原子结构知识总结

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1、原子结构繇目标认知，疝学习目标W1、了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验，知道电子的发现和原子的核式结 构模型2、通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。学习重点和难点二核式结构模型、玻尔理论知识要点梳理必知识点电子的发现，必1、阴极射线函通常情况下，气体是不导电的；但在强电场中，气体能够被电离而导电。气体分子内部 具有电荷，平时，正电荷和负电荷的数量相等，对外呈电中性。如果分子处于电场中，正电 荷与负电荷的受力方向相反，电场很强时正负电荷被“撕开”，于是出现了自由电荷，气体 就能导电了。平时我们在空气中看到的放电火花，就是气体电离导电的结果。通常大气中分子的密度很大，电离后的自由电

2、荷运动时会与空气分子碰撞，正负电荷重 新复合，所以难以形成稳定的气体放电电流。在研究气体放电时一般都用玻璃管中的稀薄气 体。稀薄气体放电时可以看到辉光放电现象，如图所示，玻璃管的两端装有电极，管中有稀 薄气体。将感应圈产生的数千伏以上的高电压加到放电管的两极，可以看到管壁上有辉光放 电现象。埸瘢手期技电管专电艳如果管内的气体分子很少，气体压强降到0.1Pa以下，也就是管内成了通常所说的真空， 这时就看不到辉光放电的现象了。但是，如果在阳极上钻一个小孔，则在阳极孔外的玻璃管 壁上可以看到荧光，如果在管内放入一个物体，那么荧光中就会出现该物体的阴影。早在1858年，德国物理学家普吕克尔就发现了这种

3、现象。1876年，另一位德国物理学 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而引起的，并把这种射线命名为阴极射线。2、电子的发现扇从1890年起，英国物理学家J.J汤姆孙对阴极射线进行了一系列实验研究。如图是他 当时使用的气体放电管的示意图，由阴极C发出的阴极射线通过狭缝A、B形成一条狭窄的 射线，它穿过两片平行的金属板DD2之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上。通过射 线产生的荧光的位置，可以研究射线的径迹。(1) 汤姆孙研究了阴级射线在电场和磁场中的偏转，确认射线是带负电的粒子，并测 定计算出这种带电粒子的比荷(带电粒子的电荷量与其质量之比，即q/m，又称荷质比)

4、。 汤姆孙发现，用不同材料的阴极和不同的气体做实验，所得比荷的数值是相同的。这说明不 同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。后来这种粒子被称为电子。发现电子以后，汤姆孙又进一步研究了许多新现象，如光电效应、热粒子发射效应和0 射线、光电流和热粒子流，它们都包含电子，也就是说，不论是由于强电场的电离、正离子 的轰击、紫外线的照射、金属受热还是放射物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒子一一 电子。这种带电粒子的质量只比最轻原子质量的两千分之一稍多一点。由此可见，电子是原 子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。(2) 电子电荷的测定电子电荷的精确测定是1910年由密立根通过著名的

5、“油滴实验”做出的。电子电荷的 现代值为：e=1.602 177 33 (49)X 10-19C，通常取e=1.60X 10-就。密立根实验更重要的发 现是：电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。从实验测得的比荷及e的数值， 可以确定电子的质量m =9.109 389 7X 10-31kg。质子质量和电子质量的比值m /m=1 836知识点二一一原子的核式结构模型11兼1、汤姆孙的原子模型函在汤姆孙发现电子之前，对于原子中正负电荷如何分布的问题，科学家们提出了很多模 型。其中较有影响的是汤姆孙本人于1898年提出的一种模型。他认为原子是一个球体，正 电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子

6、镶嵌其中。有人形象地把汤姆孙模型称之为“西 瓜模型”或“枣糕模型”。正电荷汤姆孙模型能够解释一些实验现象。但勒纳德在1903年做了一个实验，使电子束射到 金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子。看来原子不是一个实心球体。稍后的一些 a粒子散射实验则完全否定了汤姆孙的模型。2、a粒子散射实验薛（1）a粒子a粒子是从放射性物质（如铀和镭）中发射出来的快速运动的粒子，带有两个单位的正 电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍。（2）a粒子散射实验装置1909年，英籍物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行了。粒子散射实验的研 究，所用实验装置如图，当a粒子打到金箔时，由于金原子中的带

7、电粒子对a粒子有库仑力 的作用，一些a粒子的运动方向发生改变，也就是发生了。粒子的散射。统计散射到各个方 向的a粒子所占的比例，可以推知原子中正负电荷的分布情况。（3）实验现象绝大多数a粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数a粒子（约占八千 分之一）发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90，也就是说它们几乎被“撞了回来”。 这样的事实令人惊奇。（4）实验现象分析： 大角度的偏转不可能是电子造成的可设a粒子与电子正碰进行估算，电子质量为m静止，a粒子质量为M以速度V1向电 子运动，因a粒子和电子组成的系统的合外力为零，所以有：1 1 1动量守恒：Mv =Mv +mv 机械能守恒：2

8、Mv2=Mv 2+ mv 2112112. M - m73（）（）m 一梆7299=vi 均=1勺解得：a粒子碰后速度 财+欧7300 + 7301速度变化昼 -七=-.3匕只有初速度的万分之三，不可能产生大角度散射。即大角度的偏转不可能是电子造成的，因为它的质量只有a粒子的1/73，它对a粒 子的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。因此，造成a粒子偏转的主要原因是具有 原子的大部分质量的带正电部分的作用。 按汤姆孙原子模型，正电荷是弥漫地分布在原子内的，a粒子穿过原子时受到的各方 向正电荷的斥力基本上相会抵消，因此对a粒子运动的影响不会很大。所以汤姆孙模型无法 解释大角度散射的实验结果。

