第四章 原子结构和波粒二象性（知识清单）物理人教版选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性知识清单 第1节 普朗克黑体辐射理论 一、黑体与黑体辐射 1.黑体 概念：如果某种物体能够 入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 说明： ①黑体是一种 ，实际并不存在，但可以用某装置近似地代替。 如图，在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。 ②黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的。 有些可看成黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮，如太阳等一些发光物体也被当作黑体来处理。 2.黑体辐射 概念：黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射。 特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 有关。 3.一般物体与黑体的比较 二、黑体辐射的实验规律 1.黑体辐射的实验规律 ①温度一定时： 黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值； ②随着温度的升高： 一方面，各种波长的辐射强度都有增加； 另一方面，辐射强度的极大值向波长 的方向移动。 2.维恩和瑞利的理论解释 理论基础：依据热学和电磁学的知识寻找黑体辐射的理论解释。 维恩公式：在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离较大； 瑞利公式：在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。 三、能量子 1.能量子 概念：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一 的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 表达式： 其中是带电微粒的 ，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h为普朗克常量，常取 2.能量的量子化 在微观世界中，能量是 的，或者说微观粒子的能量是分立的。 物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。 在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化。在研究微观粒子时必须考虑能量 。 第2节光电效应 一、光电效应的实验规律 1.光电效应 照射到金属表面的光，能使 的现象称为光电效应。 研究光电效应的电路图 2.光电子 光电效应中发射出来的电子称为光电子。 3.光电效应的实验规律 ①存在截止频率：当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。 说明：截止频率与 有关，不同金属的截止频率不同。 ②存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。 说明：饱和光电流与 有关，与所加电压无关；但光电流再达到饱和之前会随着所加电压的增大而增大。 ③存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，称为遏止电压。且满足光电流与电压的关系 说明：遏止电压与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。 ④光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的。 说明：当入射光的频率 截止频率时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。 二、光电效应经典解释中的疑难 1.逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功， 叫作这种金属的逸出功，用W0表示。 说明：不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。 2.光电效应经典解释中的疑难 按照光的电磁理论，应该得出以下结论： ①不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 ②光照越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 ③光越强，光电子的初动能应该越大，遏止电压应该与光的强弱有关。 ④如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 以上除了②，其余结论都与实验结果相矛盾。光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家的思考。 三、爱因斯坦的光电效应理论 1.光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为，其中h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。 2.爱因斯坦光电效应理论 当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能，即 或 这就是爱因斯坦光电效应方程，其中Ek为光电子的最大初动能，即 3.对光电效应规律的解释 爱因斯坦光电效应方程表明： ①只有当 时，光电子才可以从金属中逸出。就是光电效应的截止频率。 ②对于同种颜色的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。 ③光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关，与光的强弱无关。所以遏止电压与光强无关。 ④电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎是瞬时产生的。 说明：入射光的强度，指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光强与光子数成正比，即单位时间内发射出来的电子数由 决定。 4.Uc与、W0的关系表达式 利用光电子的初动能Ek＝eUc和爱因斯坦光电效应方程可得Uc与ν、W0的关系为 分析可知，上式中的遏止电压与光的频率是线性关系，Uc-ν图像是一条斜率为 的倾斜直线。某金属的Uc-ν图像 四、康普顿效应和光子的动量 1.