实际的实验结果是如何的? 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 qinli (q) - 卢瑟福：“就像一枚十五英寸的子弹打在一张纸上又被弹了回来”。 卢瑟福思考 1微米厚的金箔内含3000层原子层，绝大多数α粒子穿过金箔仍沿原方向前进说明什么？ 少数α粒子的大角度偏转甚至反弹是怎么造成的？ 二. α粒子散射实验 3.实验分析 问题7、 分析实验结果得到怎样的原子模型? qinli (q) - 吾爱吾师，吾尤爱真理！ 1.在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核． 2.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里． 3.带负电的电子在核外空间绕着核旋转． 三. 原子的核式结构的提出 1. 原子的核式结构模型 为什么？ α粒子穿过原子时，电子对α粒子运动的影响很小，影响α粒子运动的主要是带正电的原子核。 而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，只有极少数α粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑斥力，才会发生大角度的偏转 。 三. 原子的核式结构的提出 2. 对α粒子散射实验现象解释 问题8、 如何解释实验现象? qinli (q) - 行星模型 盖革计数器问题 球体点电荷场强问题 α粒子能量变化 引力场 原子核的组成 1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核，得到了质子，进而猜想原子核内存在不带电的中子，这一猜想被他的学生查德威克用实验证实，并得到公认． 质子 中子 核子 质子数 原子核的电荷数 拓展 根据卢瑟福的原子核式模型和α粒子散射的实验数据，可以推算出各种元素原子核的电荷数，还可以估计出原子核的大小。 （1）原子核的尺度：原子的半径约为10-10m（1埃米）、原子核半径约是10-15m，原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一。 （2）原子核的电荷： 原子核的电荷数： 电荷数（Z）=质子数=核外电子数=原子序数 原子核的质量数： 质量数（A）=核子数=质子数+中子数 四.原子核的电荷与尺度 根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分“空虚”的，举一个简单的例子：露珠和体育场 体育场 原子(1埃米） 原子核（1飞米） 四.原子核的电荷与尺度 光经过太阳需要4秒钟，经过下一颗恒星需要4年 原子核的尺度为1飞米，原子的尺度为1埃米 JACK (J) - 一花一世界：大千世界,色即是空。 － 成功解释了粒子散射实验, 为人类认识原子结构增添了光辉的一页。 －正确地回答了原子的组成问题； 【卢瑟福有核原子模型的优越性】 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 第四章 原子结构 第四节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱。 JACK (J) - 光线的“条形码”，记录着光线信息 。 一、光 谱 光谱是电磁辐射(不论是在可见光区域还是在不可见光区域)的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。 1. 发射光谱 分类：发射光谱可分为两类：连续光谱和线状光谱。 定义：物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。 qinli (q) - 宏观物质：连续谱； 分子：带状谱； 原子：线状谱。 合理外推的过程。 (1) 连续光谱 连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。 例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。 qinli (q) - 各种原子的集合体。 (2) 线状光谱（明线光谱）（原子光谱） 只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。线状光 谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。稀薄气体 或金属的蒸气的发射光谱是线状光谱。 线状光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子的 光谱。 实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原 子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此线状光谱的 谱线也叫原子的特征谱线。 qinli (q) - 如：酒精蒸汽和金属单质气体都是游离的原子。 qinli (q) - 特异性蛋白。 qinli (q) - 夫琅禾费是一名非常有名的玻璃工匠，并不是一个理论物理学家，他做了一个折射率很高的棱镜，在做牛顿的分光实验时出现了很宽的光谱，从而在颜色的交界区发现出现了一些暗线，和煤油灯的发射光谱刚好对上，这让他百思不得其解，但这一现象引起了广大科学家的关注。 