原子结构氢原子光谱教材

1、原子结构丽I编稿：郁章富审稿：代洪目标认知学习目标1、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。学习重点和难点鬲核式结构模型、玻尔理论知识要点梳理忌知识点一一一电子的发现蠢1、阴极射线临通常情况下，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，

2、电离后的自由电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。如果管内的气体分子很少， 气体压强降到O.IPa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现象。187

3、6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、电子的发现忌从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D1、D2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)。汤姆孙发现，用不

4、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3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油滴实验”做出的。电子电荷

5、的现1919代值为：e=1.602 177 33 (49) X10- C,通常取e=1.60构C。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 me=9.109 389 7 10-31kg。质子质量和电子质量的比值mp/me=1 836知识点二一一原子的核式结构模型皙1、汤姆孙的原子模型囱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，电子镶嵌其中。有人形象地把汤姆孙模型称之为西

6、瓜模型”或枣糕模型”。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粒子散射实验盅(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a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，由于金原子中的带电粒子对 a粒子有库仑力的作用，一些a粒子的运动方向

7、发生改变，也就是发生了 a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Vi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：动量守恒：Mvi=Mv/ +mv2z机械能守恒:二 MvL MV，2+二mv2/r M _m7299 Vj 二V二

8、-a Vj解得：a粒子碰后速度 厂二；丨 7：:-速度变化 v=vi/ -vi=-0.0003Vi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1/7300,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。 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

9、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岡卢瑟福对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

10、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|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。

11、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10- m,而整个原子半径的数量级是 10- m,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宓1、光谱、光谱分析：壶(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

12、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

13、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11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：Ki1885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：二农p-p)-10-19C，普朗克恒量h=6.63s,求：(1) 氢原子的电子在第一轨道上运动时的动能和电势能分别为多少eV ?(2) 若使基态的氢原子电离需要波长为多大的光子照射？解析:(1)根据牛顿定律：库仑力做向心力丄空9

14、汇io* 咒 &只10“)22xO；53xlOqc/=21 73xlO_19J=13.6e处于基态原子的能量E1=Ek1+Ep1 (电势能)Ep1=E1-EK1=-13.6-13.6=-27.2eV(2)欲使氢原子从基态电离，即n=1跃迁至n=g,氢原子吸收的能量 E=E*-E1=13.6eV ,he又 E=h u=,光子的波长 he 6.63x1 0_34x3x1C_oA = 战二 9 14x10AS 13.6x1.6x10总结升华：核外电子绕核做圆周运动的向心力，来源于库仑力2 2由F哼二= m 得：Ejrr即老大时，动能趣I、，Xr = nir1, E” =与n即量子数n越大时，半径越大

15、，动能越小，势能越大，原子总能量越大。举一反三【变式】氢原子的基态能量为 Ei，电子轨道半径为ri，电子质量为 m，电量大小为e。 氢原子中电子在 n=3的定态轨道上运动时的速率为 V3,氢原子从n=3的定态跃迁到n=1的 基态过程中辐射光子的波长为 入，则以下结果正确的是：（）B.c.电子的电势能和动能都要减小 D 电子的电势能减小，电子的动能增大解析：玻尔理论虽然解决了一些经典电磁学说遇到的困难， 但在玻尔的原子模型中仍然 认为原子中有一很小的原子核， 电子在核外绕核做匀速圆周运动， 电子受到的库仑力作向心 力，有：2根据玻尔理论 m=nri即2=9门，所以，因此A正确。%由于二土旺吗二知

16、且血二鸟毘9hcA ，所以-,因此B正确。氢原子从n=3跃迁到n=1,电子受到的库仑力做正功，电势能减小；由=1 =知电子动能，即轨道半径越小，动能越大，所以D正确，C错误。答案：ABD类型三一一光谱和光谱分析曉A、原子能处于一系列连续的能量状态中B、每一种原子只能在基态和某一激发态之间发生跃迁C、原子辐射出光子的频率，只能由发生跃迁的两能级之间的能量差决定，光子的频率 是连续的D、每种原子只能发出自己特定的某些波长的光解析：任何一个原子的吸收光谱中每一条暗线都跟该种原子发射的明线光谱中的一条明 线相对应，波长相同这表明，低温原子吸收的光，正好是这种原子在高温时发出的光，因 此不但明线光谱的谱线叫原子的特征谱线，吸收光谱也可以叫原子的特征谱线，原子不同， 特征谱线也不同，这一规律反映了原子内部是有规律的，不同的原子特征谱线反映了不同原子具有不同结构.答案：D总结升华：原子的特征谱线：每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线，这些光谱被叫做那种元素的原子的特征谱线；线状谱和吸收光谱都属于特征谱线，同种元素的线状光谱中的明线和吸收光谱中的暗线是对应的。5、如图甲所示为氢原子的能级，图乙为氢原子的光谱。已知谱线a是氢原子从n=4的能级跃迁到n= 2的能级时的辐射光，则谱线b是氢原子：（）A、从n= 3的能级跃迁到n= 2的能级时的辐射光B、从n= 5的能级跃迁到