资源简介

第十八章
原子结构
18.1
电子的发现
一、阴极射线
1.辉光放电现象
(1)放电管中若有稀薄气体,在放电管两极加上高电压可看到辉光放电现象。但若管内气体非常稀薄即接近真空时,不能使气体电离发光,辉光放电现象消失。
(2)辉光放电的应用:如利用其发光效应制成的霓虹灯、日光灯,以及利用其正常辉光放电的电压稳定效应制成的氖稳压管。
2.阴极射线的产生
在研究0.1Pa气压以下的气体导电的玻璃管内有阴、阳两极,当两极间加一定电压时,阴极便发出一种射线,这种射线能使玻璃管壁发出荧光,称为阴极射线。
在稀薄气体的辉光放电实验中,若不断地抽出管中的气体,当管中的气压降到0.1Pa的时候,管内已接近真空,不能使气体电离发光,这时对着阴极的玻璃管壁却发出荧光,如果在管中放一个十字形金属片,荧光中会出现十字形阴影,如图所示：
3.阴极射线的特点
(1)在真空中沿直线传播;
(2)碰到荧光物质能使其发光;
(3)本质上是高速电子流。
二、电子的发现
1.汤姆孙对阴极射线的研究
从1890年起英国物理学家汤姆孙开始了对阴极射线的一系列实验研究。为了研究阴极射线的带电性质,他设计了如图所示的装置,从阴极K发出的带电粒子通过阳极A和小孔O形成一束细射线，它穿过两片平行的金属板P、P’,到达右端带有标尺的荧光屏上.通过射线产生的荧光位置断定,它的本质是带负电粒子流。
2.发现电子的意义
以前人们认为物质由分子组成,分子由原子组成,原子是不可再分的最小微粒,现在人们发现了各种物质里都有电子,而且电子的质量比最轻的氢原子质量小得多,这说明电子是原子的组成部分.
电子是带负电的,而原子是电中性的,可见原子内还有带正电的物质,这些带正电的物质和带负电的电子是如何构成原子的呢?
电子的发现大大激发了人们研究原子内部结构的热情,拉开了人们研究原子结构的序幕。
三、密立根“油滴实验”
1.密立根实验的原理
(1)如图所示,两块平行放置的水平金属板A、B与电源相连接,使A板带正电,B板带负电.从喷雾器嘴喷出的小油滴经上面的金属板中间的小孔,落到两板之间的匀强电场E中。
(2)小油滴由于摩擦而带负电,调节A、B两板间的电压,可以使小油滴在两板之间静止或做匀速直线运动,忽略空气阻力,此时油滴所受电场力和重力平衡,即mg=qE,
则电荷的电荷量q=
(3)实验发现,q一定是某个最小电荷量整数倍,这个最小的电荷量就是电子的电荷量.
2.实验发现
(1)电子电荷的现代值为e=1.6021773(49)×10-19C.计算时通常取
e=1.6×10-19C.
(2)任何带电体所带的电荷只能是e的整数倍,即电荷是量子化的.
(3)由实验测得的电子的比荷和电子电荷e,可以确定电子的质量为me=9.1093897×10-31kg.质子质量与电子质量的比值为=1836。
四、测定阴极射线中粒子的比荷的方法
1.如图所示,质量为m、电荷量为q的带电粒子以速率
垂直进入电场中，如果粒子仅受电场力作用，将做类平抛运动。只要确定了粒子运动的速率及偏转角与电场强度E、极板的长度L,就可以测出比荷。
设平行板C、D间距离d,板水平长度为L.首先使阴极射线仅受电场力作用发生偏转,测出此时的场强E和偏转角,随后保持E不变,外加磁场使射线恢复水平不再偏转,测出此时的磁感应强度B.
偏转角,速率,则
。
2.用洛伦兹力实验仪测定阴极射线中粒子的比荷
质量为m、电荷量为q的带电粒子以速率
垂直进入洛伦兹力实验仪中,如果粒子仅受洛伦兹力作用,将做匀速圆周运动,只要确定了磁感应强度、粒子运动的半径与加速电压,就可以测出比荷。
电子在加速电场中:
，得。
洛伦兹力提供向心力:
,则
.
3.如图所示,设平行板Y
Y’间的距离为h,板的水平长度为d.
首先使阴极射线仅受电场力作用并达到最大偏转,测出此时的场强E,随后保持E不变,外加磁场使阴极射线恢复水平不再偏转,测出此时的磁感应强度B.
速率:
竖直偏转位移:
则
:
=
.
