1、原子结构原子结构rwr2009051 电子的发现电子的发现科学的历史科学的历史 1858年，德国物理学家普吕克尔在实验种观年，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。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，并把这种射线叫做撞击引起的，并把这种射线叫做阴极射线阴极射线。金金属属片片影影子子荧荧光光 科学家的争论：科学家的争论：电磁波？电磁波？带电的粒子？带电的粒子？如果你是当时的科学家，你选择一个什么样如果你是当时的科学家，
2、你选择一个什么样的实验来证明阴极射线是什么物质？的实验来证明阴极射线是什么物质？加电场或磁场加电场或磁场 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获得实验的成功并不容易金金属属片片影影子子荧荧光光汤姆孙的实验（汤姆孙的实验（1）汤姆孙的实验（汤姆孙的实验（1）2qEmB R证证明明了了射射线线带带负负电电qvBqEEvB2vqvBmRqvmBREEBB汤姆孙的实验（汤姆孙的实验（1）K极换不同的材料，所有比极换不同的材料，所有比荷的数值都是相同的。荷的数值都是相同的。它是构成物质的共有成分它是构成物质的共有成分汤姆孙的实验（汤姆
3、孙的实验（2）汤姆孙在测定荷质比汤姆孙在测定荷质比e/me后不到二年。他注意到后不到二年。他注意到:在在一定条件下，在饱和蒸气一定条件下，在饱和蒸气中电荷是作为凝聚核而存中电荷是作为凝聚核而存在的。测定了雾滴的数目在的。测定了雾滴的数目和电荷的总量，可算出电和电荷的总量，可算出电子电荷的平均值。当时他子电荷的平均值。当时他得到的数据为得到的数据为310-10绝对绝对静电单位静电单位(esu)。汤姆孙是。汤姆孙是第一个测出电子电量的人。第一个测出电子电量的人。尽管不准确，但证明了射线尽管不准确，但证明了射线的带电量与氢离子大致相同的带电量与氢离子大致相同()()2000eHqqmm采用高斯单位制
4、（采用高斯单位制（CGSE），），则电荷的电量单位是静电单位则电荷的电量单位是静电单位（esu）电电子子汤姆孙的实验（汤姆孙的实验（3）汤姆孙又研究以下的各种现象汤姆孙又研究以下的各种现象 光电效应光电效应 放射性物质的自发辐射：放射性物质的自发辐射：射线射线 金属高温时发射粒子金属高温时发射粒子 都发射出同样的带电粒子都发射出同样的带电粒子电子。由此可电子。由此可见电子是原子的组成部分，是比原子更基本见电子是原子的组成部分，是比原子更基本的粒子。的粒子。电子的电量和质量电子的电量和质量 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。电子电荷量的现代值为精
5、确值。电子电荷量的现代值为.()191 60217733 4910Ce代代人人比比荷荷，可可得得.31e9 1093897 10kgmpe1836mm 我的评价：我的评价：汤姆孙的发现是打开原子世界的钥匙。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？会引发你思考什么样的问题？2 原子的核式结构模型原子的核式结构模型原子内部是什么样子的？原子内部是什么样子的？既然带负电的粒子既然带负电的粒子(电子电子)质量这么小，那么质量这么小，那么带正电的部分是如何分布的呢？带正电的部分是如何分布的呢？西瓜模型西瓜模型
6、 枣糕模型枣糕模型卢瑟福卢瑟福 粒子散射实验粒子散射实验 卢瑟福从卢瑟福从1909年起做了著名的年起做了著名的粒子散射实验，实粒子散射实验，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？粒子是什么粒子？氦核（两个单位正电、质量是氢原子质量的氦核（两个单位正电、质量是氢原子质量的4倍）倍）如果汤姆孙的枣糕模型是正确的，你预计实验的结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？果会是什么样子？卢瑟福卢瑟福 粒子散射实验粒子散射实验 实验结果：实验结果：绝大多数绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的
7、方向前进。方向前进。少数少数 粒子粒子(约占八千分之一约占八千分之一)发生了大角度偏转，发生了大角度偏转，甚至超过了甚至超过了90o,也就说几乎被也就说几乎被“撞了回来撞了回来”。实验结果说明了什么？实验结果说明了什么？卢瑟福卢瑟福 原子模型原子模型 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，量，电子在正电体的外面运动。正电的体积很小，被称为被称为原子核原子核。这个模型被称为。这个模型被称为核式结构模型核式结构模型。电子对电子对 粒子的作用忽略不计。粒子的作用忽略不计。因为原子核很小，大部分因为原子核很小
8、，大部分 粒子穿粒子穿过原子时离原子核很远，受到较小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。的库仑斥力，运动几乎不改变方向。极少数极少数 粒子穿过原子时离原子核粒子穿过原子时离原子核很近，因此受到很强的库仑斥力，很近，因此受到很强的库仑斥力，发生大角度散射。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各个方向散射的 粒子比例，结果与实验相符。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？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:/ 原子核的电荷就是核内的质