光的散射 光子在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫作光的散射。 2.康普顿效应 美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。 3.康普顿对这种效应的解释：光子不仅具有能量，而且具有动量。 光子的动量与光的波长和普朗克常量有关，关系式为： 在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能变小．因此，有些光子散射后波长变大。 光子既有能量也有动量 五、光的波粒二象性 光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有 ； 光电效应和康普顿效应表明光具有 ； 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 第3节 原子的合适结构模型 一、电子的发现 1.阴极射线 概念：阴极发出的一种射线，它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。 本质：带负电的粒子流。 2.汤姆孙对阴极射线的研究 英国物理学家J.J.汤姆孙使用气体放电管对阴极射线进行了一系列实验研究。 实验装置： J.J.汤姆孙气体放电管的示意图 KA部分：产生阴极射线。 AB部分：只让水平方向的阴极射线通过。 D1D2部分：加电场或磁场，用于检验阴极射线是否带电及带电性质。 带标尺的荧光屏P3P1P2：显示阴极射线到达荧光屏时的位置，对射线偏转作定量测定。 产生阴极射线的机理： 管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被电离，正电荷在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多粒子流，形成了阴极射线。 实验结论： J.J.汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。 J.J.汤姆孙进一步发现，用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。 组成阴极射线的粒子被称为电子。 3.电子的电荷量及电荷量子化 电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷e的值为e=1.60×10-19C.（保留三位有效数字） 由实验测得的比荷及e的数值，可以确定电子的质量为me=9.11×10-31kg（保留三位有效数字），质子质量与电子质量的比值为mp/me=1836. 密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。 4.发现电子的物理意义 电子的发现是物理学史上的重要事件。 汤姆孙研究发现：不论是由于正离子的轰击、紫外光的照射、金属受热还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒子——电子，说明电子是原子的组成部分。 而电子带负电，原子却呈现电中性，意味着原子中还有带正电的部分。人们由此认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。 二、原子的核式结构模型 1.汤姆孙原子模型 汤姆孙认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。 2.α粒子散射实验 实验目的：检验汤姆孙原子模型是否正确。 实验装置： 实验原理： 放射源发射的α粒子打到金箔时，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子的运动方向改变，也就是发生了α粒子的散射。通过可转动的显微镜统计散射到各个方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。 实验现象： ①绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。 ②少数α粒子发生了大角度偏转。 ③极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”。 实验解释： 由于电子质量只有α粒子质量的1/7300，所以电子对α粒子的影响完全可以忽略。因此α粒子偏转主要是具有原子的大部分质量的带正电部分造成的。 而按照汤姆孙原子模型，正电荷如果均匀分布在原子内，α粒子受力将近乎平衡，不会发生大角度的散射。 所以卢瑟福分析实验数据后认为：占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围。这样才能使α粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转。 实验意义： 卢瑟福通过α粒子散射实验否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型。 3.卢瑟福核式结构模型 卢瑟福设想，原子中带正电部分的体积 ，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。这个体积很小的正电体被称为 ，原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内，带负电的电子绕核运动。 核式结构对α粒子散射实验的解释： 由于原子核很小，原子内部空间很大，所以α粒子离核较远时，受核的斥力很小，运动方向改变很小，因此绝大多数α粒子不发生偏转。 当α粒子离核较近时，受核的斥力较大，发生偏转，少数α粒子发生大角度偏转。如果α粒子正对原子核，就会发生反弹。但因原子核很小，这种机会非常少。 α粒子散射图景 三、原子核的电荷与尺度 1.原子核的电荷数 各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。 2.原子核的组成 原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。 3.原子核的大小 通常用核半径描述核的大小。 对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为 ，而整个原子半径的数量级是10-10m，两者相差十万倍之多。可见原子内部是十分“空旷”的。 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 一、光谱 1.定义 用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长（频率）展开，获得波长（频率）和强度分布的记录，即光谱。光谱的形成 2.分类 ①发射光谱 定义： 。 发射光谱又分为 和 。 ②连续谱 谱线特点：是 的光带。 