2024新鲁科版（2019）《高中物理》选择性必修第三册第四章 原子结构知识点总结 .docx

1、新教材 鲁科版2019版 物理选择性必修第三册第4章知识点清单目录第4章原子结构第1节电子的发现与汤姆孙原子模型第2节原子的核式结构模型第3节光谱与氢原子光谱第4节玻尔原子模型 第4章原子结构第1节电子的发现与汤姆孙原子模型一、物质结构的早期探究1. 古人对物质的认识(1)我国古代的“五行说”认为万物是由金、木、水、火、土五种基本“元素”组成的。(2)古希腊的亚里士多德认为，万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天体则由第五种“元素”“以太”构成。(3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论，认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，即“原子”。(4)我国战国时期的思想家墨子认为物体是由不

2、可分割的最小单元“端”构成的。2. 通过实验了解物质的结构(1)1661年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论。(2)19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单元。(3)1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了分子假说，指出分子可由多个相同的原子组成。3. 19世纪初期形成的分子原子论认为：在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次；宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子构成；原子是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭。二、电子的发现1. 阴极射线：科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极会发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出

3、荧光，人们把这种射线称为阴极射线。2.2. 汤姆孙对阴极射线本质的探究(1)通过实验巧妙利用静电力和洛伦兹力平衡等方法，确定了阴极射线粒子的本质是带负电的粒子流，并确定了其速度，测量出了这些粒子的比荷。(2)换用不同的气体和不同材料的阴极，实验测出的比荷大体相同，说明这种带电粒子是组成各种物质的共同成分。3. 结论汤姆孙认为阴极射线粒子是电荷量大小与氢离子相同、而质量比氢离子小得多的粒子，他把这种带电粒子称为电子。4. 电子发现的意义：电子的发现说明原子具有一定的结构，也就是说原子是由电子和其他物质组成的。三、汤姆孙原子模型1. “葡萄干面包”模型：原子带正电的部分充斥整个原子，很小很轻的电子

4、镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样。2. 特点(1)电子带的负电被原子内带的正电抵消，因此原子呈电中性。(2)如果原子失去电子或得到电子，就会变成离子。(3)电子在它们的平衡位置附近做简谐振动，可发射或吸收特定频率的电磁波。四、阴极射线的研究电子的发现1. 电子比荷的测定方法(1)让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图甲所示)，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛=F电(Bqv=qE)，得到粒子的运动速度v=EB。(2)撤去电场(如图乙)，保留磁场，让粒子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv=mv2r，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r。(3)由以上两式确定

5、粒子的比荷表达式：qm=EB2r。2. 密立根油滴实验(1)装置：密立根实验的装置如图所示。两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接，使上极板带正电，下极板带负电。油滴从喷雾器喷出后，经上极板中间的小孔，落到两极板之间的匀强电场中。大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时，因摩擦而带负电，油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降。观察者可在强光照射下，借助显微镜进行观察。(2)方法两极板间的电势差、两极板间的距离都可以直接测得，从而确定两极板间的电场强度E。由于油滴太小，其质量很难直接测出，密立根通过测量油滴在空气中下落时做匀速运动的速度来测量油滴的质量。没加电场时，由于空气的黏性，空气给油滴的阻力大小很

6、快就等于油滴所受的重力大小，从而使油滴匀速下落，可测得速度v1。再加一足够强的电场，使油滴做竖直向上的运动，在油滴以速度v2匀速运动时，油滴所受的静电力与重力、空气阻力平衡。根据空气阻力遵循的规律，即可求得油滴所带的电荷量。(3)结论带电油滴的电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍，从而证实了电荷是量子化的，并求得了其最小值即电子所带的电荷量e。第2节原子的核式结构模型一、粒子散射实验1. 实验原理用已知的粒子与金属内的原子相互作用，根据粒子的偏转情况来获得原子内部的信息。2. 实验操作用放射源发射的粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收，探测通过金箔后的粒子偏转情况(如图所示)。3. 实验结果绝大多数粒

7、子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子发生了较大的偏转，有极少数粒子的偏转角超过了90，有的甚至被原路弹回，粒子被反射回来的概率竟然有18 000。二、卢瑟福原子模型1. 核式结构模型(1)原子内部有一个很小的核，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；电子在原子核外面运动。(2)原子核式结构模型又被称为行星模型。2. 原子和原子核的大小(1)原子直径数量级：10-10 m。(2)原子核直径数量级：10-15 m。三、对粒子散射实验的理解1. 实验装置：如图所示，由放射源、金箔、荧光屏等组成。2. 实验分析(1)由于电子质量远小于粒子质量，所以电子不可能使粒子发生

