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原子结构
一、电子的发现







实物图 原理图
实验装置
真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈．
实验现象：
感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出荧光
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，这种射线命名为阴极射线。
当时对阴极射线本质的认识有两种观点
1.电磁波说，代表人物——赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射．
2.粒子说，代表人物——汤姆逊，他认为这种射线是一种带电粒子流．
阴极射线带电性质的判断方法
方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定带电的性质．
方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质．
实验结果
根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电。
汤姆逊胜出！并将该粒子命名为电子。而且汤姆逊又进一步研究了许多新现象，证明了电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。
电子比荷的测量
1．电子比荷的测定方法
根据电场、磁场对电子的偏转测量比荷(或电荷量)，可按以下方法：
(1)让电子通过正交的电磁场，如图所示，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即
F洛＝F电 Bqv＝qE 得到电子的运动速度v＝.

(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，如图所示，保留磁场让电子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝m，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r，可得
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电子的带电量是有密立根所测得。
油滴实验

油滴实验装置
①两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接，使上板带正电，下板带负电．油滴从喷雾器喷出后，经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中。
②大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时，因摩擦而带负电，油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降．观察者可在强光照射下，借助显微镜进行观察。
实验过程
1.两板间的电势差、两板间的距离都可以直接测得，从而确定极板间的电场强度E。但是由于油滴太小，其质量很难直接测出。密立根通过测量油滴在空气中下落的终极速度来测量油滴的质量。没加电场时，由于空气的黏性，油滴所受的重力大小很快就等于空气给油滴的摩擦力而使油滴匀速下落，可测得速度v1。
②再加一足够强的电场，使油滴做竖直向上的运动，在油滴以速度v2匀速运动时，油滴所受的静电力与重力、阻力平衡．根据空气阻力遵循的规律，即可求得油滴所带的电荷量．
以上过程只是简单的描述，设计流体力学相关知识点，所以简单了解一下就好了。
(3)结论
带电油滴的电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍，从而证实了电荷是量子化的，并求得了其最小值即电子所带的电荷量e。
总结：
1.英国物理学家汤姆孙发现了电子. 2.组成阴极射线的粒子——电子. 3.密立根通过“油滴实验”精确测定了电子电荷量.


二、原子结构
原子结构的发展史是人类对微观世界不断探索的历程，所以先后顺序作为理论题经常在化学和物理中出现，我做一个归纳。
1.道尔顿
英国科学家道尔顿1803年提出了世界上第一个原子。认为原子是一个坚硬的实心小球。
理论
①原子都是不能再分的粒子；②同种元素的原子的各种性质和质量都相同；③原子是微小的实心球体。
虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”
2. 汤姆逊
英国物理学家汤姆逊1904年在发现电子（1897年）的基础上提出了原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面，原子好似一块“葡萄干布丁”故名“枣糕模型”或“葡萄干蛋糕模型”；提出第一个存在着亚原子结构的原子模型。
原理
①电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。
3.卢瑟福
汤姆逊的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干面包式模型的正确性。
提出行星模型：原子的大部分体积是空的，电子按照一定轨道围绕着一个带正电荷的很小的原子核运转。以经典电磁学为理论基础，主要内容有：
①原子的大部分体积是空的 　②在原子的中心有一个很小的原子核　③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动。
4.波尔原子模型
1913年波尔提出电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量。
5.现代电子云
20世纪20年代根据海森堡的不确定性原理提出电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，对于具有波粒二象性的微观粒子在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准

卢瑟福的α粒子散射实验出现很多次了，书上说的也比较清楚，就不展开了

三、氢原子光谱
光谱：早在17世纪，牛顿就发现了太阳光的色散现象。含有多种颜色的光被分解后，各种单色光按波长大小依次排列的图案即为光谱。
连续光谱：连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。
产生条件：炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。

线状谱：一条条分立的谱线。各原子发光都是线状谱。说明原子只发出几种特定频率的光
线状谱的特点：
1.不连续，只是些亮线组成
2.不同色，每种颜色对应着一种波长
3.不等距，相邻两种光的波长间距不相同
线状谱可分为明线光谱和暗线光谱

明线光谱：只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。
产生条件：稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子的光谱。实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。

暗线光谱，又叫吸收光谱。在连续光谱上缺失了某些成份的光
产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的。

光谱分析：
由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。
在教材中主要对氢原子的光谱进行了分析，实际每个原子都有对应的光谱，但是由于其他原子的结构太复杂，分析工具和理论基础不足，所以不对其他原子分析。
氢原子的光谱如下图

如图可知，氢原子的光谱在可见光和不可见光范围内都有谱线分布，人们便对各种光线的波长进行数学归纳。
首先是巴尔末，他是一个瑞士的数学教师。对氢原子的光谱分析后总结出一个公式，称为巴尔末公式
n=3，4，5，...R=1.10×10-7m-1，R为里德伯常数
巴尔末是针对可见光范围内的4条光线的波长进行分析总结的，所以可见光部分的实验规律和公式是完美符合的， 其实就是能级n≥3的电子跃迁到能级n=2时所发出的光，但是不可见光部分就不能相符合了，后来很多科学家对其他波长的光谱进行了分析研究，总结出了很多类似的公式
莱曼系：能级n≥2的电子跃迁到能级n=1所发出的光的波长规律（紫外区）
n=2，3，4，...
帕邢系：能级n≥4的电子跃迁到能级n=3所发出的光的波长规律（红外区）
n=4，5，6...