产生条件：炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。 ③线状谱 谱线特点： 。 产生条件：稀薄气体、金属蒸汽、原子的发射光谱是线状谱。 ④吸收光谱 定义： 叫作吸收光谱。 谱线特点：用分光镜观察时，连续谱背景上出现一些暗线。 3.特征谱线 气体中中性原子的发光光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。 不同元素的原子产生的线状谱是不同的，但同种元素原子产生的线状谱是相同的，这意味着某种物质的原子可用其线状谱加以鉴别，因此我们将这些亮线称为原子的特征谱线。 实验表明，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的线状谱中的一条亮线相对应，即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线。 4.太阳光谱 光谱特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱。 产生原因：太阳光中含有各种颜色的光，但当太阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，所以到达地球的这些谱线看起来就弱了，形成了明亮背景下的暗线。 5.光谱分析 利用 来鉴别物质和确定物质的组成成分的方法叫作光谱分析。 优点：灵敏度高。 缺点：有局限性且成本较高。 二、氢原子光谱的实验规律 原子内部电子的运动是原子发光的原因，所以光谱是探索原子结构的一条重要途径。以下是氢原子的光谱。 光谱显示：氢原子只能发出一系列特定波长的光，且相邻谱线间的距离从右往左越来越小，表现出一定的规律性。 1885年，瑞士科学家巴耳末对氢原子在可见光区的四条谱线进行分析，发现这些谱线的波长满足一个简单的公式，即 这个公式称为巴耳末公式，式中的n只能取整数，R∞叫作里德伯常量，实验测得的值为R∞=1.10×107m-1. 巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征。它确定的这一组谱线称为巴耳末系。 除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。 三、经典理论的困难 卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好的解释了粒子散射实验，但跟经典电磁理论发生了矛盾。主要体现在以下两点： 1.在解释原子的稳定性时遇到了困难 按照经典电磁理论，电子绕原子核高速运动应该向外辐射电磁波，电子能量减少，绕核运动的轨道半径也应减小，电子最终会坠落到原子核上，电子绕核转动这个系统应该是不稳定的。但实际上原子是个很稳定的系统。 2.在解释原子光谱的分立谱线时遇到了困难 按照经典电磁理论，电子辐射电磁波的频率就是它绕核转动的频率。随着电子轨道半径的不断变化，电子运动的频率也不断变化，原子辐射电磁波的频率也不断变化，所以大量原子发光的光谱应该是包含一切频率的连续光谱。但事实上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的分立的线状谱。 四、玻尔原子理论的基本假设 玻尔在1913年把微观世界中物理量取分立值的观念应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说。主要内容如下： 1.轨道量子化 ①原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律。 ②电子运行的轨道半径不是任意的，是量子化的。 ③电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的，不产生电磁辐射。 2.定态 ①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。 ②根据玻尔理论，电子只能在特定轨道上运动，所以原子的能量只能取一系列特定的值，即原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。 ③原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态（即电子在离核最近的轨道上运动时的能量状态）叫作基态，其他的状态（即电子在离核较远的轨道上运动时的能量状态）叫做作激发态。 3.频率条件 ①原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。 ②当电子从能量较高（能量记为Em）的定态轨道跃迁到能量较低（能量记为En,m>n）的定态轨道时，会放出能量为hv的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 这个式子称为频率条件，又称辐射条件。 反之，当电子吸收光子时会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。 五、玻尔理论对氢原子光谱的解释 1.氢原子能级图 能级图中，左侧的n是量子数，右侧的E代表氢原子的能量。 其中基态的能量最低，为E1=－13.6eV. 不同激发态的能量可表示为En=E1/n2. 处于基态的原子非常稳定。处于激发态的原子不稳定，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子，最终回到基态。 2.玻尔理论对氢光谱的解释 ①解释巴耳末公式 根据玻尔理论，可推导出巴耳末公式并从理论上算出里德伯常量的值，且理论结果与实验值符合得很好。因此巴耳末公式代表的是电子从量子数分别为=3，4，5，…的能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线。 同样，玻尔理论也很好地解释甚至预言了氢原子的其他谱线系，它们也都被实验观测到了，有赖曼系、帕邢系、布喇开系等。 ②解释气体导电发光 通常情况下，原子处于基态，非常稳定。当气体放电管中的气体导电时，其中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态。而处于激发态的原子是不稳定的，会自发向能量较低的能级跃迁，并放出光子，最终回到基态。 ③解释氢原子光谱的不连续性 原子从较高的能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 ④解释不同原子具有不同的特征谱线 不同的原子具有不同的结构，能级各不相同，因此辐射（或吸收）的光子频率也不相同。因而不同元素的原子具有不同的特征谱线。 / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第四章 原子结构和波粒二象性知识清单 第1节 普朗克黑体辐射理论 一、黑体与黑体辐射 1.