第 1課時原子結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)知識歸納1.電子的發(fā)現(xiàn)和湯姆孫的原子模型電子的發(fā)現(xiàn)：1897年英國物理學(xué)家湯姆孫，對陰極射線進(jìn)行了一系列的研究，從而發(fā)現(xiàn)了電子.使人們認(rèn)識到原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭開了研究原子的序幕.湯姆孫的“棗糕”模型：原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子一樣鑲嵌在原子里.2.盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型(1)粒子散射實驗裝置(2)粒子散射實驗的結(jié)果：粒子通過金箔時，絕大多數(shù)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仍沿原來的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過90°，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°.(3)核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個很小的核，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)電的電子在核空間里繞著核旋轉(zhuǎn).原子核所帶的正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個原子是呈電中性的.電子繞著核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對它的庫侖引力.(4)從粒子散射實驗的數(shù)據(jù)估算出原子核大小的數(shù)量級為10151014 m，原子大小的數(shù)量級為1010 m.3.氫原子光譜(1)光譜分為兩類，一類稱為線光譜，另一類稱為連續(xù)光譜；(2)各種原子的發(fā)射光譜都是線狀光譜，都只能發(fā)出幾種特定頻率的光，不同原子的發(fā)光頻率是不同的，因此線狀光譜稱為原子的特征譜線，對光譜線進(jìn)行分析，就可以確定發(fā)光物質(zhì)，這種方法稱為光譜分析.(3)氫原子光譜可見光譜線波長可以用公式：表示，式中R稱為里德伯常量，R1.1×107 m1.4.玻爾的原子模型(1)原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論的矛盾說明，經(jīng)典電磁理論已不適用于原子系統(tǒng)，玻爾從光譜學(xué)成就得到啟發(fā)，利用普朗克的能量量子化的概念，提出三個假設(shè)：定態(tài)假設(shè)：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，電子雖然做加速運動，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫定態(tài).躍遷假設(shè)：原子從一個定態(tài)(設(shè)能量為E2)躍遷到另一定態(tài)(設(shè)能量為E1)時，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定，即hE2E1.軌道量子化假設(shè)：原子的不同能量狀態(tài)，跟電子不同的運行軌道相對應(yīng).原子的能量不連續(xù)，因而電子可能軌道的分布也是不連續(xù)的.(2)玻爾的氫原子模型氫原子的能級公式和軌道半徑公式：玻爾在三條假設(shè)基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)，計算出氫原子核外電子的各條可能軌道的半徑，以及電子在各條軌道上運動時原子的能量.氫原子中電子在第n條可能軌道上運動時，氫原子的能量En和電子軌道半徑rn分別為En、rnn2r1(n1、2、3).其中E1、r1為離核最近的第一條軌道(即n1)的氫原子能量和軌道半徑.即E113.6 eV，r10.53×1010 m(以電子距原子核無窮遠(yuǎn)時電勢能為零計算).氫原子的能級圖：氫原子的各個定態(tài)的能量值，叫氫原子的能級.按能量的大小用圖象表示出來即能級圖.其中n1的定態(tài)稱為基態(tài)，n2以上的定態(tài)，稱為激發(fā)態(tài).5.原子核結(jié)構(gòu)(1)湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，說明原子不是最小的微粒；盧瑟福粒子散射實驗，說明原子里存在一個很小的原子核；盧瑟福用粒子轟擊氮原子核，獲得質(zhì)子，說明原子核也不是最小的微粒.(2)原子核是由質(zhì)子和中子組成的；質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，原子核的核電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，等于原子的核外電子數(shù)；原子核的質(zhì)量數(shù)等于原子核內(nèi)的核子數(shù).(3)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子核互稱同位素，原子的化學(xué)性質(zhì)決定于原子的核外電子數(shù)；同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)，相同的核外電子數(shù)，因而具有相同的化學(xué)性質(zhì).重點難點突破一、為什么用粒子散射實驗研究原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)無法直接觀察到，要用高速粒子進(jìn)行轟擊，根據(jù)粒子的散射情況分析判斷原子的結(jié)構(gòu)，而粒子有足夠的能量，可以穿過原子，并且利用熒光作用可觀察粒子的散射情況，所以選取粒子進(jìn)行散射實驗.二、氫原子怎樣吸收能量由低能級向高能級躍遷此類問題可分為三種情況：1.光子照射氫原子，當(dāng)光子的能量小于電離能時，只能滿足光子的能量為兩定態(tài)間能級差時才能被吸收.2.光子照射氫原子，當(dāng)光子的能量大于電離能時，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用來使電子電離，另一部分可用來增加電子離開核的吸引后的動能.3.當(dāng)粒子與原子碰撞(如電子與氫原子碰撞)時，由于粒子的動能可全部或部分被氫原子吸收，故只要入射粒子的動能大于或等于原子兩能級的能量差，就可以使原子受激發(fā)而向高能級躍遷.典例精析1.粒子散射實驗與核式結(jié)構(gòu)模型【例1】盧瑟福通過對粒子散射實驗結(jié)果的分析，提出()A.