8、大角度偏转。(2)使粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分，按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到的方向朝向两侧的斥力大部分被抵消，因此均匀分布的正电荷不可能使粒子发生大角度偏转，更不能使粒子反向弹回，这与粒子的散射实验相矛盾。(3)实验现象表明原子绝大部分是空的，除非原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，粒子大角度散射是不可能的。四、对原子核式结构模型的分析1. 汤姆孙的原子结构模型与卢瑟福的原子核式结构模型对比汤姆孙的葡萄干面包模型卢瑟福的原子核式模型分布情况正电荷和质量均匀分布，电子镶嵌在其中正电荷和几乎全部质量集中在

9、原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内受力情况粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零少数靠近原子核的粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的粒子受到的库仑力较小偏转情况不会发生大角度偏转，更不会被弹回绝大多数粒子运动方向不变，少数粒子发生大角度偏转，极少数粒子偏转角度超过90，有的甚至被弹回分析结论不符合粒子散射现象符合粒子散射现象第3节光谱与氢原子光谱一、不同的光谱1. 光谱的定义：当复色光经过棱镜或光栅后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小依次排列的图案，称为光谱。2. 光谱的分类(1)连续谱：包含有各种色光且连续分布的光谱。(2)线状谱：由一条条的亮线组成的光

10、谱。3. 特征谱线原子的发射光谱都是线状光谱，这些亮线称为原子的特征谱线。4. 光谱分析利用原子的特征谱线来鉴别物质或确定物质的化学组成。二、氢原子光谱1. 氢原子光谱的实验规律(1)实验原理：给气体放电管两端接上高电压，管内气体就会发光。(2)实验过程实验装置实验过程不同放电管内充有不同物质的稀薄气体。当感应圈给放电管两端加上高电压，管内气体分子在强电场作用下发生电离就会发光。将金属导杆分别接触不同放电管的上端，观察并比较其发光情况。(3)实验现象：不同物质的稀薄气体发出光的颜色不同。2. 氢原子光谱的特点(1)如图所示，氢原子在可见光区域的光谱线，由具有确定波长的谱线HH组成。这几个波长数

11、值构成了氢原子的“印记”，不论是何种化合物的光谱，只要它含有这些波长的光谱线，就能断定这种化合物里一定含有氢。 (2)从长波到短波，HH两相邻光谱线的距离越来越小，表现出明显的规律性。3. 巴耳末公式：1=R122-1n2 (n=3，4，5，6，)，其中R称为里德伯常量，R=1. 096 775 81107 m-1三、光谱分类和光谱分析早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带称为光谱。1. 光谱的分类2. 太阳光谱(1)太阳光谱的特点：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(如图所示)。(2)对太阳光谱的解释：阳光中含有各种颜色的光，但当阳光

12、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，到达地球的这些谱线看起来就暗了，这就形成了明亮背景下的暗线。3. 光谱分析(1)优点：灵敏度高，分析物质的最低含量达10-10 g。(2)应用：应用光谱分析发现新元素。鉴别物体的物质成分。应用光谱分析鉴定食品优劣。 四、氢原子光谱的规律和应用1. 氢原子光谱的特点及规律(1)氢光谱(2)巴耳末公式1=R122-1n2 (n=3，4，5，6，)式中n只能取整数，最小值为3，里德伯常量R=1. 096 775 81107 m-1。(3)规律氢原子光谱可见光区中的四条谱线都属于巴耳末系；在巴耳末

13、系中，n值越大，对应的波长越短，即n=3时，对应的波长最长；除了巴耳末系，氢原子光谱在红外区和紫外区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。2. 巴耳末公式的应用方法及注意问题(1)巴耳末公式反映了氢原子发光的规律特征，但不能描述其他原子。(2)公式中n只能取整数，不能取连续值，因此波长也是分立的值。(3)公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出的，但对于紫外区的某些谱线也适用。(4)应用时熟记公式，当n取不同值时求出一一对应的波长。 第4节玻尔原子模型一、玻尔原子模型1. 经典电磁理论的困境(1)按照经典电磁理论，绕原子核做圆周运动的电子应向外辐射电磁波，其能量要逐渐减少，使得电子绕核运

14、行的轨道半径也要减小，电子应沿螺旋线轨道落入原子核，从而导致原子不稳定，但实际上原子却是稳定的。(2)按照经典电磁理论，原子辐射电磁波的频率应不断变化，这样，大量原子发光的频率应当是连续变化的，而实际上原子光谱是不连续的线状光谱。(3)卢瑟福的原子核式结构模型不能解释原子的稳定性和原子光谱的不连续性。2. 玻尔原子模型(1)轨道定态：原子核外的电子只能在一些分立的特定轨道上绕核运动；电子在这些轨道上运动时，原子具有一定的能量，其数值也是分立的，电子的轨道和原子的能量都是量子化的。电子虽然做圆周运动，但不向外辐射能量，处于稳定的状态，电子处于分立轨道的这些状态称为定态。(2)频率条件：当电子从能