9、 a粒子大角度散射，甚至反弹回来，表明a粒子在原子某地方受到质量、电量均较大 的物质作用。 a粒子通过大约1微米厚的金箔，绝大多数仍沿原方向前进，说明原子内大部分是空 的，原子质量、电量相当集中。3、卢瑟福的原子核式模型卢瑟福对a粒子散射的实验数据进行分析后发现，事实应该是：占原子质量绝大部分的 带正电的那部分物质集中在很小的空间范围。这样才会使a粒子在经过时受到很强的斥力， 才可能使a粒子发生大角度的偏转。1911年，卢瑟福提出了自己的原子结构模型。他设想：原子中心有一个很小的核为原 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核 旋转。卢瑟福的原子模型被称

10、为核式结构模型。这样，当a粒子接近原子时，电子对它的影响可以忽略，但是，原子核对它的作用就不 同了。因为原子核很小，a粒子进入原子区域后，大部分a粒子离它很远，受到的库仑力很 小，运动方向几乎不改变。只有极少数a粒子在穿过时距离原子核很近，因此受到很强的库 仑力发生大角度散射。4、原子核的电荷和尺度薛由不同元素对a粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的电荷Q。又由于原子是 电中性的，可以推算出原子内含有的电子数。科学家们注意到，各种元素的原子核的电荷数， 即原子内的电子数，非常接近于它们的原子序数。后来又发现原子核是由质子和中子组成的， 原子核的电荷数就是核中的质子数。通常用核半径R表征核

11、的大小。原子核的半径是无法直接测量的，一般通过其他粒子与 核的相互作用来确定。a粒子散射是估计核半径的最简单的方法。对于一般的原子核，实验 确定的核半径R的数量级为1S，m，而整个原子半径的数量级是10-iom，两者相差十万倍之 多，可见原子内部是十分“空旷”的。知识点三一一氢原子光谱必1、光谱、光谱分析扇（1）光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）成分和强度分 布的记录，即光谱。用摄谱仪可以得到光谱的照片。有些光谱是一条条的亮线，我们把它们叫做谱线，这样的光谱叫做线状谱。有的光谱看 起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的光带，我们把它们叫做连续谱。（2）发射光谱：物体发

12、光直接产生的光谱叫发射光谱。其中由炽热的固体、液体及高 压气体发光产生的光谱为连续光谱，它是由连续分布的一切波长的光组成的；由稀薄气体或 金属蒸气发光产生的光谱为明线光谱，又称原子光谱，是由一些不连续的亮线组成的。各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。不同原子的亮线 位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此这些亮线称为原子的特征谱线。（3）吸收光谱：高温物体发出的白光通过某种物质时，某些波长的光被物质吸收后产 生的光谱。其表现为在连续谱的背景上出现一些暗线，且同种元素的吸收光谱中暗线的位置 与明线光谱中的明线是一一对应的。因此吸收光谱和明线光谱都属于元素的特征光

13、谱。（4）光谱分析：既然每种原子都有自己的特征谱线，所以我们就可以利用它来鉴别物 质和确定物质的组成成分。这种方法称为光谱分析。它的优点是灵敏度高。2、氢原子光谱的实验规律，疝许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途 径之一。从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图：410. 2939T 12434. 1Y 48S. 276弱一 “H昭Ha1885年巴尔末对当时已知的、在可见光区的14条谱线作了分析，发现这些谱线的波长 可以用一个公式来表示。如果采用波长入的倒数，这个公式可写作：丸 2，n=3, 4, 5，式中R叫做里德伯常量，实验测得的值为R=1.10X107

14、m-1这个公式称为巴尔末公式，它确定的这一组谱线称为巴尔末系。可以看出，n只能取整 数，不能连续取值，波长也只会是分立的值。除了巴末尔系，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与巴末尔公式 类似的关系式。3、经典理论的困难一卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了a粒子散射实验。但 是经典物理学家既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。 原子是不稳定的与稳定性的矛盾按照经典物理学，核外电子受到原子的库仑引力的作用，不可能是静止的，它一定是以 一定的速度绕核转动。既然电子在运动，它的电磁场就在变化，而变化的电磁场会激发电磁 波。也就是说，它将把自己绕核

15、转动的能量以电磁波的形式辐射出去。因此，电子绕核转动 这个系统是不稳定的，电子会失去能量，最后一头栽在原子核上。但是事实不是这样，原子 是个很稳定的系统。 连续光谱与明线光谱的矛盾根据经典电磁理论，电子辐射的电磁波的频率，就是它绕核转动的频率。电子越转能量 越小，它离原子核就越来越近，转的也就越来越快。这个变化是连续的，也就是说，我们应 该看到原子辐射的各种频率（波长）的光，即原子的光谱应该总是连续的。而实际上我们看 到的是分立的线状谱。这些矛盾说明，尽管经典物理学理论可以很好地应用于宏观物体，但它不能用于解释原 子世界的现象，引入新观念是必要的。知识点四一一玻尔的原子模型，必1、玻尔的原子理论薛丹麦物理学家N.玻尔意识到了经典理论在解释原子结构方面的困难。在普朗克光与黑 体辐射的量子论和爱因斯坦关于光子的概念的启发下，他在1913年把微观世界中物理量取 分立值的观念应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说。玻尔的原子结构模型包括以下两方面的内容：（1）轨道量子化和定态轨道假设玻尔认为，原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的 规律。但不同的是，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