9、子数原子核的电荷就是核内的质子数 一般的原子核，核半径的数量级一般的原子核，核半径的数量级10-15m，而整，而整个原子半径的数量级是个原子半径的数量级是10-10m，两者相差十万，两者相差十万倍之多。可见原子内部是十分倍之多。可见原子内部是十分“空旷空旷”的。的。如果地球如果地球(半径半径6.4106m)是原子，那么原子核有是原子，那么原子核有多大？多大？如果篮球如果篮球(约约13cm)是原子，那么原子核有多大？是原子，那么原子核有多大？3 氢原子光谱氢原子光谱 卢瑟福的卢瑟福的粒子散射实验揭开了原子的核式结粒子散射实验揭开了原子的核式结构。构。今天的实验事实将帮助我们了解今天的实验事实将帮
10、助我们了解“电子在原电子在原子核外是如何运动的？子核外是如何运动的？”色散色散光谱光谱色散色散三种光谱三种光谱钠蒸汽发光钠蒸汽发光白光通过低温钠蒸汽白光通过低温钠蒸汽光谱及光谱分析光谱及光谱分析 每种元素每种元素的明线光谱或吸收光谱都是的明线光谱或吸收光谱都是不一样不一样的的.所以利用物质产生的明线光谱或吸收光谱可所以利用物质产生的明线光谱或吸收光谱可鉴定物鉴定物质的成份质的成份，这就是光谱分析，这就是光谱分析。光光谱谱发射发射光谱光谱吸收吸收光谱光谱连续连续光谱光谱明线明线光谱光谱炽热物体发出的炽热物体发出的光通过温度较低光通过温度较低的气体的气体炽热的固体、液体炽热的固体、液体或高压气体或
11、高压气体稀薄气体发光稀薄气体发光氢原子光谱氢原子光谱 为什么书上特别研究氢原子光谱为什么书上特别研究氢原子光谱 氢原子光谱的特点是什么？氢原子光谱的特点是什么？氢原子发出光的波长（频率）是不连续的氢原子发出光的波长（频率）是不连续的22111 ()2Rn 巴巴 尔尔 末末 系系卢瑟福模型遇到的困难卢瑟福模型遇到的困难 经典物理学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。须绕核转动。电子的周期性运动，导致电磁场的周期变化，就电子的周期性运动，导致电磁场的周期变化，就会激发电磁波。因为辐射电磁波，电子的能量会会激发电磁波。
12、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。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，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。但实际上原子的谱各个波长（频率）的电磁波。但实际上原子的谱线是分立的。线是分立的。4 玻尔的原子模型玻尔的原子模型第三节书第三节书-光谱：提示我们，原子光谱：提示我们，原子发
13、光发光是与是与电子运电子运动动有关的，但原子谱线（明线光谱和暗线光谱）是有关的，但原子谱线（明线光谱和暗线光谱）是分分立立的的，即原子发出光的频率是不连续的。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？那么到底电子在原子核外是如何运动的？人际关系人际关系22111()2Rn 1900年，普朗克提出能量子年，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。的观念运动到了原子系统。能能级级玻尔的原子模型玻尔的原子模型 电子轨道量子
14、化电子轨道量子化 电子绕核做圆周运动仍然电子绕核做圆周运动仍然服从经典力学规律。但轨服从经典力学规律。但轨道不是任意的。道不是任意的。21nrn r 10.053nm()r 氢氢 原子能量量子化原子能量量子化 电子在不同的轨道，原子电子在不同的轨道，原子具有的能量不同。具有的能量不同。21/nEEn 113.6eV()E 氢氢nE原原子子能能量量是是由由哪哪些些能能量量组组成成？基基态态激激发发态态激激发发态态定定态态氢原子氢原子 能级图能级图-13.6eVn=1n=2-3.4eVn=3-1.51eVn=4-0.85eVn=0玻尔的原子模型玻尔的原子模型 频率条件频率条件 电子吸收光子时会从能
15、量电子吸收光子时会从能量较低较低的轨道的轨道跃迁跃迁到能量到能量较较高高的轨道的轨道 电子从能量电子从能量较高较高的轨道的轨道跃跃迁迁到能量到能量较低较低的轨道，放的轨道，放出光子出光子hvEE末末初初吸收光子(单击)放出光子(单击)氢原子氢原子 能级图能级图-13.6eVn=1n=2-3.4eVn=3-1.51eVn=4-0.85eVn=0原子能量从原子能量从-1.51eV下降到下降到-3.4eV(单击)原子能量从原子能量从-3.4eV下降到下降到-13.6eV(单击)一些一些氢原子氢原子都都处于量子数处于量子数n=3的激发态，这的激发态，这些氢原子在能级跃迁时些氢原子在能级跃迁时（1）能释
16、放出多少种频率不同的光子？）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？）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请画能级图来回答这些问题若若n=4，答案有什么不同？，答案有什么不同？左右两边有什么联系？左右两边有什么联系？22111()2Rn 巴巴尔尔末末系系：22111()1Rn 赖赖曼曼系系：可可见见光光紫紫外外光光发光机制发光机制 白炽灯是如何发光的？白炽灯是如何发光的？当电流流过灯泡时，灯丝的温度升高到炽热的状当电流流过灯泡时，灯丝的温度升高到炽热的状态，部分热量就转化为光能。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
17、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。处于高发生撞击，使得原子跃迁到较高的能级。处于高能级能级(激发态激发态)的原子并不十分稳定，所以自发地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。向下跃迁，这就释放出了光子。利用玻尔理论解释原子光谱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？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。也是分立的亮线。为什么不同的原子的特征谱
