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1、第十四章 原子 原子核第一节 原子知识要点（一）物质的组成 物质是由分子、原子组成的原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。（二）电子的发现和汤姆孙的原子模型（西瓜模型）19世纪末，英国物理学家汤姆孙研究伦琴发现的X射线，认为这种带负电的粒子是构 成各种物质的共有成分，是原子的组成部分，人们把它叫做电子。电子电量e=1.60219X10-i9C电子质量m=9.10953X 10-3ikg20世纪初，汤姆孙提出原子模型：原子是一个直径约为10-10m的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子就嵌在其中，如图14-1 所示。荧光屏图 14- I图 14-2（三）a粒子散射实验和卢瑟福的原子
2、核式结构模型（行星模型）英国物理学家卢瑟福用a粒子轰击金箔的实验如图14-2所示，实验结果表明，绝大多 数a粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，但有少数发生了较大的偏转，并有极少数a粒子偏 转超过900，有的甚至几乎达到180。，被反弹回来，这就是a粒子散射现象。卢瑟福在 1911 年提出原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子 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里绕着 核旋转，如图 14-3 所示。（四）玻尔的原子模型1913 年丹麦物理学家玻尔用普朗克提出的量子理论改造了卢瑟福的原子的核式结构模 型，提出三条假设，从而建立了玻尔的原子模型
3、，如图14-4所示。图 14-3图 14-4三条假设：（1）原子只能处在一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的， 电子虽然做加速运动，但并不对外辐射能量，这些状态就叫做定态。（2）原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道半径绕核运动相对应。电子绕核运 动时，只有电子的动量和轨道半径的乘积等于h/2兀的整数倍的那些轨道才是稳定的，即 hmv r = n（n=1,2,3,）2兀式中 h普朗克恒量；量子数。(3)原子从能量E的定态跃迁到能是为E的定态时，它辐射(或吸收)一定频率的光 if 子，光子的能量由两个定态的能量差决定，即H =E -E vif疑难分析1汤姆孙原子模型与卢瑟福原子模
4、型的主要区别是什么？为什么说a粒子散射实验否 定了汤姆孙的原子模型？汤姆孙的原子模型认为带正电的物质均匀地分布在原子的球体内，而卢瑟福原子模型认 为原子中的全部正电荷集中在原子中心的一个很小的原子核中；汤姆孙原子模型认为电子嵌 在原子的球内，只能在自己的平衡位置附近振动，而卢瑟福原子模型认为电子在原子核外空 间绕核旋转。根据汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，电子的质量又很小，当a粒子穿 过原子时，它受到两侧天电荷的斥力，有相当大的部分互相抵消，因而使a粒子的偏转的力 不会很大。a粒子散射的实验结果是少数a粒子发生较大的偏转，并且有极少数a粒子的偏 转超过900，有的甚至几乎达到180
5、0，这是汤姆孙模型所无法理解的。卢瑟福认为只有原子 的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现a粒子的大角 度的散射如图 14-5 所示。2. 根据a粒子散射实验，可以估计出原子核的直径约为10-i5-10-i4m。若a粒子的动能是3.95MeV,若与金的原子核发生对心碰撞,问此a粒子最接近金核中心 处的距离是多少？ (a粒子带电量为2e,金的原子序数Z=79)a 粒子接近金原子核的过程中，由于受到库化斥力的作用，它的动能逐渐减少，变成了 电势能，电势能逐渐增加。当a粒子接近金原子核的距离为d时，其动能全部转变为电势能。m余7m /I、m、i 厂P(别T =T(2)6
6、 k2KZe2dd粒子电子e粒子(a)汤姆孙原子模型的a粒子偏转(b)卢瑟福原子模型的a粒子偏转电子正电荷7 2KZe22x9x109 x79x (1.6x10-19)2所以d 二二二5.76xl0-14(m)E3.95x106x1.6x10-19k由此可知，金原子核的半径应小于5.76X10-14m。例题解析按卢瑟福的原子模型，氢原子的核外电子质量为m,电量为-e，作轨道半径为r的匀速 圆周运动。求：（1）电子运动的速率和动能；（2）电子绕核转动的频率 解：氢原子核对核外电子的库仑引力远大于它们之间的万有引力，万有引力不计。所以 电子绕核转动的向心力是库仑引力。e2v 2K = m r 2r
