选修35原子结构

1、会计学1选修选修35原子结构原子结构 19世纪是电磁学大发展的时期世纪是电磁学大发展的时期, 到七、八到七、八十年代电气工业开始有了发展十年代电气工业开始有了发展, 其中电气照明其中电气照明也吸引了许多科学家的注意，问题涉及低压气也吸引了许多科学家的注意，问题涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。发电现象有关的问题。 阴极射线阴极射线是低压气体放电过程中出现的是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象，德国物理学家一种奇特现象，德国物理学家J.普吕克尔在普吕克尔在1858年利用低压气体放电管研究气体放电时年利用低压气体放电管研

2、究气体放电时发现的发现的 .从低压气体放电管阴极发出一种射线从低压气体放电管阴极发出一种射线。 阴极射线阴极射线 对其本性对其本性的研究形成了的研究形成了英国英国学派的微学派的微粒说和粒说和德国德国学学派的以太说。派的以太说。 1876年，戈年，戈德斯坦的研究德斯坦的研究。阴极射线阴极射线 对其本性的研究导致了对其本性的研究导致了英国英国学派的微粒说和学派的微粒说和德德国国学派的以太。学派的以太。 粒子和电磁波有什么区别？粒子和电磁波有什么区别？ 实验实验 实验该怎么做？实验该怎么做？MN气体放电管气体放电管- -+ +进一步做实验：确定荷质比进一步做实验：确定荷质比经检验为经检验为负电荷负电

3、荷MN一个质量为一个质量为m,m,电量为电量为e e的带电粒子的带电粒子, ,以速度以速度v v垂直进垂直进入磁场入磁场B B中中, ,2vmevBr在平行板在平行板MNMN间产生竖直向上的电场间产生竖直向上的电场E,E,在垂直电场向在垂直电场向外的方向上加一磁场外的方向上加一磁场B,B,适当地调节电场和磁场的强适当地调节电场和磁场的强度度, ,可以测出速度大小可以测出速度大小V=V=E/BrBEmq2+ +- -18971897年得到实验结果：年得到实验结果： 荷质比约为质子的荷质比约为质子的20002000倍倍实验结果实验结果：荷质比约为质子的：荷质比约为质子的20002000倍倍 进一步

4、分析进一步分析实验结果：是电荷比实验结果：是电荷比质子大？还是质量比质子小？（测量质子大？还是质量比质子小？（测量） 进一步拓展研究对象：用不同的材进一步拓展研究对象：用不同的材料做阴极做实验，光电效应、热离子发料做阴极做实验，光电效应、热离子发射效应、射线（研究对象射效应、射线（研究对象普遍化普遍化）。）。实验结论实验结论：电子是原子的组成部分，：电子是原子的组成部分，是比原子跟基本的物质单元。是比原子跟基本的物质单元。 美国科学家美国科学家密立根密立根又精确地测定了电子的又精确地测定了电子的电量：电量： e=1.6022e=1.602210101919 C C 根据荷质比，可以精确地计算出

5、电子的质根据荷质比，可以精确地计算出电子的质量为：量为： m=9.1094m=9.109410103131 kg kg 电子的发现具有伟大的意义，因为这一事电子的发现具有伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门。电子的发现打开了通向原子物理学的大门 ,人人们开始研究原子的结构们开始研究原子的结构 . 他被科学界誉为他被科学界誉为“一位最先打开通向基本一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人粒子物理学大门的伟人”习题习题1 1：如图，在两平行板间有平行的均匀电如图，在两平行板间有平行的均匀电场场E

6、 E，匀强磁场，匀强磁场B B。MNMN是荧光屏，中心为是荧光屏，中心为O O，OOOO=L=L，在荧光屏上建立一个坐标系，原点是，在荧光屏上建立一个坐标系，原点是O O，y y轴向上，轴向上，x x轴垂直纸面向外，一束速度轴垂直纸面向外，一束速度、荷荷质比相同的粒子沿质比相同的粒子沿OOOO方向从方向从O O射入，打在射入，打在屏上屏上P P（- - ）点，求：）点，求：（1 1）粒子带何种电荷？）粒子带何种电荷？（2 2）B B的方向？的方向？（3 3）粒子的荷质比？）粒子的荷质比？3,36LLO OO OM MN N思考与研讨思考与研讨习题习题2 2：示波管中电子枪的原理图如图。管内为空

7、，示波管中电子枪的原理图如图。管内为空，A A为发射热电子的阴极，为发射热电子的阴极，K K为接在高电势点的加速阳极为接在高电势点的加速阳极，A A、K K间电压为间电压为U U。电子离开阴极是速度可以忽略，。电子离开阴极是速度可以忽略，电子经加速后从电子经加速后从K K的小孔中射出时的速度大小为的小孔中射出时的速度大小为v v，下，下面说法正确的是：面说法正确的是：( ) ( ) A A、如果、如果A A、K K间距离减半，电压间距离减半，电压U U、不变，则离开时速不变，则离开时速率变为率变为2v 2v B B、如果、如果A A、K K间距离减半，电压间距离减半，电压U U、不变，则离开时