黑体 概念：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 说明： ①黑体是一种理想化模型，实际并不存在，但可以用某装置近似地代替。 如图，在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。 ②黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的。 有些可看成黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮，如太阳等一些发光物体也被当作黑体来处理。 2.黑体辐射 概念：黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射。 特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。 3.一般物体与黑体的比较 二、黑体辐射的实验规律 1.黑体辐射的实验规律 ①温度一定时： 黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值； ②随着温度的升高： 一方面，各种波长的辐射强度都有增加； 另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 2.维恩和瑞利的理论解释 理论基础：依据热学和电磁学的知识寻找黑体辐射的理论解释。 维恩公式：在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离较大； 瑞利公式：在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。 三、能量子 1.能量子 概念：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 表达式： 其中是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h为普朗克常量，常取 2.能量的量子化 在微观世界中，能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。 物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。 在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化。在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。 第2节光电效应 一、光电效应的实验规律 1.光电效应 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象称为光电效应。 研究光电效应的电路图 2.光电子 光电效应中发射出来的电子称为光电子。 3.光电效应的实验规律 ①存在截止频率：当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。 说明：截止频率与金属自身的性质有关，不同金属的截止频率不同。 ②存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。 说明：饱和光电流与入射光的强度有关，与所加电压无关；但光电流再达到饱和之前会随着所加电压的增大而增大。 ③存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，称为遏止电压。且满足光电流与电压的关系 说明：遏止电压与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。 ④光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的。 说明：当入射光的频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。 二、光电效应经典解释中的疑难 1.逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。 说明：不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。 2.光电效应经典解释中的疑难 按照光的电磁理论，应该得出以下结论： ①不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 ②光照越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 ③光越强，光电子的初动能应该越大，遏止电压应该与光的强弱有关。 ④如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 以上除了②，其余结论都与实验结果相矛盾。光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家的思考。 三、爱因斯坦的光电效应理论 1.光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为，其中h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。 2.爱因斯坦光电效应理论 当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能，即或 这就是爱因斯坦光电效应方程，其中Ek为光电子的最大初动能，即 3.对光电效应规律的解释 爱因斯坦光电效应方程表明： ①只有当时，光电子才可以从金属中逸出。就是光电效应的截止频率。 ②对于同种颜色的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。 ③光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关，与光的强弱无关。所以遏止电压与光强无关。 ④电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎是瞬时产生的。 说明：入射光的强度，指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光强与光子数成正比，即单位时间内发射出来的电子数由光强决定。 4.Uc与、W0的关系表达式 利用光电子的初动能Ek＝eUc和爱因斯坦光电效应方程可得Uc与ν、W0的关系为 分析可知，上式中的遏止电压与光的频率是线性关系，Uc-ν图像是一条斜率为的倾斜直线。 某金属的Uc-ν图像 四、康普顿效应和光子的动量 1.光的散射 光子在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫作光的散射。 2.