1、4.1 走进原子核知识要点一、电子的发现1、阴极射线：根据阴极射线在电场（或磁场）中的偏转，可知，阴极射线带负电。2、汤姆生对阴极射线的研究（比荷的测定）（1）构造及原理阴极射线以一定速度通过复合场，做匀速直线运动，由粒子受力平衡，可知，即粒子在出复合场后，进入另一磁场，做匀速圆周运动，有，可得其中，E、B、B、r都可以测定，则可确定阴极射线粒子的比荷。（2）结论：阴极射线粒子的比荷是氢离子的近2000倍，不是电量很大就是质量很小，或二者兼而有之。汤姆生研究认为是因为其质量很小。该比荷与阴极材料、管内剩余气体种类无关，很可能是组成各类元素原子共有的一种更深层次的粒子。汤姆生将其命名为电子3、密
2、立根油滴实验（1）物体带电量是不连续的，都是一个数字的整数倍（2）基元电荷：（3）电子的电量为4、发现电子的意义打破了千百年来认为原子是组成物质的最小单元的学说，揭示出原子仍有内部结构。二、原子核的核式结构模型1、汤姆生的“枣糕模型”正电荷均匀地分布在整个原子球内，一定数目的电子则“镶嵌” 在这个球体内或球面上。2、粒子散射实验卢瑟福等人用放射性物质放射出一束a粒子，被金箔散射后打到安装在显微镜前面的荧光屏上，可发出荧光，这样可以记录被散射到不同角度处的a粒子数。（1）按照汤姆生的枣糕模型，散射实验的预期结果是即a粒子不会发生大角度的偏转（2）粒子散射现象绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原方向前进或
3、只发生很小的偏转，但仍有少数粒子发生了较大的偏转，并有极少数粒子的偏转角超过了90，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到l80。彻底推翻了汤姆生的“枣糕模型”。3、卢瑟福提出原子的核式结构模型（1）内容：原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。带负电的电子在核外空间绕着核运动。原子核带的正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是中性的。电子绕核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力。（2）原子和原子核的大小原子的半径大约是10-10m，原子核的直径大约是10-15m10-14m。三、氢原子光谱1、光谱：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
4、实验中得到的彩色光带称为光谱。2、光谱分类：（1）发射光谱：物体发光直接产生的光谱。连续光谱：炽热的固体、液体及高压气体的光谱，是由连续分布的一切波长的光组成的，这种光谱叫做连续光谱。例如白炽灯丝、蜡烛的火焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。明线光谱：只含有一些不连续的亮线的光谱。明线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汽的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，也叫原子光谱。各种元素都只能发出具有本身特征的某些波长的光，明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。（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）通过物质时，某些波长的光被物
5、质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。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与明线相对应，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。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。4、氢原子光谱（1）特点：几种特定频率的光，光谱是分立的亮线。（2）巴尔末公式： ，（n=3,4,5,）式中R叫做里德伯常量，实验测得的值这一组谱线称为巴尔末系。（3）除了巴尔末系，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于
6、巴尔末公式类似的关系式。5、经典理论的困难根据经典电磁理论，电子绕核做匀速圆周运动，做加速运动的电子将不断向外辐射电磁波。（1）原子不断地向外辐射能量，能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，发射光谱应该是连续谱。而实际上，原子光谱是不连续的。（2）由于原子的总能量减小，电子将逐渐的接近原子核，最终落入原子核，原子是一个不稳定的系统。而实际上，原子是稳定的。四、玻尔的原子模型1、玻尔原子理论的基本假设：（1）轨道量子化假设电子运行轨道的半径不是任意的，只有当半径的大小符合一定条件时，这样的轨道才是可能的，即电子的轨道是量子化的。（2）定态假设原子只能处在一系列不连续的能量状态中，即原子的能