8、速不变，则离开时速率变为率变为v/2 v/2 C C、如果、如果A A、K K间距离不变，电压间距离不变，电压U U减半，则离开时速率减半，则离开时速率变为变为2v 2v D D、如果、如果A A、K K间距离不变，电压间距离不变，电压U U减半，则离开时速率减半，则离开时速率变为变为0.707v0.707vA AK KU U电子正电荷 在汤姆生的原在汤姆生的原子模型中，原子是子模型中，原子是一个球体；正电核一个球体；正电核均匀分布在整个球均匀分布在整个球内，而电子都象布内，而电子都象布丁中的葡萄干那样丁中的葡萄干那样镶嵌在内。镶嵌在内。 1909 190919111911年，英国物年，英国物

9、理学家卢瑟福和他的助理学家卢瑟福和他的助手们进行了手们进行了 粒子散射粒子散射实验实验卢卢瑟瑟福福著名的著名的 粒子散射实验粒子散射实验绝大多数绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但少数来的方向前进，但少数 粒子发生粒子发生了较大的偏转，并且有极少数了较大的偏转，并且有极少数 粒粒子的偏转超过了子的偏转超过了90，有的甚至几，有的甚至几乎达到乎达到180。在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核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原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里子核里带负电的电子在核外空间绕着核旋转带负电的电子在

10、核外空间绕着核旋转 根据卢瑟福的原子结构模型，原子内根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分部是十分“空旷空旷”的，举一个简单的例子的，举一个简单的例子：体育场原子原子核答案：答案：B答案：答案：C答案：答案：BC光谱光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度分是在不可见光区域）的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。布的记录。有时只是波长成分的记录。发射光谱可分为两类：发射光谱可分为两类：连续光谱连续光谱和和明线光明线光谱谱。1.1.发射光谱发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做物体发光直接产生的光谱叫做发射光发射光谱。谱。

11、平行光管标度管三棱镜观察管分光镜分光镜分光镜原理分析标度管 炽热的固体、液体及高压气体炽热的固体、液体及高压气体的光谱，的光谱，是由是由连续连续分布的一切波长的光组成的，这分布的一切波长的光组成的，这种光谱叫做种光谱叫做连续光谱连续光谱。2）明线光谱（）明线光谱（原子光谱）原子光谱） 只含有一些只含有一些不连续的亮线不连续的亮线的光谱叫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。同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光是明线光谱。明线光谱是谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的由游

12、离状态的原子发射的，也叫，也叫原子光谱原子光谱。高压电源高压电源光谱管光谱管各种元素都只能发出具有本身特征的某些波长的光，各种元素都只能发出具有本身特征的某些波长的光，明线明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。光谱的谱线也叫原子的特征谱线。吸吸 收收 光光 谱谱钠蒸气光谱中产生的一组暗线，每条光谱中产生的一组暗线，每条暗线的波长都跟那种气体原子暗线的波长都跟那种气体原子的特征谱线相对应。的特征谱线相对应。各种光谱各种光谱连续光谱连续光谱H的发射光的发射光谱谱钠的发射钠的发射光谱光谱钠的吸收钠的吸收光谱光谱太阳的吸太阳的吸收光谱收光谱 光光 谱谱发射光谱发射光谱定义：由发光体直接产生的光谱定义：由发

13、光体直接产生的光谱连续光谱连续光谱产生条件：产生条件：炽热的固体、液体炽热的固体、液体和和高压气体高压气体发发 光形成的光形成的光谱的形式：光谱的形式：连续连续分布，一切波长的光都有分布，一切波长的光都有线状光谱线状光谱（原子光谱（原子光谱）产生条件：产生条件：稀薄气体发光稀薄气体发光形成的光谱形成的光谱光谱形式：一些光谱形式：一些不连续的明线不连续的明线组成，不同组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）吸收光谱吸收光谱定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱光谱产生条件：产生条件：炽热的白光通过温度

14、较白光低炽热的白光通过温度较白光低的气体后的气体后，再，再色散色散形成的形成的光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现出现一些暗线一些暗线（与（与特征谱线特征谱线相对应）相对应） 各种光谱的特点及成因：研究太阳研究太阳高层大气高层大气层所含元层所含元素素氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。二、氢原子光谱二、氢原子光谱221111()3,4,5,.2Rnnm7巴耳末公式 R=1.10 10里德伯常量原子核式结构模型原子核式结构模型与与经典电磁理论经典电磁理论的矛盾的矛盾核外电子绕核运动核外电子绕核运动辐射

15、电磁波辐射电磁波电子轨道半径连续变小电子轨道半径连续变小原子不稳定原子不稳定辐射电磁波频率连续变化辐射电磁波频率连续变化事实上事实上：原子是稳定的原子是稳定的原子光谱是线状谱原子光谱是线状谱卢瑟福原子核式模型无法解释氢原子光谱的规律卢瑟福原子核式模型无法解释氢原子光谱的规律。氢 气 的 吸 收 光 谱氢气返 回一、玻尔原子理论的基本假设： 1、能级（定态）假设：原子只能处于一系列不连、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。这些状态叫虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这