18、线是不同的？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，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。因此辐射（或吸收）的光子频率也不同。玻尔理论的局限玻尔理论的局限 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。点的原子就无法解释，如氦原子光谱。不足之处在于保留了经典粒子的观念，把电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做经典力学描述下的轨道运子的运动仍然看做经典力学描述下的轨道运动。动。光子能量为光子能量为的一束光，照射容器中的氢的一束光，照射
19、容器中的氢气（设氢原子原处于气（设氢原子原处于的能级），氢的能级），氢原子吸收光子后，能发出频率为原子吸收光子后，能发出频率为1 12 2 3 34 45 5 6 6的种光，且的种光，且1 12 2 3 34 45 56 6，则，则等于等于 1Ah、6Bh、()61hC C、()123456hDD、A答答案案：r原子能量的计算原子能量的计算F库库仑仑ee研研究究对对象象：电电子子运运动动模模型型：圆圆周周运运动动 =ma向向心心条条件件：实实际际 需需要要()222evkmrr 22122keEmvkr 电电子子动动能能：电电子子的的轨轨道道半半径径越越大大，电电子子的的动动能能如如何何？r
20、KEa向向心心r原子能量的计算原子能量的计算F库库仑仑ee研研究究对对象象：电电子子+原原子子0若若规规定定无无穷穷远远为为 势势能能点点2PeEkr ()不不需需要要记记忆忆电电子子的的轨轨道道半半径径越越大大，电电子子的的势势能能如如何何？r PE 电电子子轨轨道道半半径径增增大大，库库仑仑力力做做负负功功，电电势势能能增增加加r原子能量的计算原子能量的计算()不不需需要要记记忆忆F库库仑仑ee原原子子能能量量222()22KPeeeEEEkkkrrr r E()记记忆忆电电子子轨轨道道半半径径增增大大，需需要要吸吸收收光光子子，原原子子能能量量增增加加电电子子轨轨道道半半径径减减小小，需
21、需要要放放出出光光子子，原原子子能能量量减减小小例例2 2、氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一、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：轨道时，可能发生的情况有：A A、放出光子，电子动能减小，原子势能增加；、放出光子，电子动能减小，原子势能增加；B B、放出光子，电子动能增加，原子势能减少；、放出光子，电子动能增加，原子势能减少；C C、吸收光子，电子动能减小，原子势能增加；、吸收光子，电子动能减小，原子势能增加；D D、吸收光子，电子动能增加，原子势能减小。、吸收光子，电子动能增加，原子势能减小。放放出出光光子子原原子子能能量量减减少少电电子子半半径径减减小小动动能
22、能增增加加22keEkr 势势能能减减少少库库仑仑力力做做正正功功1234120040060012004006002200原子结构原子结构 认识过程认识过程-13.6eVn=1n=2-3.4eVn=3-1.51eVn=4-0.85eVn=0补充补充 激光激光 什么是相干光源？什么是相干光源？如果用白炽灯做光源，要想得到干涉现象，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？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？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相干光源为什么难获得 光源的各个原子的电子变光源的各个原
23、子的电子变轨是自由，有的从轨是自由，有的从3到到2，有的从有的从3到到1，这样发出的，这样发出的光子的频率不同。光子的频率不同。即使有部分原子的电子轨即使有部分原子的电子轨道变更都是从道变更都是从3到到2，但每，但每个原子电子的变轨时刻都个原子电子的变轨时刻都是不确定的。所以虽然它是不确定的。所以虽然它们发出光的频率相同，但们发出光的频率相同，但这些光子相位差是不稳定这些光子相位差是不稳定的。的。321激光的产生激光的产生 第一个原子放出的光子，照到第二个原子上，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
24、个相同的光子。子。这样就有了两个相同的光子。3213211917爱因斯坦提出，光的反射有两种情况爱因斯坦提出，光的反射有两种情况 自发辐射自发辐射 在没有外来光子的情况下，处于高能级的原子自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。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、振动方向都没有确发射的光子，其频率、相位、振动方向都没有确定的关系。定的关系。1917爱因斯坦提出，光的反射有两种情况爱因斯坦提出，光的反射有两种情况 受激辐射受激辐射 在外来光子的激励下，处于高能级的原子向低能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、同振动方级跃迁，并发出一个同频率、同相位、同振动方向的光子。向的光子。分光镜分光镜白炽灯白炽灯钠光灯钠光灯白光通过钠蒸汽白光通过钠蒸汽