7、量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。在这些状态中，电子虽做加速运动，但不向外辐射能量。原子的这种状态叫定态。能量最低的状态叫做基态，其他的状态叫做激发态（3）跃迁假设原子从一种定态(设能量为E1)跃迁到另一种定态(设能量为E2)时，要辐射(或吸收)一定频率的光子。光子的能量为2、玻尔理论对氢光谱的解释（1）氢原子的轨道公式和能级公式 （n=1,2,3）其中r1=0.5310-10m，为基态轨道半径；E1=-13.6ev，为基态能级的能量，n为量子数，n1，2，3其中E的值是取电子距核无穷远处为电势能零点而计算出来的。（2）玻尔理论对氢原子光谱的解释根据玻尔的能级跃迁假设，原子无论是吸收还
8、是辐射能量都不是任意的，必须等于原子两个能级间的能量差，因而吸收或辐射的能量会以一定频率的光子表现出米，即光子能量为一系列定值这是原子有特征谱线(一定频率的线状光谱)的原因。这一理论结合上述氢原子模型，就可得出氢原子光谱中各条谱线的频率为Em、En为氢原子的任意两个能级的能量。对于可见光的四条谱线，就是分别从m3，4，5，6能级跃迁到n2能级时放出的光。（3）玻尔理论解释氢原子光谱的能级结构图3、玻尔模型的局限性只能解释类氢原子的光谱，对于稍微复杂一点的原子如氦原子，玻尔理论就无法解释它的光谱现象。玻尔理论的不足之处在于保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍然看作经典力学描述下的轨道运动。4、电
9、子云对电子等微观粒子，由于不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置，因此电子在原子中运动的“轨道”这样的说法其实是没有意义的。我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小。在不同的状态中，例如当原子处于不同的能级时，电子在各处出现的概率是不一样的。如果用疏密不同的电子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像云雾一样，可以形象地称作电子云。典型例题 1、氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能。当氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时：（ ）A、氢原子的能量减小，电子的动能增大D、氢原子的能量增加，电子的动能增大C、氢原子的能量减小，电子
10、的动能减小 D、氢原子的能量增加，电子的动能减小分析：根据玻尔的氢原子理论，氢原子的核外电子在离核较远的轨道上，原子能量较大，当跃迁到离核较近的轨道上时，要放出一定频率的光子。氢原子的核外电子绕核运动，原子核对电子的静电力提供向心力，即有： 电子的动能 离核越近，其动能越大。A正确。2、处于基态的氢原子在某单色光束照射下，只能发出频率为1、2、3的三种光，且123，则该照射光的光子能量为：（ ）A、h1 B、h2 C、h3 D、h(1+2+3)分析：根据玻尔理论，当电子在两个能级间跃迁时，其辐射光的光子能量等于这两个能级间的能量差。所以要使电子从高能级往低能级跃迁时发出三种光，则由如图可看出该
11、定态（能量为E2）与基态（能量为E0）之间只可能隔一个定态（能量为E1），题中已说明这三种光的频率大小次序为123，因此在某单色光的照射下，处于基态的氢原子跃迁到某一能量为E2的定态，则该单色光的频率应为3，这样在频率3的单色光束的照射下，处于基态的一些氢原子各吸收了一个能量为h3=E2-E0的光子后将跃迁到能量为E2的激发态。这些处于激发态的氢原子中，有的辐射出能量为h1=E2-E1的光子而跃迁到能量为E1的定态，有些辐射出能量为h3=E2-E0的光了而跃迁到基态。那些跃迁到能量为E1的激发态的氢原子又将辐射出能量为h2=E1-E0的光子而跃迁到基态。因此，总共发出频率为1、2、3的三种光。
12、C正确。3、已知氢原子基态的电子轨道半径为r1=0.5310-10m，基态的能量为E1=-13.6eV。（1）求电子在n=2的轨道上运转形成的等效电流。（2）有一群氢原子处于量子数n=3的激发态，画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线。（3）计算这几条光谱线中最长的波长。分析：（1）电子绕核运转做匀速圆周运动，具有周期性，设其运转周期为T。库仑力提供向心力，由牛顿第二定律和库仑定律可得： 由玻尔理论可知：r2=n2r1=4r1 对轨道上任一处，每一周期通过该处的电量为e，由电流强度定义式可求的等效电流强度为 联立三式可得：（2）由于这群氢原子的自发跃迁辐射，会得到三条谱线，如
13、图所示。（3）三条光谱线中波长最长的光子能量最小。由玻尔理论可知，辐射光子的能量等于发生跃迁的两个能级的能量之差，根据氢原子能级的分布规律可知，氢原子一定是从n=3能级跃迁到n=2的能级。设波长为，由可得4、在卢瑟福的粒子散射实验中，有少数粒子发生大角度偏转，其原因是：（ ）A、原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B、正电荷在原子中是均匀分布的C、原子中存在着带负电的电子D、原子只能处于一系列不连续的能量状态中分析：按照汤姆生的模型，大角度偏转是不可能出现的，所以在粒子的前进过程中遇到了质量、电量均远大于它的粒子的阻碍，而只有少数发生大角度偏转，说明原子内部极大部分应是空的，粒子的体积应非常小，由此可知A正确。