16、些状态叫定态。（本假设是针对原子稳定性提出的） 2、跃迁假设：原子从一种定态（设能量为、跃迁假设：原子从一种定态（设能量为E初初）跃迁）跃迁到另一种定态（到另一种定态（设能量为设能量为E终终）时，它辐射（或吸收）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，即决定，即 （本假设针对线状（本假设针对线状谱提出）谱提出）E初 E终 h v 3 3、轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿、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不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续

17、的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。（针对的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）原子核式模型提出，是能级假设的补充） 二、玻尔根据经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式：2轨道半径轨道半径：（n=1,2,3)能能 量量： Enn21E1（n=1,2,3) 式中式中r r1 1、E E1 1、分别代表第一条（即离核最近、分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，的能量，r rn n、E En n 分

18、别代表第分别代表第n n条可能轨道的半径和条可能轨道的半径和电子在第电子在第n n条轨道上运动时的能量，条轨道上运动时的能量，n n是正整数，是正整数，叫叫量子数量子数。( (能量级模拟演示）能量级模拟演示）三、氢原子的能级图（演示）-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540 eVnE/eV氢原子的能级图氢原子的能级图赖曼系巴耳末系帕邢系 1、能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。 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：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。 4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态

19、或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。四、能级： 19111911年，卢瑟福根据年，卢瑟福根据粒子散射实验，提出了原子核粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。式结构模型。19131913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子核式结构模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念核式结构模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间跃迁时：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间跃迁时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原

20、子所处两定态能级间的能量差。随着英国物理学家埃万斯对所处两定态能级间的能量差。随着英国物理学家埃万斯对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在19141914年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用电子与稀年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用电子与稀薄气体中原子碰撞的方法薄气体中原子碰撞的方法( (与光谱研究相独立与光谱研究相独立) )，简单而巧，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，从而为玻尔原子理论提妙地直接证实了原子能级的存在，从而为

21、玻尔原子理论提供了有力的证据。供了有力的证据。 1925 1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖（年的诺贝尔物理学奖（19261926年于德国洛丁根补发）。年于德国洛丁根补发）。夫兰克夫兰克- -赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。统的经典实验。(JAMES FRANCK)(GUSTAV HERTZ) 根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连

22、续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3)Ei(i=1,2,3)，这些能量值称为能级。最低能级所对，这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。 当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差。所处两定态能级间的能量差。 mnEEhv(h为普朗克常数)本实验中是利用一定能量

23、的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则： mnEEeV(为激发电位为激发电位)夫兰克夫兰克- -赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞。电子由阴级验用的是汞。电子由阴级K K发出，发出，K K与栅极与栅极G G之间有加速之间有加速电场，电场，G G与接收极与接收极A A之间有减速电场。当电子在之间有减速电场。当电子在KGKG空间经空间经过加速、碰撞后，进入过加速、碰撞后，进入KGKG空间时，能量足以冲过减速电空间时，能量足以冲过减速电场，就成为电流计的电流。场，就成为电流计的电流。 改进的夫兰克改进的夫兰克- -赫兹赫兹管的基本结构见

24、右图。管的基本结构见右图。电子由阴极电子由阴极K K发出，阴极发出，阴极K K和第一栅极和第一栅极G1G1之间的加之间的加速电压速电压VGVG1 1K K及与第二栅极及与第二栅极G G2 2之间的加速电压之间的加速电压VGVG2 2K K使使电子加速。在板极电子加速。在板极A A和第和第二栅极二栅极G G2 2之间可设置减速之间可设置减速电压电压VGVG2A2A。AVVG1KKVG2KG1VG2AG2电子汞原子A灯丝夫兰克赫兹管结构图 设汞原子的基态能量为设汞原子的基态能量为E E0 0，第一激发态的能量为，第一激发态的能量为E E1 1，初速为零，初速为零的电子在电位差为的电子在电位差为V

25、V的加速电场作用下，获得能量为的加速电场作用下，获得能量为eVeV，具有这种，具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量eVEeV r rb b，则在此过，则在此过程中（程中（ ） A A、原子要发出一系列频率的光子、原子要发出一系列频率的光子 B B、原子要吸收一系列频率的光子、原子要吸收一系列频率的光子 C C、原子要发出某一频率的光子、原子要发出某一频率的光子 D D、原子要吸收某一频率的光子、原子要吸收某一频率的光子C一、激光一、激光 1、概念：、概念： 激光准确内涵是激光准确内涵是“来自受激辐射的放大、来自受激辐射的放大、增强的光增强的光”。 英文全称为英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 缩写为缩写为Laser，中文也常音译为，中文也常音译为“镭射镭射”。 2、产生机理：、产生机理： 激光的产生原理是利用了物质激光的产生原理是利用了物质原子受激辐射原子受激辐射后发生跃迁后发生跃迁的特性。的特性。 特点作用应用实例相干光 可进行调制、传递信息光纤通信平行度非常好传播很远距离能保持一定强度，可精确测距测速激光雷达可会聚于很小的一点，记录信息密度高DVD、