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)α粒子散射實驗裝置
(2)α粒子散射實驗的結(jié)果：α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α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10－15～10－14 m，原子大小的數(shù)量級為10－10 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，R＝1.1×107 m－1.
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)：
①　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).
②　躍遷假設(shè)�。涸�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hν＝E2－E1.
③　軌道量子化假設(shè)�。涸�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
①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＝ 、rn＝n2r1(n＝1、2、3…).
其中E1、r1為離核最近的第一條軌道(即n＝1)的氫原子能量和軌道半徑.即E1＝－13.6 eV，r1＝0.53×10－10 m(以電子距原子核無窮遠(yuǎn)時電勢能為零計算).
②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n＝1的定態(tài)稱為　基態(tài)　，n＝2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α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α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)�。煌�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α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α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α粒子的散射情況，所以選取α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.α粒子散射實驗與核式結(jié)構(gòu)模型
【例1】盧瑟福通過對α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[高考資源網(wǎng)KS5U.COM]
【解析】盧瑟福精確統(tǒng)計了向各個方向散射的α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α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.[Ks5u.com]
【拓展1】在盧瑟福的α粒子散射實驗中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是( A )[高考資源網(wǎng)]
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】α粒子帶正電，其質(zhì)量約是電子質(zhì)量的7 300倍.α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，α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α粒子偏轉(zhuǎn)的力也不會很大.
根據(jù)少數(shù)α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α粒子中，只有少數(shù)α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
n＝4到n＝3　N1＝1 200× ＝400
n＝3能級的原子個數(shù)為400個.
n＝4到n＝2　N2＝1 200× ＝400
n＝3到n＝2　N3＝400× ＝200
n＝2能級的原子個數(shù)為600個.
n＝4到n＝1　N4＝1 200× ＝400
n＝3到n＝1　N5＝400× ＝200
n＝2到n＝1　N6＝600
所以發(fā)出的光子總數(shù)為
N＝N1＋N2＋…＋N6＝2 200
【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hυ＝E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hυ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 eV～3.11 eV.下列說法錯誤的是( D )
A.處于n＝3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n＝3能級躍遷時，發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng)
C.大量處于n＝4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n＝4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0.528×10－14 m，量子數(shù)為n的能級的能量為E＝－ eV.
(1)求電子在基態(tài)軌道上運動時的動能；[高考資源網(wǎng)KS5U.COM]
(2)有一群氫原子處于量子數(shù)n＝3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k＝9.0×109 N?m2/C2，電子的電荷量e＝1.6×10－19 C，普朗克恒量h＝6.63×10－34 J?s，真空中光速c＝3.0×108 m/s)
【錯解】(1)電子在基態(tài)軌道中運動時量子數(shù)n＝1，其動能為En＝－ ＝－ ＝
－13.6 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(E3－E2)時所產(chǎn)生的光譜線為所求，其中
E2＝－ eV＝－3.4 eV　E3＝－ eV＝－1.51 eV
由hν＝E3－E2及λ＝
所以λ＝ = m＝6.62×10－7 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n＝1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Ep＝－2Ek，所以E＝Ek＋Ep＝－Ek，Ek＝－E＝13.6 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＝ J＝2.18×10－18 J＝13.6 eV
(2)當(dāng)氫原子從量子數(shù)n＝3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.
E3－E1＝hυ
υ＝
λ＝ ＝1.65×10－7 m


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