7、所以Ke2所以2r所以知识拓宽 玻尔理论对氢原子光谱规律的解释。 玻尔在三条假设的基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子轨道半径 和电子在各条轨道上运动时原子的能量（图14-6）。551巴耳末系56(b)图赖曼系（紫外线）I比帕邢系建外线0. 540. 850 (eV)逢德系口= 31r = n2 rn1E = E(n=l,2,3,)nn2 1且r =O.53XlO-iom E=T3.6eV11氢原子的核外电子从能量较高的轨道n跃迁到能量较低的轨道2时，辐射出的光子能量 为hv=En-E2cEEh = i i九n 222所以1 E 1 1=1() 九 he 22 n 2由此公式可
8、以计算出氢原子的各种光谱，不但成功地解释了氢光谱的巴耳末系，也同样 成功地解释了氢光谱的其他线系，获得了明显的成功。但是，由于保留了过多的经典理论，玻尔理论不能用来解释比较复杂的其他原子的原子 光谱。可是在玻尔理论中引入了量子理论，为人类深入地、完善地认识微观世界的规律性及 其本质开辟了新的道路。例 1 根据玻尔理论，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道后，则（A）原子的能量增加，电子的动能减少（B）原子的能量增加，电子的动能增加（C）原子的能量减少，电子的动能减少（D）原子的能量减少，电子的动能增加解：这是一道玻尔理论与经曲电磁理论相结合的题目。电子由外层跃迁到内层，核引力 （库仑引力）对电
9、子做正功，电子动能增加。AE 二 Wk核引力电子由外层到内层，绕核旋转的轨道半径在减小，由库仑力作为电子作圆周运动的向心 力，从而确定出其轨道半径和电子动能间的关系ke2v2e21 ke2 1即 k 一 = mv 2 或=mv 2r 22 r2ke2又由于库仑力做正功，电子绕核与核共有的电势能减少，其数值为，但为负值；也r可以看出其动能大小是电势能绝对值的一半。电子由外层跃迁到内层的过程中要向外辐射光子，则原子数量（电子动能和电势能之和） 减少，故选（D）。例2由图14-6（a）所示，若氢原子处于最低的4个能级，氢原子在这些能级之间跃迁 所辐射的光子的频率最多有几种？其中最小的频率为多少（保留
10、两位有效数字）？解：由数学知识可得到所辐射的光子有N=n(n1)4(41)=6种辐射光子的能量是由光子的频率决定的，要求出最小频率的光子，两个能级之间的能量差就应最小。由h=E-Evif则练习题一、选择题E - Ev =43min h=1.6 x 1014 Hz1. 卢瑟福的a粒子散射实验显示了下列哪种情况?(A) 原子内的正电荷全部集中在原子核里(B) 原子内的正电荷均匀分布在它的全部体积内(C) 原子内的正电荷分布在原子的外壳上(D) 原子的几乎全部质量都集中在原子核里2在a粒子散射的实验中，并没有考虑a粒子跟电子的碰撞，这是由于下列何种原因?(A) a 粒子并不跟电子相作用(B) a 粒
11、子跟电子相碰时，损失的能量很少，可忽略(C) 电子的体积实在太小，a粒子碰撞不到(D) a 粒子跟各电子相碰撞的效果互相抵消3在a粒子散射的实验中，有两个a粒子，其中散射角度大的那个a粒子是属于下列哪 种情况?()(A)更为接近原子核(B)更为远离原子核(C)可能更接近也可能更远离原子核 (D)受一个以上的原子核的作用4卢瑟福实验中少数a粒子大角度偏转的原因是()(A) a粒子与原子核碰撞(B)原子核比a粒子大(C)原子的结构为核式结构(D) a粒子和原子核带同种电荷相斥5. 在a粒子散射实验中，当a粒子最接近金原子核时,a粒子符合下列哪种情况？(A)动能最小(B)势能最小(C) 和金原子核组
12、成的系统的总能量最小(D) 所受原子核的斥力最小6. 当氢原子的核外电子由离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道时，下列说法正确的是：()(A) 吸收光子，电子的动能和势能都增大(B) 放出光子，电子的动能和势能都减小(C) 吸收光子，电子动能减少，电势能增大(D) 放出光子，电子动能增大，电势能减少7. 某物质受到光照后能发射荧光，若入射光的波长为九,该物质发射荧光的可能波长为九，关于这两个波长长短的下列判断正确的是(A) 定只有九=九(C) 一定有九W九、填空题(B) 一定只有九 九(D) 定有九三九1.电子是发现的，为了解释a粒子散射实验.提出了原子的核式结构学说。2. a粒子散射实
13、验结果表明，a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有发生了较大的偏转，并有a粒子的偏转超过90，有的甚至几乎达到，被反弹回来。3. 原子的核式结构模型，认为在原子的有一个很小的核，叫做原子核。原子的全部和几乎全部都集中在原子核里，带负电的在核外空间里绕核旋转。4从a粒子散射实验的数据估计出原子的大小约为-米。原子半径大约是米，原子核的半径只相当于原子半径的，原子核的体积只相当于原子体积的。三、计算题氢原子的核外电子质量为m,电量为-e,在离核最近的轨道上电子绕核旋转，轨道半径 为气，试计算下列问题：(1) 电子绕核运动的周期T为多少？(2) 电子转动相当于环形电流的电流强度I是多少？(3) 氢原子核的电子轨道处产生的电场强度E为多大？参考答案一、选择题1.(A)(D); 2.(B); 3.(A); 4.(D); 5.(A); 6.(C); 7.(D)二、填空题1.汤姆孙，卢琵福； 2.绝大多数、少数、极少数； 3.中心、正电荷，质量，电子；4.1O-i5m,1O-i4m,1O-iom,万分之一，万亿分之一三、计算题T =哲叵、I亠匚、E二k丄 k2兀 r 计 mrr 2