康普顿效应 美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。 3.康普顿对这种效应的解释：光子不仅具有能量，而且具有动量。 光子的动量与光的波长和普朗克常量有关，关系式为： 在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能变小．因此，有些光子散射后波长变大。 光子既有能量也有动量 五、光的波粒二象性 光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性； 光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性； 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 第3节 原子的合适结构模型 一、电子的发现 1.阴极射线 概念：阴极发出的一种射线，它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。 本质：带负电的粒子流。 2.汤姆孙对阴极射线的研究 英国物理学家J.J.汤姆孙使用气体放电管对阴极射线进行了一系列实验研究。 实验装置： J.J.汤姆孙气体放电管的示意图 KA部分：产生阴极射线。 AB部分：只让水平方向的阴极射线通过。 D1D2部分：加电场或磁场，用于检验阴极射线是否带电及带电性质。 带标尺的荧光屏P3P1P2：显示阴极射线到达荧光屏时的位置，对射线偏转作定量测定。 产生阴极射线的机理： 管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被电离，正电荷在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多粒子流，形成了阴极射线。 实验结论： J.J.汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。 J.J.汤姆孙进一步发现，用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。 组成阴极射线的粒子被称为电子。 3.电子的电荷量及电荷量子化 电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷e的值为e=1.60×10-19C.（保留三位有效数字） 由实验测得的比荷及e的数值，可以确定电子的质量为me=9.11×10-31kg（保留三位有效数字），质子质量与电子质量的比值为mp/me=1836. 密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。 4.发现电子的物理意义 电子的发现是物理学史上的重要事件。 汤姆孙研究发现：不论是由于正离子的轰击、紫外光的照射、金属受热还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒子——电子，说明电子是原子的组成部分。 而电子带负电，原子却呈现电中性，意味着原子中还有带正电的部分。人们由此认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。 二、原子的核式结构模型 1.汤姆孙原子模型 汤姆孙认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。 2.α粒子散射实验 实验目的：检验汤姆孙原子模型是否正确。 实验装置： 实验原理： 放射源发射的α粒子打到金箔时，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子的运动方向改变，也就是发生了α粒子的散射。通过可转动的显微镜统计散射到各个方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。 实验现象： ①绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。 ②少数α粒子发生了大角度偏转。 ③极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”。 实验解释： 由于电子质量只有α粒子质量的1/7300，所以电子对α粒子的影响完全可以忽略。因此α粒子偏转主要是具有原子的大部分质量的带正电部分造成的。 而按照汤姆孙原子模型，正电荷如果均匀分布在原子内，α粒子受力将近乎平衡，不会发生大角度的散射。 所以卢瑟福分析实验数据后认为：占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围。这样才能使α粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转。 实验意义： 卢瑟福通过α粒子散射实验否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型。 3.卢瑟福核式结构模型 卢瑟福设想，原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。这个体积很小的正电体被称为原子核，原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内，带负电的电子绕核运动。 核式结构对α粒子散射实验的解释： 由于原子核很小，原子内部空间很大，所以α粒子离核较远时，受核的斥力很小，运动方向改变很小，因此绝大多数α粒子不发生偏转。 当α粒子离核较近时，受核的斥力较大，发生偏转，少数α粒子发生大角度偏转。如果α粒子正对原子核，就会发生反弹。但因原子核很小，这种机会非常少。 α粒子散射图景 三、原子核的电荷与尺度 1.原子核的电荷数 各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。 2.原子核的组成 原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。 3.原子核的大小 通常用核半径描述核的大小。 对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10-15m，而整个原子半径的数量级是10-10m，两者相差十万倍之多。可见原子内部是十分“空旷”的。 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 一、光谱 1.定义 用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长（频率）展开，获得波长（频率）和强度分布的记录，即光谱。光谱的形成 2.分类 ①发射光谱 定义：由发光体直接产生的光谱。 发射光谱又分为连续谱和线状谱。 ②连续谱 谱线特点：是连在一起的光带。 