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歡迎進入物理課堂 第3章 原子世界探秘復(fù)習 一 電子的發(fā)現(xiàn)1 湯姆生對陰極射線進行了一系列的實驗研究 1897年 他確認陰極射線是帶負電的粒子 湯姆生發(fā)現(xiàn)電子 由于電子的發(fā)現(xiàn) 人們認識到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒 原子本身也有結(jié)構(gòu) 2 湯姆生原子模型 原子是一個球體 正電荷均勻分布在整個球內(nèi) 而電子卻像棗子那樣鑲嵌在原子里面 這個模型能解釋一些實驗事實 但無法解釋 粒子散射實驗 二 原子的核式結(jié)構(gòu)1 粒子散射實驗 1909年至1911年絕大多數(shù) 粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進 少數(shù) 粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn) 并有極少數(shù)的 粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90 有些甚至被彈回 偏轉(zhuǎn)角幾乎達到180 2 盧瑟福原子模型 在原子的中心有一個很小的核 叫做原子核 原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里 帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn) 盧瑟福的原子核式模型 能解釋 粒子散射實驗 卻與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾 3 原子核的電荷和大小 根據(jù)盧瑟福的原子核式模型和 粒子散射的實驗數(shù)據(jù) 可以推算出各種元素原子核的電荷數(shù) 還可以估計出原子核的大小 1 原子的半徑約為10 10米 原子核半徑約是10 14米 原子核的體積只占原子的體積的萬億分之一 2 原子核所帶正電荷數(shù)與核外電子數(shù)以及該元素在周期表內(nèi)的原子序數(shù)相等 3 電子繞核旋轉(zhuǎn)所需向心力就是核對它的庫侖力 三 玻爾的原子模型1 玻爾的原子理論 1 原子只處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中 在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的 電子雖然做加速運動 但并不向外輻射能量 這些狀態(tài)叫做定態(tài) 2 原子從一種定態(tài) 設(shè)能量為E1 躍遷到另一種定態(tài) 設(shè)能量為E2 時 它輻射或吸收一定頻率的光子 光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定 3 原子的不同能量狀態(tài)對應(yīng)于電子的不同運動軌道 由于原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的 因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的 2 氫原子的大小和能極 玻爾的計算結(jié)果可以概括為兩個公式 n是正整數(shù) 叫做量子數(shù) 玻爾計算出了r1和E1的數(shù)值 玻爾的原子理論對氫光譜的解釋 4 玻爾理論的局限性 玻爾理論的成功之處在于它引入了量子觀念 失敗之處在于它保留了過多的經(jīng)典物理理論 20世紀20年代 建立了量子力學 量子力學是一種徹底的量子理論 它不但成功解釋了玻爾理論能解釋的現(xiàn)象 而且能夠解釋大量的玻爾理論所不能解釋的現(xiàn)象 四 量子理論 電子云 當原子處于不同的狀態(tài)時 電子在各處出現(xiàn)的概率是不一樣的 如果用疏密不同的點子表示電子在各個位置出現(xiàn)的概率 畫出圖來 就像云霧一樣 形象地稱做電子云 典型例題 例1 盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)學說的根據(jù)是 在用 粒子轟擊金箔的實驗中發(fā)現(xiàn) 粒子 A 全部穿過或發(fā)生很小的偏轉(zhuǎn) B 絕大多數(shù)穿過 只有少數(shù)發(fā)生很大偏轉(zhuǎn) 甚至極少數(shù)被彈回 C 絕大多數(shù)發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn) 甚至被彈回 只有少數(shù)穿過 D 全部發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn) 分析 粒子轟擊金箔的實驗結(jié)果是 絕大多數(shù) 粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進 少數(shù) 粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn) 且有極少數(shù) 粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90 有的甚至被彈回 盧瑟福根據(jù)這個實驗事實提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學說 答 選項B正確 例2 氫原子的核外電子由一個軌道躍遷到另一軌道時 可能發(fā)生的情況有 A 放出光子 電子動能減小 原子勢能增加 B 放出光子 電子動能增加 原子勢能減少 C 吸收光子 電子動能減小 原子勢能增加 D 吸收光子 電子動能增加 原子勢能減小 分析 根據(jù)玻爾理論 氫原子的不同定態(tài)是跟核外電子繞不同圓形軌道運動相對應(yīng)的 氫原子的各個定態(tài)的能量值 包括電子的動能和電子與核子之間的電勢能 稱為各個定態(tài)的能級 用En表示電子在第n軌道上的原子能級 用E1表示電子在第1軌道上的原子能級 且 這表明電子在外軌道的能級高于電子在內(nèi)軌道時的能級 又根據(jù)原子由高能級向低能級躍遷要放出一個光子 原子由低能級向高能級躍遷要吸收一個光子 可見 原子放出光子是電子由外軌道向內(nèi)軌道躍遷 原子吸收光子是電子由內(nèi)軌道向外軌道躍遷 根據(jù)電子繞原子核做勻速圓周運動的動力學方程得到電子繞核運轉(zhuǎn)時動能的表達式由上式可以看出 電子在半徑較大的軌道上運行時 動能反而小 根據(jù)電子與原子核間的作用力是引力 電子由較低軌道躍遷到較高軌道時 電場力做負功 電勢能增加 因此 當原子放出光子時 是電子從高軌道向較低軌道躍遷 電子的動能增加 原子的勢能減少 總能量亦減少 選項B正確 當原子吸收光子時 是電子從較低軌道向較高軌道躍遷 電子的動能減小 原子的勢能增加 原子的總能量增加 選項C正確 答 選項B C正確 說明 電子在半徑為r的軌道上繞核做勻速圓周運動時 電子具有的動能設(shè)電子距原子核為無窮遠時 原子的電勢能為零 那么 電子在半徑為r的軌道上繞核運行時 原子的電勢能原子具有的總能量 例3 一群處于n 5的激發(fā)態(tài)的氫原子 當它們向n 2的能級躍遷時 可能輻射n種頻率的光子 其中光子的最大和最小的頻率各為多少 分析 原子輻射光子的能級躍遷情況如圖所示 原子由第5能級向第2能級躍遷時 輻射的光子能量最大 頻率也最大 原子由第5能級向第4能級躍遷時 輻射的光子能量最小 頻率也最小 解答 一群處于n 5的激發(fā)態(tài)的氫原子 當它們向n 2的能級躍遷時 可能輻射6種頻率的光子 從n 5直接躍遷到n 2的能級時 輻射的光子的頻率最大 從n 5躍遷到n 4的能級時 輻射的光子的頻率最小 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全