2、吸收光谱 现象：光谱区域存在一条条暗线 高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过低温物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。 2. 吸收光谱 高温物体发出的白光(其中包含连续分布的一切波长的 光)通过低温物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。 各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的 原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体 原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因 此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光 谱是吸收光谱。 JACK (J) - 满汉全席挑了哪些吃，就是皇帝爱吃那几道菜。 从学生身边一过，少了一袋方便面，说明什么？他爱吃方便面。 admin (a) - 光电效应吸收的谱线。 连续光谱 H 的发射光谱 Na 的发射光谱 Na 的吸收光谱 太阳的光谱 说明： 1、各种原子的发射光谱都是线状光谱，说明原子只发出几种特定频率的光。 2、不同原子的亮线位置（谱线）不同，说明不同原子的发光频率不同。因此线状光谱的谱线被称为原子的特征谱线。 3、各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱（线状光谱）中的一条明线相对应。 吸收光谱也是原子的特征谱线 太阳光谱是吸收光谱 qinli (q) - 暗线：夫琅禾费线。 3. 光谱分析 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。 原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定物质的化学组成。这种方法叫做光谱分析。 光是原子内部电子的运动产生的，原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。 实例：利用太阳光的吸收光谱可以研究太阳高层大气层所含元素。 优点：灵敏度高。样本中一种元素的含量达到10-10g时就可以被检测到 qinli (q) - 氟利昂，臭氧空洞。 qinli (q) - 低温物质。 admin (a) - 夫琅禾费是一名非常有名的玻璃工匠，并不是一个理论物理学家，他做了一个折射率很高的棱镜，在做牛顿的分光实验时出现了很宽的光谱，从而在颜色的交界区发现出现了一些暗线，和煤油灯的发射光谱刚好对上，这让他百思不得其解，但这一现象引起了广大科学家的关注。 氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。 二、氢原子光谱 巴耳末公式： 里德伯常量 1885年,巴耳末对当时已知的,在可见光区的4条谱线作了分析,发现这些谱线的波长可以用一个公式表示： n的两层含义： 第一：每一个n值分别对应一条谱线。（1n1线） 第二：n只能取正整数3，4，5······，不能取连续值，反映了原子光谱波长的分立特性（线状光谱）。 除了巴耳末系,后来发现的氢光谱在红外和紫外光 区的其它谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 JACK (J) - 瑞士的一名中学物理教师。 巴末耳公式 N > 6 的符合巴耳末公式的光谱线（大部分在紫外区） 巴耳末系 人们把一系列符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系 适用区域： 可见光区 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 JACK (J) - 紫外光区：帕邢系； 红外光区：赖曼系。 卢瑟福所提出的原子核式结构是什么？ 电子在核的周围怎样运动？连续/不连续？ 它的能量怎样变化？持续变化/满足一定条件？ ⑴原子的中心有一个带正电的原子核。 ⑵它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量。 ⑶电子在核外空间运动。 电子轨道半径连续变小 原子不稳定 辐射电磁波频率连续变化 原子是稳定的 原子光谱是线状谱 —— 分立 核外电子绕核运动 辐射电磁波 原子塌缩 光谱连续 1、 按经典物理学电子绕核旋转，做变速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。但事实上原子是个稳定的系统。 2、 轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的， 原子光谱应是连续的光谱。而实际上看到的是分立的线状谱。 卢瑟福原子核式模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验。但是，经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。 三、经典理论的困难 JACK (J) - 科学总是从错误走向新的错误，呈螺旋形上升。