原子的核式結(jié)構(gòu)模型B.原子核內(nèi)有中子存在C.電子是原子的組成部分D.原子核是由質(zhì)子和中子組成的【解析】盧瑟福精確統(tǒng)計了向各個方向散射的粒子的數(shù)目，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷與幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間運動，由此可知，A選項正確.【答案】A【思維提升】(1)關(guān)鍵是利用粒子散射實驗的結(jié)果進(jìn)行分析.(2)盡管B、C、D正確，但實驗結(jié)果不能說明它們，故不選B、C、D.【拓展1】在盧瑟福的粒子散射實驗中，有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是( A )A.原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上B.正電荷在原子中是均勻分布的C.原子中存在著帶負(fù)電的電子D.原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中【解析】粒子帶正電，其質(zhì)量約是電子質(zhì)量的7 300倍.粒子碰到金原子內(nèi)的電子，就像飛行中的子彈碰到塵埃一樣，其運動方向不會發(fā)生明顯的改變.若正電荷在原子內(nèi)均勻分布，粒子穿過原子時，它受到的兩側(cè)正電荷斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消，使粒子偏轉(zhuǎn)的力也不會很大.根據(jù)少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，只能認(rèn)為原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上，入射的粒子中，只有少數(shù)粒子有機會很接近核，受到很大的斥力而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn).所以正確選項是A.2.氫原子的能級躍遷【例2】假定處在量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)的氫原子躍遷到各較低能級的原子數(shù)是處在該激發(fā)態(tài)能級上的原子總數(shù)的.現(xiàn)在1 200個氫原子被激發(fā)到量子數(shù)為4的能級上，若這些受激氫原子最后都回到基態(tài)，則在此過程中發(fā)出的光子總數(shù)是()A.2 200個 B.2 000個C.1 200個 D.2 400個【解析】如圖所示，各能級間躍遷的原子個數(shù)及處于各能級的原子個數(shù)分別為n4到n3N11 200×400n3能級的原子個數(shù)為400個.n4到n2N21 200×400n3到n2N3400×200n2能級的原子個數(shù)為600個.n4到n1N41 200×400n3到n1N5400×200n2到n1N6600所以發(fā)出的光子總數(shù)為NN1N2N62 200【答案】A【思維提升】(1)原子從低能級向高能級躍遷吸收一定能量的光子，當(dāng)一個光子的能量滿足hE末E初時，才能被某一個原子吸收，使原子從低能級E初向高能級E末躍遷，而當(dāng)光子能量h大于或小于E末E初時都不能被原子吸收.(2)原子從高能級向低能級躍遷，以光子的形式向外輻射能量，所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時的兩能級間的能量差.(3)當(dāng)光子能量大于或等于13.6 eV時，也可以被氫原子吸收，使氫原子電離；當(dāng)氫原子吸收的光子能量大于13.6 eV時，氫原子電離后，電子具有一定的初動能.一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時，可能輻射出的光譜線條數(shù)為N.【拓展2】氫原子的能級如圖所示，已知可見光的光子能量范圍約為1.62 eV3.11 eV.下列說法錯誤的是( D )A.處于n3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生電離B.大量氫原子從高能級向n3能級躍遷時，發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng)C.大量處于n4能級的氫原子向低能級躍遷時，可能發(fā)出6種不同頻率的光D.大量處于n4能級的氫原子向低能級躍遷時，可能發(fā)出3種不同頻率的可見光 易錯門診3.氫原子的能量【例3】氫原子基態(tài)的軌道半徑為0.528×1014 m，量子數(shù)為n的能級的能量為EeV.(1)求電子在基態(tài)軌道上運動時的動能；(2)有一群氫原子處于量子數(shù)n3的激發(fā)態(tài).畫一能級圖，在圖上用箭頭標(biāo)明這些氫原子能發(fā)出哪幾條光譜線；(3)計算這幾條光譜線中波長最短的一條的波長.(其中靜電力常量k9.0×109 N·m2/C2，電子的電荷量e1.6×1019 C，普朗克恒量h6.63×1034 J·s，真空中光速c3.0×108 m/s)【錯解】(1)電子在基態(tài)軌道中運動時量子數(shù)n1，其動能為En13.6 eV由于動能不為負(fù)值，所以Ek|En|13.6 eV(2)作能級圖如圖，可能發(fā)出兩條光譜線.(3)由于能級差最小的兩能級間躍遷產(chǎn)生的光譜線波長最短，所以(E3E2)時所產(chǎn)生的光譜線為所求，其中E2 eV3.4 eVE3eV1.51 eV由hE3E2及所以= m6.62×107 m【錯因】(1)動能的計算錯誤主要是不理解能級的能量值的物理意義，因而把電子在基態(tài)軌道上運動時的動能與n1時的能級的能量值等同起來.電子在軌道上的能量E，它包括電勢能Ep和動能Ek.計算表明Ep2Ek，所以EEkEpEk，EkE13.6 eV.雖然錯解中解出的數(shù)值正確，但概念的理解是錯誤的.(2)錯解中把電子的發(fā)射光譜圖畫成了吸收光譜圖.(3)不少學(xué)生把能級圖上表示能級間能量差的長度線看成與譜線波長成正比了.【正解】(1)設(shè)電子的質(zhì)量為m，電子在基態(tài)軌道上的速率為v1，根據(jù)牛頓第二定律和庫侖定律有所以Ek J2.18×1018 J13.6 eV(2)當(dāng)氫原子從量子數(shù)n3的能級躍遷到較低能級時，可以得到3條光譜線，如圖所示.(3)波長最短的一條光譜線對應(yīng)的能級差應(yīng)為最大，應(yīng)是從量子數(shù)為3的能級躍遷到量子數(shù)為1的能級所發(fā)出的光譜線.E3E1h1.65×107 m【思維提升】正確理解能級、能級圖的物理意義是避免出錯的關(guān)鍵.