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第五章 原子与原子核
第一节 原子的结构
粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册
一、原子核式结构的提出
J.J.汤姆孙在气体电离和光电效应实验现象中发现，不同物质都可以逸出一种带负电的粒子，并且质量比任何一种分子或原子的质量都小得多，因此完全确认了电子的存在。由于发现电子这一杰出贡献，J.J.汤姆孙在1906年获得诺贝尔物理学奖。电子的发现打破了传统的“原子不可分”的观念，使人类对自然世界的认识又向前迈进了一步，也大大激发了人们研究原子内部结构的热情。由于原子呈电中性，既然电子带负电，那么原子内部一定还有带正电的部分.J.J.汤姆孙据此提出了一种原子结构模型.他设想原子是一个球体，正电荷均匀地分布在其中，质量很小的电子镶嵌其中(如图5-1-1所示)。有人形象地称其为“枣糕模型”或“葡萄干图5-1-1J.J.汤姆孙的原子结构模型布丁模型”。J.J.汤姆孙的模型能够解释一些实验事实，但是不久就被新的实验事实所否定。
1909-1911年，英国物理学家卢瑟福指导他的助手进行了α粒子散射实验。如图5-1-2所示是α粒子散射实验示意图。
整个实验在真空环境下进行。高速的α粒子束垂直射到很薄的金箔上，由于受到金原子中带电微粒的库仑力作用，一些α粒子通过金箔后必然会改变原来的运动方向，产生偏转。散射后的α粒子打在荧光屏上产生闪光，通过显微镜可以观察到这一现象。
实验结果出人意料：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至达到180°。
α粒子在飞行过程中碰到电子，其运动情况会发生什么变化？
设α粒子以速度v与电子发生弹性正碰，为简化讨论，假定电子原来是静止的。由于α粒子的质量远大于电子的质量，原子中的电子不可能使α粒子发生大角度的偏转。
为什么α粒子会出现大角度偏转呢？
卢瑟福认为，α粒子一定是受到原子内部正电荷产生的极强的电场斥力作用，运动方向才会发生如此大的改变，只有原子中的正电荷全部都集中在原子中心的一个很小的区域上，才有可能产生这种现象。
1911年，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示，原子的中心有一个带正电的很小的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕原子核旋转。原子半径的数量级大约是 而原子核半径的数量级为 仅相当于原子半径的万分之一。形象地说，假设原子像足球场那么宽阔，原子核只相当于一个硬币大小，可见原子内部是多么“空旷”。
在α粒子散射实验中，大多数α粒子都是“侵入”原子核和电子之间的空间里，它们受到的库仑力很小，运动方向的改变也就很小。当极少数α粒子非常接近金原子核时，它们之间强烈的斥力就迫使α粒子发生较大的偏转，甚至被弹回，如图所示。
二、氢原子光谱
原子核式结构模型成功解释了α粒子散射实验，但对原子光谱的解释却出现了问题。某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，这种光谱被称为原子光谱。原子光谱是了解原子结构最重要的直接证据。
【实验·探究】
如图5-1-5所示是观测氢原子光谱的实验装置图。在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2～3kV的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下发光，通过分光镜可观察到氢原子的光谱。
【实验·总结】
按照经典物理学的观点，核外电子带有电荷，运动中要辐射电磁波。电子损失了能量，它的轨道半径会不断变小，最终落在原子核上。由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率也会连续变化。
但事实上原子是稳定的，由实验得到的氢原子光谱是分立的，如图5-1-6所示。
三、原子的能级结构
丹麦物理学家玻尔在普朗克、爱因斯坦量子概念的启发下提出：电子绕原子核运动的轨道半径是分立的，电子只能在某些特定的轨道上运动。当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。这些分立的能量值被称为原子的能级。原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁。
处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁，并且在这个过程中辐射光子，如图所示。
假定原子在跃迁前后的能级分别为????????和????????，根据能量守恒定律，并结合爱因斯坦的光量子学说，可以得到辐射出光子的能量为
?
????????=?????????????????
?