“否定之否定原理”。 玻尔的原子模型理论的主要内容 （1）玻尔理论的基础及实验依据： 在卢瑟福核式结构学说的基础上（经典电磁学） 普朗克的量子理论：E=hv（量子） 光谱学，特别是氢光谱实验中测得的各种数据。 （实验事实） 　　 qinli (q) - 新旧理论的混搭。 （2）三个条件 定态条件——能级假设 　　原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。 频率条件——跃迁假设 　　原子从一种定态（设能量为E2）跃迁到另一种定态（设能量为E1）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定，即hv=E2-E1 qinli (q) - 驻态：未发生实质性的跃迁。 qinli (q) - 量子数的变化 qinli (q) - 回旋加速器没有必要做的半径巨大，以减小加速度。 qinli (q) - 让人难以理解的矛盾： 原子核对电子是有库仑力作用的，但为什么定态中这个电磁力失效了呢？ qinli (q) - 定态就是台阶，光子的能量就是ATP。 admin (a) - 1、火车在特定的轨道运行（定态条件）； 2、火车可以扳道岔变轨（跃迁条件） 能级 在玻尔模型中，原子的可能形态是不连续的，因此各定态对应的能量也是不连续的。这些能量值叫做能级。 能量最低的状态叫做基态，其他状态叫做激发态。 原子处于基态时最稳定，处于较高能级时会自发地向较低能级跃迁。 qinli (q) - 1、焓减； 2、不确定性原理。（时间能量表述） qinli (q) - 不确定性原理 　　若E1>E2，则hv=E1-E2，它吸收一定频率的光子; 　　若E2>E1，则hv=E2-E1，它辐射能量，且能量以光子的形式辐射出去，即原子发光。 　　可见：原子的吸能和放能都不是任意的，而为某两个能级的能量差。所以原子的光谱为线状谱，且原子线状谱中的亮线和吸收谱中的暗线一一对应。 qinli (q) - 特征谱线。 JACK (J) - 一撸到底，反差萌能量大。 吸收光能，能级升高 放出光能，能级降低 轨道条件——轨道量子化假设 　　原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应,原子的定态是不连续的。因此电子的可能的轨道分布也是不连续的。 针对原子核式结构模型提出 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。即电子的轨道是量子化的。 玻尔原子理论的基本假设 轨道量子化 + 分立轨道 新课讲授 4、有关氢原子中电子运动的两个公式 　　玻尔在上述假设的基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，及计算出了氢的电子的各条可能轨道的半径和电子在各条轨道上运动时的能量(动能和势能)。 （1）轨道半径公式：rn =n2r1 n=1，2，3，…r1=0.53×10-10m代表第一条（即离核最近）可能轨道的半径。n是正整数，叫做量子数。 qinli (q) - r1：第一玻尔半径 qinli (q) - 轨道量子化 （2）能级公式： 　　 En=E1/n2,n=1,2,3…. 　　 E1=-13.6eV，是电子在第一条轨道上运动时的能量。 　　注意：原子的能量为电子的动能和电势能的总和，为负值。 qinli (q) - 能量量子化 JACK (J) - 电子与氢原子核： 化学——“结合能”； 物理——“逸出功”。 问题3、如何由轨道半径公式推导出能量公式？ 问题4、随着轨道半径的增大，原子的能量是增 大还是减小？电子的动能和电势能是增大还是 减小？ 即：大轨道对应大能量 高轨低速大势能 二、玻尔理论对氢光谱的能级解释 　 1．氢光谱的规律 　 1885年，瑞士的中学物理教师巴耳末研究了氢光谱在可见光区的四条谱线的波长之间的关系，得到了一个经验公式： 　　 1/λ=R(1/22-1/n2).n=3,4,5,6,….(其中里德伯常数R=1.097×107m-1) 巴耳末系 -13.6 eV -3.40 eV -1.51 eV -0.85 eV -0.54 eV 0 n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n= 问题：巴尔末公式有正整数 n 出现，这里我们也用正整数 n 来标志氢原子的能级。它们之间是否有某种关系？ 巴尔末公式： 上台阶，拾级而上 admin (a) - 胖子跳台阶，甩掉肉了。 解释： 　　当氢原子的电子从能量较高的轨道n跃迁到能量较低的轨道2时，辐射光子能量 hv=En-E2=E1/n2-E1/22=-E1（1/22-1/n2）而v=c/λ，所以 1/λ=- E1/hc（1/22-1/n2) 　　由此可知：氢原子光谱的巴耳末线系是电子从n=3，4，5，6等能级跃迁到n=2的能级时辐射出来的。 －－－－－－－－－ 1 2 3 4 5           0 n E/eV ∞ 赖曼系（紫外线） 巴耳末系（可见光） 帕邢系（红外线） 布喇开系 逢德系 N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 成功解释了氢光谱的所有谱线 + 85 85 研清微点　一群电子和一个电子　 研清微点　吸收光子与碰撞粒子　 氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子，已知基态的 氦离子能量为E1＝－54.4 eV，氦离子的能级示意图如图所示。