15、量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，原子会辐射光子。反之，当吸收光子时，电子会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道。辐射(或吸收)光子的能量h由两个定态的能量差决定，即该光子的能量应满足频率条件h=Em-En(mn)。 二、氢原子的能极结构1. 能级：在玻尔的原子模型中，原子只能处于一系列不连续的能量状态。在每个状态中，原子的能量值都是确定的，各个确定的能量值称为能级。2. 氢原子在不同能级上的能量和相应的电子轨道半径分别为En=E1n2 (n=1，2，3，)；rn=n2r1 (n=1，2，3，)，式中E1=-13. 6 eV，r1=0. 5310-10 m。3. 氢原子的能级

16、结构示意图4. 基态：在正常状态下，原子处于最低能级，电子受核的作用力最大而处于离核最近的轨道，这时原子的状态叫作基态。5. 激发态：电子吸收能量后，原子从低能级跃迁到高能级，这时原子的状态叫作激发态。6. 跃迁特点因为能级是不连续的，所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不是任意的，这个能量等于电子跃迁时始、末两个能级间的能量差。三、解释氢原子光谱1. 玻尔理论解释巴耳末公式按照玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量为h=Em-En=E1m2-E1n2，所以=-E1h1n2-1m2，当n=2，m=3，4，5，6，时，与巴耳末公式一致。2. 解释氢原子光谱的不连续性原子从较高能级向低能级

17、跃迁时放出光子的能量等于跃迁时始、末两个能级的能量差，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。 四、玻尔理论的局限1. 成功之处玻尔理论引入了普朗克的量子化概念，认为电子的轨道和能量都是量子化的。2. 局限性没有跳出经典力学的范围，认为电子是经典粒子，运动有确定的轨道。3. 电子云原子中的电子没有确定的方向和轨迹，在原子核周围各处出现概率是不同的，人们将这些概率用点的方式表现出来，若某一空间范围内电子出现的概率大，这里的点就密集，若某一空间范围内电子出现的概率小，这里的点就稀疏。用点的疏密表示电子出现的概率分布的图形，称为电子云(如图所示)

18、。五、对玻尔原子模型的理解1. 轨道量子化电子绕原子核运动的轨道半径只能够取一些不连续的、分立的数值。氢原子各条可能轨道的半径为rn=n2r1(n=1，2，3，)，其中n是正整数，r1是离核最近的轨道半径，r1=0. 5310-10 m，其余可能的轨道半径还有2. 1210-10 m、4. 7710-10 m等，不可能出现介于这些轨道半径之间的其他值。这样的轨道形式称为轨道量子化。2. 能量量子化(1)电子在可能轨道上运动时，虽然是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态称之为定态。(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的，具有的能量也是不连续的。这样的能量值称为能级，能量最低的

19、状态称为基态，基态最稳定，其他的状态叫作激发态。对氢原子，以无穷远处为势能零点时，其能级公式En=1n2E1(n=1，2，3，)，其中E1代表氢原子基态的能级，即电子在离核最近的轨道上运动时原子的能量值，E1=-13. 6eV，n是正整数，称为量子数。量子数n越大，表示能级越高。(3)原子的能量包括：原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。3. 原子的跃迁原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，原子跃迁前后的能级关系为高能级Em低能级En。可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是沿螺旋线的轨道改变半径大小的，而是从一个轨

20、道上“跳跃”到另一个轨道上。玻尔将这种现象叫作电子的跃迁。 六、对原子能级和能级跃迁的理解从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道及相应的能量。能级公式为En=E1n2，式中n称为量子数，不同的轨道对应不同的n值，量子数n越大，表示能级越高；基态取n=1，且E1=-13. 6 eV；激发态n=2，3，4，由能级公式可求得各激发态的能量值，氢原子的能级图如图所示。1. 对氢原子能级图的理解(1)能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态，氢原子可以有无穷多个能级值。(2)横线左端的数字“1，2，3，”表示量子数。“1”表示原子处于基态，“2”“3”表示原子

21、处于不同的激发态。(3)横线右端的数字“-13. 6，-3. 4，”表示氢原子各个状态的能量值。(4)n越大，能级线越密，相邻的能量差越小。2. 原子能级跃迁时需注意的两个问题(1)注意直接跃迁与间接跃迁：原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁，如图所示。两种情况辐射(或吸收)光子的频率不同。(2)注意一群原子和一个原子对于一个氢原子，氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一轨道时，实际的情况只有一种。但是，如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N=n(n-1)2=Cn2。3. 实物粒子与原子碰撞实物粒子和原子碰撞时，实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，可使原子向较高能级跃迁。4. 原子的电离若入射光子的能量大于原子的电离能(处于基态的氢原子的电离能为13. 6 eV)，则原子也会被激发跃迁，这时核外电子脱离原子核的束缚成为自由电子，光子能量大于电离能的部分成为自由电子的动能。