不拉开系：能级n≥5的电子跃迁到能级n=4所发出的光的波长规律（红外区）
n=5，6，7，...

普丰德系：能级n≥6的电子跃迁到能级n=5所发出的光的波长规律（红外区）
n=6，7，8，...

哈弗来系：能级n≥7的电子跃迁到能级n=6所发出的光的波长规律（红外区）
n=7，8，9...
后来瑞典物理学家里德伯将上述各系列谱线归纳出氢原子谱线的经验公式：
n=k+1，k+2，k+3...


四、波尔原子模型
上述现象用经典物理学无法做出解释
无法解释的现象主要有两点：
现象 经典物理学 结果
原子是一个稳定结构 由卢瑟福原子模型可知，电子绕着与原子核高速运动，当电子向外辐射能量时，电子的能量减少，那么由库仑定律可得电子绕核运动的半径将逐渐变小，最后与原子核贴在一起，原子结构坍塌 矛盾
光谱是分立的谱线 电子轨道半径不断变小的过程是一个连续的过程，那么对应的光线也应该是连续的光谱 矛盾

这个时候波尔闪亮登场！玻尔在普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念的启发下，将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。
波尔的原子理论可以归纳为三大假设
1.量子化假设： （针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）
围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这个条件叫做轨道量子化条件；
(1)原子中的电子在库仑引力的作用下,绕原子核做圆周运动；
(2)电子绕核运动的轨道是不连续的；
(3)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.假设：（本假设是针对原子稳定性提出的）
不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子在做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的；
(1)当电子在不同轨道上运动时,原子处于不同的状态中,具有不同的能量,即原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作能级。
(2)原子中这些具有确定能量的稳定状态,称为定态。能量最低的状态叫作基态,其他的能量状态叫作激发态。
3.频率条件：（本假设针对线状谱提出）
原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射(或吸收)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hν=Em-En, (h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s) 。可见,电子如果从一个轨道到另一个轨道,不是以螺旋线的形式改变半径大小的,而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上。玻尔将这种现象叫作电子的跃迁。

波尔作出以上假设以后，对氢原子光谱进行了解释
1.氢原子的能级图

2.氢原子的轨道半径量子化公式
rn=n2r1（n=1，2，3，...） r1是基态的轨道半径
氢原子的能级公式

结合牛顿运动定律和库仑定律总结了一下两个式子
En= E1为基态能量，E1=-13.6eV
各轨道环绕周期公式
Tn=n3T1 T1为基态电子环绕周期
结合牛顿运动定律和库仑定律总结了一下两个式子
3. 解释了巴耳末公式
(1)按照玻尔理论,原子从高能级(如从Em)跃迁到低能级(如到E2)时辐射的光子的能量为hν=Em-E2。
(2)巴耳末公式中的正整数n和2正好代表能级跃迁之前和之后所处的定态轨道的量子数n和2。并且理论上的计算和实验测量的里德伯常量符合得很好
4.解释了气体导电发光现象：
处于基态的原子受到电子的撞击,可以跃迁到激发态,处于激发态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出光子,最终回到基态。
5.解释了氢原子光谱的不连续性
原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两能级差,由于原子的能级是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
6.解释了不同（类氢）原子具有不同的特征谱线
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)的光子频率也不相同。
众所周知，波尔的原子模型是不完善的，有很大的成功，同时也存在很大的局限性
1.玻尔理论的成功之处:玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念,成功地解释了氢原子光谱的实验规律。轨道量子化假设把量子观念引入原子理论，这是玻尔的原子理论之所以成功的根本原因
2.玻尔理论的局限性:对更复杂的原子发光,玻尔理论却无法解释,它过多地保留了经典粒子的概念。把电子运动看成是经典力学描述下的轨道运动。
3.电子云:根据量子观念,核外电子的运动服从统计规律,而没有固定的轨道,我们只能知道它们在核外某处出现的概率大小,画出来的图像就像云雾一样,稠密的地方就是电子出现概率大的地方,把它形象地称作电子云。
针对考试题目，在此拓展一下
1、氢原子的电离：

所以至少要13.6eV能量的光子或电子

2、使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收。
(2)原子还可吸收实物粒子(如自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值，就可使原子发生能级跃迁。

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