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1、原子结构,rwr200905,1 电子的发现,科学的历史,1858年，德国物理学家普吕克尔在实验种观察到了玻璃壁上的荧光和影子。1876年，德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击引起的，并把这种射线叫做阴极射线。,科学家的争论：电磁波？带电的粒子？如果你是当时的科学家，你选择一个什么样的实验来证明阴极射线是什么物质？加电场或磁场这么简单的事情当时的科学家还在争论，说明想获得实验的成功并不容易,汤姆孙的实验（1）,汤姆孙的实验（1）,汤姆孙的实验（1）,K极换不同的材料，所有比荷的数值都是相同的。它是构成物质的共有成分,汤姆孙的实验（2）,汤姆孙在测定荷质比e
2、/me后不到二年。他注意到:在一定条件下，在饱和蒸气中电荷是作为凝聚核而存在的。测定了雾滴的数目和电荷的总量，可算出电子电荷的平均值。当时他得到的数据为310-10绝对静电单位(esu)。汤姆孙是第一个测出电子电量的人。尽管不准确，但证明了射线的带电量与氢离子大致相同,采用高斯单位制（CGSE），则电荷的电量单位是静电单位（esu）,汤姆孙的实验（3）,汤姆孙又研究以下的各种现象光电效应放射性物质的自发辐射：射线金属高温时发射粒子都发射出同样的带电粒子电子。由此可见电子是原子的组成部分，是比原子更基本的粒子。,电子的电量和质量,1910年密立根的油滴实验测得了电子电量的精确值。电子电荷量的现代
3、值为,我的评价：汤姆孙的发现是打开原子世界的钥匙。如果你是那个年代的科学家，汤姆孙的发现会引发你思考什么样的问题？,2 原子的核式结构模型,原子内部是什么样子的？,既然带负电的粒子(电子)质量这么小，那么带正电的部分是如何分布的呢？,西瓜模型 枣糕模型,卢瑟福 粒子散射实验,卢瑟福从1909年起做了著名的粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性。粒子是什么粒子？氦核（两个单位正电、质量是氢原子质量的4倍）如果汤姆孙的枣糕模型是正确的，你预计实验的结果会是什么样子？,卢瑟福 粒子散射实验,实验结果：绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。少数 粒子(约占八千分之一)发生
4、了大角度偏转，甚至超过了90o,也就说几乎被“撞了回来”。实验结果说明了什么？,卢瑟福 原子模型,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。正电的体积很小，被称为原子核。这个模型被称为核式结构模型。,电子对 粒子的作用忽略不计。因为原子核很小，大部分 粒子穿过原子时离原子核很远，受到较小的库仑斥力，运动几乎不改变方向。极少数 粒子穿过原子时离原子核很近，因此受到很强的库仑斥力，发生大角度散射。,卢瑟福按照这个模型，利用经典力学计算了向各个方向散射的 粒子比例，结果与实验相符。,卢瑟福粒子散射实验中为何使用的是金箔？,方颖 浙江省宁波市奉化中学 http:/卢瑟福对
5、于汤姆逊提出的原子模型加以证实，他用射线轰击其他物质，因为卢瑟福通过实验发现了射线并已经知道射线的穿透力很弱，为了使实验中的现象明显，所以卢瑟福在做著名的粒子散射实验之前卢瑟福先是用射线打击云母片，因为云母片可以做的薄足以让射线穿过，但做了实验发现粒子的偏转很小，经测定偏角在2o以下他让助手盖革也在做这方面的实验，盖革发现射线的散射角与靶材料的原子量成正比，也就是被打物体的原子量越大，那么出现大角度散射现象越明显，因为我们知道原子量越大的材料原子核所带正电荷量越大，那么射线在穿行时所受到的库仑力就大，另外原子量大的元素原子核的质量也大，那么当粒子打到比自己质量大的多的原子核时会出现反弹现象。所
6、以他们要选择重金属靶进行散射实验原子量大的金属比较多，那么选择那一种呢？因为射线的穿透能力不强，一张普通的纸就可以挡住，所以这个重金属靶必须要让射线穿过，不然如何来研究散射现象，首先重金属靶必须要薄，那么哪种重金属可以压的比纸还薄而不破呢？也就是这种金属的延展性要非常的好，那么就只有金这种重金属是符合条件的，我们知道金有很好的延展性，当时卢瑟福把金压成金箔，金箔薄的可以透过光，金箔的厚度大约有3000层金原子的厚度。当做粒子散射实验时，粒子穿过有3000层金原子的厚度的金箔，绝大多数的粒子仍是保持原来的方向前进，说明原子中是很空旷的。,原子核的电荷和尺度,原子核的电荷就是核内的质子数一般的原子
7、核，核半径的数量级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。如果地球(半径6.4106m)是原子，那么原子核有多大？如果篮球(约13cm)是原子，那么原子核有多大？,3 氢原子光谱,卢瑟福的粒子散射实验揭开了原子的核式结构。今天的实验事实将帮助我们了解“电子在原子核外是如何运动的？”,色散光谱,色散三种光谱,光谱及光谱分析每种元素的明线光谱或吸收光谱都是不一样的.所以利用物质产生的明线光谱或吸收光谱可鉴定物质的成份，这就是光谱分析。,光谱,炽热物体发出的光通过温度较低的气体,炽热的固体、液体或高压气体,稀薄气体发光,氢原子光谱,为什么