在具 有下列能量的光子或者电子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁 的是 (　 ) A．42.8 eV(光子)　　　 B．43.2 eV(电子) C．41.0 eV(电子) D．54.4 eV(光子) 解析：入射光子使原子跃迁时，其能量应正好等于原子的两能级间的能量差，而电子使原子跃迁时，其能量大于等于原子两能级间的能量差即可，发生电离而使原子跃迁时入射光子的能量要大于等于54.4 eV，故选A。 答案：A　 JACK (J) - 光子和粒子: 光子：光能量是量子化的，非得吃完11碗，电子想饿着比撑死强！（严格相等） 粒子：可以通过非弹性碰撞，给电子转移部分能量，吃饱即可。（大于等于） 研清微点　自发跃迁与受激跃迁　 2023 太原市二模 各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量各异，因此利用不同气体可以制成五颜六色的霓虹灯。 霓虹灯营造出热闹的节日气氛 三、玻尔模型的局限性 玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，但是也有它的局限性 在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念 同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律 除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难 氦原子光谱 量子化条件的引进没有适当的理论解释 admin (a) - 玻尔氢原子论（旧量子论） 成功：解释了氢原子和类氢原子 （Na+） 光谱的稳定性（定态条 件）和 分立性（频率条件）。 失败：①类型局限——只能解释H原子 和类H原子光谱； ②逻辑混乱——融合了经典 的“粒子“概念和”量子 化“概念，玻尔的理论是一锅 大杂烩。 矛盾：难以理解库仑力为什么在核与电 子相互作用时是有效的，但是在 电子向外辐射电磁波时却失效了 卢瑟福的“非难”：卢瑟福表示不 服。“当电子从一个能级跳到另 一个能级时，必须假设电子事先 就知道往哪里跳。”这就造成逻 辑上的恶性循环，电子吸收多少 光子必须先知道要跳到哪个能 级，但他必须先去过这个能级才 能知道这件事，所以这是一个先 有鸡还是先有蛋的问题。好比应 届生要工作经验（参见 电影《明日的我与昨日的你约 会》，这部电影中描述了时间反 演的一对恋人各自在按时间线成 长（熵增大），全片的关键是男 主在未来递给过去的女主的日 记，女主按照日记的事件记载去 她的未来，男主的过去寻找男 主。并且告知男主即将经历的事 情。这注定是一场不完美的恋 爱，因为男女双方都在见证越来 越年轻，越来越陌生的对方。但 是二者并非渐行渐远，因为他们 的生命由于时空的定期交错已然 形成了一个因果关系的共同体， 彼此的决定都可以影响到对方的 未来。这部电影让我想到卢瑟福 的质疑的一种合理性解答：可能 在电子跃迁即将吸收光子能量的 一刹那，空间中诞生了一对相干 粒子，如物质（男主）和反物质 （女主），由于物理规律守恒的 本质是相应的对称性，这两对物 质的运动方向相反切在同步进 行，因此来自未来的反物质（女 主）可以与过去的男主（物质） 进行信息的交互，从而使男主 （电子）按照笔记本的内容（去哪 个能级跃迁）“重复”自己的生 活轨迹。这当中有很多可以 探讨 的问题：如男女主的状态是不是 一对纠缠中的量子？量子纠缠是 不是通过时空的扭曲实现的时间 反演信息交互？单电子双缝衍射 实验中电子的选择由何决定？哲 学中经典思辨：“莎士比亚穿越 到过去给自己一本《麦克白》抄 袭，那么《麦克白》应 该算是谁 写的呢？ 薛定谔的“质疑”：即著名的“糟透的 跃迁”。电子跃迁按相对论不可 能超光速，从一个定态出发，如 果尚未达到另一个定态时会处于 什么状态呢？ 汤姆孙发现电子 汤姆孙的西瓜模型 α 粒子散射实验 卢瑟福的核式结构模型 原子不可割 汤姆孙的西瓜模型 原子稳定性事实氢光谱实验 卢瑟福的核式结构模型 出现矛盾 ? 玻尔模型 复杂（氦）原子光谱 量子力学理论 玻尔模型 出现矛盾 原子结构的认识史 否 定 建 立 否 定 建 立 出现矛盾 否 定 建 立 否 定 建 立 怎样修改玻尔模型？ 思想：必须彻底放弃经典概念 关键：用电子云概念取代经典的轨道概念 电子在某处单位体积内出现的概率 — 电子云 建 立 科 学 模 型 提 出 科 学 假 说 观察与实验所获得的事实 JACK (J) - 不确定性原理： 1、位置不确定性原理：解释了原子稳定性； 2、能量不确定性原理：解释了基态稳定性。 电子云：解释了未卜先知和跃迁过程所处位置的问题。因为电子像云状弥散在整个原子之中，覆盖了所有可能的“轨道”，这样去往哪里需要吸收释放多少能量就是已知数了；它任意时刻的位置更是以概率的形式存在。 admin (a) - 西瓜模型：1.0； 核式结构：2.0； 玻尔氢原子模型：3.0； 量子力学：4.0 admin (a) - 物理学家和化学家相遇的地方——元素周期表。每个物理学家和化学家办公室都会挂一张。 孤单光量子 最伟大的理论 Lavf57.83.100 Lavf57.83.100 Lavf57.83.100 Lavf57.83.100 Lavf57.83.100 $$