产生条件：炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。 ③线状谱 谱线特点：由一条条的亮线组成。 产生条件：稀薄气体、金属蒸汽、原子的发射光谱是线状谱。 ④吸收光谱 定义：连续谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱叫作吸收光谱。 谱线特点：用分光镜观察时，连续谱背景上出现一些暗线。 3.特征谱线 气体中中性原子的发光光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。 不同元素的原子产生的线状谱是不同的，但同种元素原子产生的线状谱是相同的，这意味着某种物质的原子可用其线状谱加以鉴别，因此我们将这些亮线称为原子的特征谱线。 实验表明，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的线状谱中的一条亮线相对应，即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线。 4.太阳光谱 光谱特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱。 产生原因：太阳光中含有各种颜色的光，但当太阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，所以到达地球的这些谱线看起来就弱了，形成了明亮背景下的暗线。 5.光谱分析 利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分的方法叫作光谱分析。 优点：灵敏度高。 缺点：有局限性且成本较高。 二、氢原子光谱的实验规律 原子内部电子的运动是原子发光的原因，所以光谱是探索原子结构的一条重要途径。以下是氢原子的光谱。 光谱显示：氢原子只能发出一系列特定波长的光，且相邻谱线间的距离从右往左越来越小，表现出一定的规律性。 1885年，瑞士科学家巴耳末对氢原子在可见光区的四条谱线进行分析，发现这些谱线的波长满足一个简单的公式，即 这个公式称为巴耳末公式，式中的n只能取整数，R∞叫作里德伯常量，实验测得的值为R∞=1.10×107m-1. 巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征。它确定的这一组谱线称为巴耳末系。 除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。 三、经典理论的困难 卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好的解释了粒子散射实验，但跟经典电磁理论发生了矛盾。主要体现在以下两点： 1.在解释原子的稳定性时遇到了困难 按照经典电磁理论，电子绕原子核高速运动应该向外辐射电磁波，电子能量减少，绕核运动的轨道半径也应减小，电子最终会坠落到原子核上，电子绕核转动这个系统应该是不稳定的。但实际上原子是个很稳定的系统。 2.在解释原子光谱的分立谱线时遇到了困难 按照经典电磁理论，电子辐射电磁波的频率就是它绕核转动的频率。随着电子轨道半径的不断变化，电子运动的频率也不断变化，原子辐射电磁波的频率也不断变化，所以大量原子发光的光谱应该是包含一切频率的连续光谱。但事实上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的分立的线状谱。 四、玻尔原子理论的基本假设 玻尔在1913年把微观世界中物理量取分立值的观念应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说。主要内容如下： 1.轨道量子化 ①原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律。 ②电子运行的轨道半径不是任意的，是量子化的。 ③电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的，不产生电磁辐射。 2.定态 ①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。 ②根据玻尔理论，电子只能在特定轨道上运动，所以原子的能量只能取一系列特定的值，即原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。 ③原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态（即电子在离核最近的轨道上运动时的能量状态）叫作基态，其他的状态（即电子在离核较远的轨道上运动时的能量状态）叫做作激发态。 3.频率条件 ①原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。 ②当电子从能量较高（能量记为Em）的定态轨道跃迁到能量较低（能量记为En,m>n）的定态轨道时，会放出能量为hv的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 这个式子称为频率条件，又称辐射条件。 反之，当电子吸收光子时会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。 五、玻尔理论对氢原子光谱的解释 1.氢原子能级图 能级图中，左侧的n是量子数，右侧的E代表氢原子的能量。 其中基态的能量最低，为E1=－13.6eV. 不同激发态的能量可表示为En=E1/n2. 处于基态的原子非常稳定。处于激发态的原子不稳定，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子，最终回到基态。 2.玻尔理论对氢光谱的解释 ①解释巴耳末公式 根据玻尔理论，可推导出巴耳末公式并从理论上算出里德伯常量的值，且理论结果与实验值符合得很好。因此巴耳末公式代表的是电子从量子数分别为=3，4，5，…的能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线。 同样，玻尔理论也很好地解释甚至预言了氢原子的其他谱线系，它们也都被实验观测到了，有赖曼系、帕邢系、布喇开系等。 ②解释气体导电发光 通常情况下，原子处于基态，非常稳定。当气体放电管中的气体导电时，其中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态。而处于激发态的原子是不稳定的，会自发向能量较低的能级跃迁，并放出光子，最终回到基态。 ③解释氢原子光谱的不连续性 原子从较高的能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 ④解释不同原子具有不同的特征谱线 不同的原子具有不同的结构，能级各不相同，因此辐射（或吸收）的光子频率也不相同。因而不同元素的原子具有不同的特征谱线。 / 学科网（北京）股份有限公司 $