第十八章
原子结构
18.2
原子的核式结构模型
一、原子结构模型的探索
1.汤姆孙的“枣糕模型”
原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内,电子镶嵌其中。
说明：(1)汤姆孙的“枣糕模型”也被称为“西瓜模型”；
(2)这一模型虽然能解释一些实验事实,但这一模型很快被粒子散射实验所否定
2.
粒子散射实验
1900-1911年,卢瑟福和他的助手做了用
粒子轰击金箔的实验.
(1)实验装置(如图所示)：放射源、金箔、显微镜、荧光屏.
注意：
①整个实验在真室中进行；
②金箔很薄,粒子容易穿过。
用金作为“靶子”的原因:
(1)金原子核带电荷量Q=79e,对粒子有较明显的库仑力的作用;
(2)金原子核比粒子的质量大得多,粒子不会使金原子核发生明显的运动;
(3)金延展性好,可制成很薄的箔,能减少粒子与金原子核发生二次碰撞的可能性。
(2)实验过程
①放射源放出的粒子从铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线,射到荧光屏上产生闪光,通过显微镜观察；
②放上金箔,观察α粒子穿过金箔打到荧光屏上发出的闪光；
③转动显微镜和荧光屏,在不同角度观察,可以看到α粒子的散射现象。
(3)实验现象与结果
①绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进；
②有少数α粒子发生了较大角度的偏转;
③极少数α
粒子偏转角超过90°,有的甚至沿原路返回。
(4)汤姆孙模型无法解释α粒子散射实验
大角度的偏转不可能是由电子造成的,因为它的质量只有α粒子的。它对α粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对子弹的影响，完全可以忽略。因此,造成α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.
二、原子的核式结构模型
1.核式结构模型
(1)内容
卢瑟福依据α粒子散射实验的结果,提出了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,带负电的电子在原子核外空间里绕着原子核旋转。
(2)原子的核式结构模型与汤姆孙模型的根本区别
2.原子的核式结构模型对α粒子散射实验的解释
按卢瑟福的原子结构模型(核式结构),当α粒子穿过原子时,如果离核较远,受到原子核的斥力很小,
α粒子就像穿过“一片空地”一样,无遮无挡,运动方向改变极少,由于原子核很小,这种机会就很多,所以绝大多数α粒子不发生偏转:只有当α粒子十分接近原子核穿过时,才受到很大的库仑斥力,偏转角才很大,而这种机会很少;如果α粒子几乎正对着原子核射来,偏转角就几乎达到180°,这种机会极少.如图所示：
3.原子核的电荷与尺度
第十八章
原子结构
18.3
氢原子光谱
一、光谱
1.光谱的定义：用光栅或棱镜可以把光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。
2.光谱的分类
线状谱和连续谱的不同之处
3.原子的特征谱线
(1)每种原子都有一定特征的线状谱.不同原子产生的线状谱是不同的,但同种原子产生的线状谱是相同的。某种物质的原子可从其线状谱加以鉴别,因此称原子的线状谱的谱线为这种元素原子的特征谱线。
（2）各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的明线谱中的一条明线相对应,即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该原子的特征谱线。
4.光谱分析
二、氢原子光谱
1.氢原子光谱的特点:氢原子光谱是不连续的线状谱。
2.氢原子光谱的规律
氢原子是自然界中最简单的原子,通过对它的谱线的研究,可以了解原子的内部结构和性质。
(1)巴耳末公式
1885年,巴耳末(J·J·
Balmer)首先将氢原子光谱线的波长的倒数用下面的经验公式来表示:
,n=3,4,5…
式中R=1.10×107m-1,称为里德伯常量.