反之，原子吸收了特定频率的光子，或者通过其他途径（如受到高速电子的轰击）获得能量时，便可以从低能级向高能级跃迁,如图所示，同样也遵循上述的规律。
如图所示是氢原子的能级示意图。每条横线代表一个能级，两条横线间的距离表示能级的间隔，即能量差。在正常状态下，氢原子处于最低的能级E1(n=1)，这个最低能级对应的状态称为基态。选取电子处于无穷远处时氢原子的能量为零，则氢原子各能级的能量为负值，其中，氢原子在基态时的能量为-13.6eV。
当电子受到外界激发时，可从外界吸收能量，并从基态跃迁到较高的能级E2，E3，…上，这些能级对应的状态称为激发态。处于激发态的氢原子是不稳定的。它会向较低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子形式向外辐射，这就是氢原子具有分立光谱的原因。辐射出的光子的能量等于两能级间的能量差。
玻尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律，是原子结构理论发展中的一个重大进展，但对于稍微复杂一点的原子，例如氦原子，就无法解释它的光谱现象。玻尔理论的局限性主要在于其保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍然看做为经典理论下的轨道运动。我们知道，波粒二象性是包括电子在内的一切微观粒子的共同特征。对于电子的运动，我们只能用概率波对其作统计性的描述。当原子处于不同的状态时，电子在原子核周围各处出现的概率不同。图5-1-10氢原子处于基态时的电子云若用疏密不同的点表示电子在各处出现的概率，这样画出的概率分布图称为电子云。如图5-1-10所示为氢原子处于基态时的电子云。
1.在物理学发展的过程中，许多物理学家的科学发现与研究方法推动了人类历史的进步．对以下几位物理学家所做科学贡献的表述中，与事实不相符的是（　　）
A．天然放射现象首先由贝克勒尔发现，他的发现，说明原子核具有复杂结构
B．卢瑟福通过α粒子散射实验发现了质子
C．伽利略研究自由落体运动方法的核心是科学实验和逻辑推理
D．爱因斯坦创立“光子说”并建立了“光电效应方程”，运用这些理论圆满解释了光电效应的实验规律
B
课堂练习
2.根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示是α粒子散射实验的图景，图中实线表示α粒子的运动轨迹，下列说法正确的是（　　）
A．轨迹3是正确的
B．轨迹2是正确的
C．少部分的α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进
D．α粒子在轨迹3的电势能先减小后增大
A
课堂练习
3.下列说法正确的是（　　）
A．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的波长太短
B．汤姆生发现电子，并提出了原子的核式结构
C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关
D．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，原子总能量不变。
C
4.下列说法符合事实的是（　　）
A．原子是不可再分的最小粒子
B．汤姆孙研究阴极射线时发现了电子，并提出原子的“核式结构”模型
C．电子的电荷量最早由密立根通过油滴实验测得
D．贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了质子
C
5.卢瑟福的α粒子散射实验装置如图所示，开有小孔的铅盒里面包裹着少量的放射性元素钋。铅能够很好地吸收α粒子，使得α粒子只能从小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是（　　）
A．α粒子碰撞到了电子会反向弹回
B．极少数α粒子发生了大角度偏转
C．该实验为汤姆孙的“枣糕模型”奠定了基础
D．该实验说明原子具有核式结构，负电荷集中在原子中心
B
6.物理学的发展，推动了技术的进步。下列说法正确的是（　　）
A．在研究地球围绕太阳运动时，用质点来代替地球、太阳的方法叫假设法
B．在推导匀变速直线运动位移公式时，把整个运动过程划分成很多小段，每一小段近似看成做匀速直线运动，然后把各小段的位移相加得出物体的位移，这里采用了微元法
C．法拉第在实验中观察到，在通有恒定电流的导线附近的导体线圈中会出现感应电流
D．汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，表明原子核是可以分割的
B
7.下列各种叙述中，不符合物理学史事实的是（　　）
A．普朗克提出了能量量子化理论
B．爱因斯坦提出的光子假说很好地解释了光电效应实验，说明光具有粒子性
C．英国物理学家法拉第得出了法拉第电磁感应定律并发明了第一台发电机
D．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型
C
8.α粒子散射实验被评为世界十大经典物理实验之一，此实验开创了原子结构研究的先河，为建立现代原子核理论打下了基础，关于α粒子散射实验，下列说法正确的是（???）
A．汤姆孙的α粒子散射实验，证明了原子核是可以再分的
B．该实验的数据否定了卢瑟福的“西瓜模型”，并估算了原子的大小
C．该实验表明原子中心有一个极大的核，它占有原子体积的极大部分
D．该实验表明占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围内
D
9.在α粒子穿过金箔发生大角度散射的过程中，下列说法中正确的是（　　）
A．α粒子一直受到金原子核的斥力作用
B．α粒子的动能不断减小
C．α粒子和金原子的电势能不断增加
D．α粒子发生散射，是与电子碰撞的结果
A
10.在卢瑟福α粒子散射实验中，少数α粒子发生大角度偏转的原因是（　　）
A．原子的正电荷和绝大部分质量都集中在一个很小的核上
B．正电荷在原子中均匀分布
C．原子中存在着带负电的电子
D．原子核中有中子存在
A
课堂小结
一、原子核式结构的提出1．阴极射线：阴极发出的一种射线．它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光．2．汤姆孙的探究根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电(填“正电”或“负电”)的粒子流，并求出了这种粒子的比荷．组成阴极射线的粒子被称为电子．
3．电荷的量子化：任何带电体的电荷只能是e的整数倍．5．电子的质量me＝9.1×10－31 kg(保留两位有效数字)，质子质量与电子质量的比值为????????????????=????????????????