8、书上特别研究氢原子光谱氢原子光谱的特点是什么？氢原子发出光的波长（频率）是不连续的,卢瑟福模型遇到的困难,经典物理学核外电子受库伦力作用，所以它不可能是静止的。它必须绕核转动。电子的周期性运动，导致电磁场的周期变化，就会激发电磁波。因为辐射电磁波，电子的能量会不断减少，最后一头栽倒在原子核上。但事实是原子是很稳定的。按照经典理论，电子辐射电磁波的频率与其绕核的频率相同。电子能量减少，就会离核越来越近，转得越来快。这个变化是连续的，就应该辐射的各个波长（频率）的电磁波。但实际上原子的谱线是分立的。,4 玻尔的原子模型,第三节书-光谱：提示我们，原子发光是与电子运动有关的，但原子谱线（明线光谱和暗
9、线光谱）是分立的，即原子发出光的频率是不连续的。那么到底电子在原子核外是如何运动的？,人际关系,汤姆孙,卢瑟福,老师,学生,玻尔,哈森,大学同学,光谱学家,提醒：注意巴尔末公式,玻尔回忆说：“当我看到巴尔末公式时，我立刻感到一切都明白了”,在卢瑟福提出原子的核式结构的日子里，玻尔曾在他的指导下工作了四个月,1900年，普朗克提出能量子1905年，爱因斯坦用光子说解释了光电效应1913年，在量子说的启发下，玻尔将分立值的观念运动到了原子系统。,玻尔的原子模型,电子轨道量子化电子绕核做圆周运动仍然服从经典力学规律。但轨道不是任意的。,原子能量量子化电子在不同的轨道，原子具有的能量不同。,氢原子 能
10、级图,电子轨道数,原子能量值,用线的高低来反映原子能量的大小,玻尔的原子模型,频率条件电子吸收光子时会从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道，放出光子,吸收光子(单击),放出光子(单击),氢原子 能级图,电子轨道数,原子能量值,原子能量从-1.51eV下降到-3.4eV(单击),原子能量从-3.4eV下降到-13.6eV(单击),一些氢原子都处于量子数n=3的激发态，这些氢原子在能级跃迁时（1）能释放出多少种频率不同的光子？（2）在这些光子波长中的最小值是多少？请画能级图来回答这些问题若n=4，答案有什么不同？,左右两边有什么联系？,发光机制,白炽灯是如何
11、发光的？当电流流过灯泡时，灯丝的温度升高到炽热的状态，部分热量就转化为光能。自由电子从灯丝中穿过。自由电子与灯丝的原子发生撞击，使得原子跃迁到较高的能级。处于高能级(激发态)的原子并不十分稳定，所以自发地向下跃迁，这就释放出了光子。,利用玻尔理论解释原子光谱,为什么原子光谱的谱线是分立的？因为原子的能级是分立的，所以原子跃迁时释放出光子的能量也是分立的。所以原子的发光谱线也是分立的亮线。为什么不同的原子的特征谱线是不同的？由于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）的光子频率也不同。,玻尔理论的局限,成功地解释了氢原子光谱的规律，但稍复杂点的原子就无法解释，如氦原子光谱。不足
12、之处在于保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍然看做经典力学描述下的轨道运动。,光子能量为的一束光，照射容器中的氢气（设氢原子原处于的能级），氢原子吸收光子后，能发出频率为12 345 6的种光，且12 3456，则等于,原子能量的计算,原子能量的计算,原子能量的计算,例2、氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时，可能发生的情况有：A、放出光子，电子动能减小，原子势能增加；B、放出光子，电子动能增加，原子势能减少；C、吸收光子，电子动能减小，原子势能增加；D、吸收光子，电子动能增加，原子势能减小。,【例】现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过
13、程中发出的光子总数是多少？假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的1/(n-1)。A2200 B2000 C1200 D2400,2200,原子结构 认识过程,补充 激光,什么是相干光源？如果用白炽灯做光源，要想得到干涉现象，还需要哪些辅助的装置？若用激光做光源呢？为什么激光就是相干光？而普通光源不是？,相干光源为什么难获得,光源的各个原子的电子变轨是自由，有的从3到2，有的从3到1，这样发出的光子的频率不同。即使有部分原子的电子轨道变更都是从3到2，但每个原子电子的变轨时刻都是不确定的。所以虽然它们发出光的频率相同，但这些光子相位差是不稳定的。,激光的产生,第一个原子放出的光子，照到第二个原子上，第二个原子也放出相同频率、相同相位的光子。这样就有了两个相同的光子。,1917爱因斯坦提出，光的反射有两种情况自发辐射在没有外来光子的情况下，处于高能级的原子自发地向低能级跃迁，从而发出光子来。这个过程是随机的，即处于高能级的原子什么时候发射光子带有偶然性，所以气体中各原子自发发射的光子，其频率、相位、振动方向都没有确定的关系。,1917爱因斯坦提出，光的反射有两种情况受激辐射在外来光子的激励下，处于高能级的原子向低能级跃迁，并发出一个同频率、同相位、同振动方向的光子。,频率、一致、振动方向相同,方向单一,分光镜,白炽灯,光源,