说明:
巴耳末公式是在对可见光区的四条谱线分析的基础上总结出来的,只适用于氢原子在可见光区的谱线,不能描述其他原子。
(2)巴耳末系:人们把一系列符合巴耳末公式的光谱的谱线统称为巴耳末系。
三、经典理论的困难
1.卢瑟福核式结构模型的成就
(1)正确地指出了原子核的存在;
(2)很好地解释了粒子散射实验。
2.核式模型与经典理论的矛盾
(1)困难之一:无法解释原子的稳定性
按经典物理学,原子应是一个不稳定系统,因为按经典理论,绕核运转的电子不断向外辐射能量,电子将逐渐接近原子核,最后落入原子核上,原子消失,而实际上原子是个很稳定的系统。
2)困难之二:无法解释原子光谱的分立特征
①按经典电磁理论,核外电子受原子核库仑引力的作用不能静止,只能绕核运转,电
子绕核加速运转,不断地向外辐射电磁波。
②电磁辐射频率等于电子绕核转动频率。
③随着辐射的进行,电子能量逐渐减小,电子轨道半径越来越小,转动频率连续增大,因而电子辐射电磁波频率在连续变化,应该产生连续光谱但实际产生的却是线状谱。
四、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。
注意：太阳光谱为吸收光谱,同种元素的吸收光谱中的暗线与线状谱中的亮线是对应的,光谱分析可以用线状谱,也可以用吸收光谱,它们都是原子的特征谱线。
2.对太阳光谱的解释
阳光中含有各种颜色的光,当阳光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弱了,这就形成了明亮背景下的暗线。
第十八章
原子结构
18.4
玻尔的原子模型
一、玻尔原子理论的基本假设
1.轨道量子化与定态
(1)能级(定态)假设
原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量.这些状态叫定态(本假设是针对原子稳定性提出的)
①能级:原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫做能级。
②基态:在正常状态下,原子处于最低能级,这时电子在离核最近的轨道上运动,这种定态叫基态。
③激发态:原子处于较高能级时,电子在离核较远的轨道上运动,这种定态叫激发态。
除基态以外的定态都叫激发态。
(2)轨道量子化假设
原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应.
原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。
轨道半径：rn=n2r1(n=1,2,3,…)
r1
代表第一条(即离核最近的)可能轨道的半径,
rn
代表第
n
条可能轨道的半径。电子的轨道是量子化的,且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的,不产生电磁辐射。
2.频率条件(跃迁假设)
原子从一种定态(设能量为En)跃迁到另一种定态(设能量为Em,且m>n)时,它辐射一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定,即
h=
Em
–
En。
这个式子称为频率条件,也叫辐射条件,h为普朗克常量,
为光子的频率。
特别提醒■
(1)本假设是针对线状谱提出的。
(2)只有电子从一条轨道跃迁到另一条轨道上时才辐射(或吸收)能量,辐射(或吸收)
的能量是一份一份的,等于这两个定态的能量差。
二、能级和能级图
1.能级的定义
在玻尔模型中,原子的可能状态是不连续的,因此各状态对应的能量也是不连续的.这些能量值叫做能级。
2.基态和激发态
各状态的标号1、2、3、…叫做量子数,通常用
n
表示。
能量最低的状态叫做基态,其他状态叫做激发态。
基态的能量用E1表示,=各激发态的能量分别用E2、E3、…表示。
3.氢原子的能级
对氢原子而言,核外的一个电子绕核运行时,若半径不同,则对应着的原子能量也不同。若使原子发生电离,外界必须对原子做功,使电子摆脱其与原子核之间的库仑力的束缚,所以原子电离后的能量比原子处于其他状态时的能量都高,我们把原子电离后的能量记为0,即选取电子处于无穷远处时氢原子的能量为零,则其他状态下的能量值就是负的。
原子各能级的关系为：
En=
(n=1,2,3,…)
对于氢原子而言,基态能量：
E1=-13.6eV
其他各激发态的能量为：
E2
=
-3.4eV,
E3
=
-
1.51
eV,…
4.氢原子的能级图
氢原子的能级图如图所示：
(1)由能级图可知,氢原子的能级不连续,这种现象叫能量量子化；
(2)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)n=1对应于基态,n→∞对应于原子的电离。
5.光子的发射与吸收
1.原子跃迁时,处于激发态的原子可能经过一次跃迁回到基态,也可能由较高能级的激发态先跃迁到较低能级的激发态,最后回到基态,一个原子由较高能级回到基态,到
底发生了几次跃迁是不确定的.
2.原子从基态跃迁到激发态时要吸收能量,而从激发态跃迁到基态时则以光子的形式向外放出能量,无论是吸收能量还是放出能量,这个能量值都不是任意的,而是等于原子发生跃迁的这两个能级间的能量差,△E=h
,
为发出光子的频率.
3.解释稀薄气体导电时的辉光导电现象
4.解释原子的特征谱线
特别提醒■玻尔模型引入了量子化的条件,但它仍然是一个“半经典半量子”的模型.完全解决原子光谱的问题必须彻底抛弃经典的轨道概念.
5.弗兰克-赫兹实验
(1)如果原子的能级是分立的,那么用碰撞的方式使原子吸收的能量,即其他粒子转移给原子的能量也应该是量子化的.
(2)1914年,弗兰克和赫兹利用电子轰击汞原子,发现电子损失的能量,也就是汞原子吸收的能量是分立的,从而证明汞原子的能量是量子化的.

展开更多......

收起↑