?
二、原子的核式结构模型
1．α粒子散射实验：(1)α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、显微镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中。(2)实验现象①绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进；②少数α粒子发生了大角度偏转；偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”。(3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型。2．核式结构模型：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。
三、氢原子光谱的实验规律1．许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱是探索原子结构的一条重要途径。2．氢原子光谱的实验规律满足巴耳末公式：????????=????_（?????????????????????????）(n＝3,4,5，…)式中R为里德伯常量，R_＝1.10×107 m－1，n取整数。3．巴耳末公式的意义：以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征。
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四、原子的能级结构
1．能级跃迁：处于激发态的原子是不稳定的，它会自发地向较低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态．所以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????=????????????=????(?????????)????。
2．光子的发射：原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量，发射光子的频率由下式决定。hν＝Em－En(Em、En是始末两个能级且m>n)，能级差越大，发射光子的频率就越高。
3．光子的吸收：原子只能吸收一些特定频率的光子，原子吸收光子后会从较低能级向较高能级跃迁，吸收光子的能量仍满足hν＝Em－En(m>n)。
?
课堂训练
1.下列实验中，反应光具有粒子性的一面的实验是（　　）
A．α粒子散射实验
B．光电效应实验
C．康普顿效应实验
D．光的双缝干涉实验
BC
课堂训练
2.关于α粒子散射实验，下列说法正确的是（　　）
A．绝大多数α粒穿过金箔后，发生了较大角度的偏转
B．极少数α粒子的偏转角度甚至大于90°
C．根据实验现象可知原子结构不是“西瓜模型”或“枣糕模型”
D．α粒子发生偏转的原因是由于受到金箔中电子的作用
BC
课堂训练
3.下列说法中属于卢瑟福原子核式结构理论的有（?????）
A．原子是可再分的，电子是原子的组成部分
B．在原子的中心有个很小的核，叫做原子核
C．原子的正电荷和质量均匀分布于原子体内
D．原子核是由质子和中子组成的
BC
课堂训练
4.如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时观察到的现象，下述说法中正确的是（　　）
A．放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多
B．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些
C．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光
D．放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少
ABD
课堂训练
5.下列关于光谱的说法正确的是（　　）
A．连续谱就是由连续发光的物体产生的光谱，线状谱是线状光源产生的光谱
B．通过对连续谱的光谱分析可鉴定物质成分
C．连续谱是连在一起的光带，线状谱是一条条分立的谱线
D．通过对线状谱的亮线光谱分析或对吸收光谱的暗线分析可鉴定物质成分
CD
课堂训练
6.研究α粒子散射的实验装置如图所示，关于α粒子散射实验，下列说法正确的是（　　）
A．绝大多数α粒子沿直线穿过，偏转角很小，说明原子核内部大部分是中空的
B．少数α粒子穿过金箔后发生较大角度的偏转是由于其与电子发生了碰撞
C．极少数α粒子被弹回，说明原子中心是一个体积小、带正电且占有原子几乎全部质量的核
D．在α粒子散射实验中，当α粒子最接近原子核时，电势能最小
AC

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