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第 1課時(shí)　原子結(jié)構(gòu)
基礎(chǔ)知識(shí)歸納
1.電子的發(fā)現(xiàn)和湯姆孫的原子模型
電子的發(fā)現(xiàn)：
1897年英國(guó)物理學(xué)家　湯姆孫　，對(duì)陰極射線進(jìn)行了一系列的研究，從而發(fā)現(xiàn)了電子.使人們認(rèn)識(shí)到　原子　有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭開(kāi)了研究原子的序幕.
湯姆孫的“棗糕”模型：
原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子一樣鑲嵌在原子里.
2.盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型
(1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置
(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：α粒子通過(guò)金箔時(shí)，絕大多數(shù)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過(guò)90°，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°.
(3)核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)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(fù)電的電子在核空間里繞著核旋轉(zhuǎn).原子核所帶的正電荷數(shù)等于核外的　電子數(shù)　，所以整個(gè)原子是呈電中性的.電子繞著核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對(duì)它的　庫(kù)侖引力　.
(4)從α粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)估算出原子核大小的數(shù)量級(jí)為10－15～10－14 m，原子大小的數(shù)量級(jí)為10－10 m.
3.氫原子光譜
(1)光譜分為兩類，一類稱為　線光譜　，另一類稱為　連續(xù)光譜��；
(2)各種原子的發(fā)射光譜都是線狀光譜，都只能發(fā)出幾種特定頻率的光，不同原子的發(fā)光頻率是不同的，因此線狀光譜稱為原子的　特征譜線　，對(duì)光譜線進(jìn)行分析，就可以確定發(fā)光物質(zhì)，這種方法稱為　光譜分析　.
(3)氫原子光譜可見(jiàn)光譜線波長(zhǎng)可以用公式： 表示，式中R稱為里德伯常量，R＝1.1×107 m－1.
4.玻爾的原子模型
(1)原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論的矛盾說(shuō)明，經(jīng)典電磁理論已不適用于原子系統(tǒng)，玻爾從光譜學(xué)成就得到啟發(fā)，利用普朗克的能量量子化的概念，提出三個(gè)假設(shè)：
①　定態(tài)假設(shè)　：原子只能處于一系列不連續(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(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫定態(tài).
②　躍遷假設(shè)�。涸�子從一個(gè)定態(tài)(設(shè)能量為E2)躍遷到另一定態(tài)(設(shè)能量為E1)時(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定，即hν＝E2－E1.
③　軌道量子化假設(shè)　：原子的不同能量狀態(tài)，跟電子不同的運(yùn)行軌道相對(duì)應(yīng).原子的能量不連續(xù)，因而電子可能軌道的分布也是不連續(xù)的.
(2)玻爾的氫原子模型
①氫原子的能級(jí)公式和軌道半徑公式：玻爾在三條假設(shè)基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)，計(jì)算出氫原子核外電子的各條可能軌道的半徑，以及電子在各條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子的能量.
氫原子中電子在第n條可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，氫原子的能量En和電子軌道半徑rn分別為En＝ 、rn＝n2r1(n＝1、2、3…).
其中E1、r1為離核最近的第一條軌道(即n＝1)的氫原子能量和軌道半徑.即E1＝－13.6 eV，r1＝0.53×10－10 m(以電子距原子核無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)電勢(shì)能為零計(jì)算).
②氫原子的能級(jí)圖：氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值，叫　氫原子的能級(jí)　.按能量的大小用圖象表示出來(lái)即能級(jí)圖.
其中n＝1的定態(tài)稱為　基態(tài)　，n＝2以上的定態(tài)，稱為　激發(fā)態(tài)　.
5.原子核結(jié)構(gòu)
(1)湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，說(shuō)明　原子　不是最小的微粒；盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明原子里存在一個(gè)很小的　原子核�。槐R瑟福用α粒子轟擊氮原子核，獲得質(zhì)子，說(shuō)明　原子核　也不是最小的微粒.
(2)原子核是由　質(zhì)子　和　中子　組成的；質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為　核子　，原子核的核電荷數(shù)等于　質(zhì)子數(shù)　，等于原子的核外　電子數(shù)��；原子核的質(zhì)量數(shù)等于原子核內(nèi)的　核子數(shù)　.
(3)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子核互稱　同位素　，原子的化學(xué)性質(zhì)決定于原子的核外　電子數(shù)　；同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)，相同的核外電子數(shù)，因而具有相同的　化學(xué)性質(zhì)　.
重點(diǎn)難點(diǎn)突破
一、為什么用α粒子散射實(shí)驗(yàn)研究原子結(jié)構(gòu)
原子結(jié)構(gòu)無(wú)法直接觀察到，要用高速粒子進(jìn)行轟擊，根據(jù)粒子的散射情況分析判斷原子的結(jié)構(gòu)，而α粒子有足夠的能量，可以穿過(guò)原子，并且利用熒光作用可觀察α粒子的散射情況，所以選取α粒子進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn).
二、氫原子怎樣吸收能量由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷
此類問(wèn)題可分為三種情況：
1.光子照射氫原子，當(dāng)光子的能量小于電離能時(shí)，只能滿足光子的能量為兩定態(tài)間能級(jí)差時(shí)才能被吸收.
2.光子照射氫原子，當(dāng)光子的能量大于電離能時(shí)，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用來(lái)使電子電離，另一部分可用來(lái)增加電子離開(kāi)核的吸引后的動(dòng)能.
3.當(dāng)粒子與原子碰撞(如電子與氫原子碰撞)時(shí)，由于粒子的動(dòng)能可全部或部分被氫原子吸收，故只要入射粒子的動(dòng)能大于或等于原子兩能級(jí)的能量差，就可以使原子受激發(fā)而向高能級(jí)躍遷.
典例精析
1.α粒子散射實(shí)驗(yàn)與核式結(jié)構(gòu)模型
【例1】盧瑟福通過(guò)對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，提出(　　)
A.原子的核式結(jié)構(gòu)模型B.原子核內(nèi)有中子存在
C.電子是原子的組成部分D.原子核是由質(zhì)子和中子組成的[高考資源網(wǎng)KS5U.COM]
【解析】盧瑟福精確統(tǒng)計(jì)了向各個(gè)方向散射的α粒子的數(shù)目，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷與幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間運(yùn)動(dòng)，由此可知，A選項(xiàng)正確.
【答案】A
【思維提升】(1)關(guān)鍵是利用α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析.
(2)盡管B、C、D正確，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能說(shuō)明它們，故不選B、C、D.[Ks5u.com]
【拓展1】在盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是( A )[高考資源網(wǎng)]
A.原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上
B.正電荷在原子中是均勻分布的
C.原子中存在著帶負(fù)電的電子
D.原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中
【解析】α粒子帶正電，其質(zhì)量約是電子質(zhì)量的7 300倍.α粒子碰到金原子內(nèi)的電子，就像飛行中的子彈碰到塵埃一樣，其運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯的改變.
若正電荷在原子內(nèi)均勻分布，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到的兩側(cè)正電荷斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消，使α粒子偏轉(zhuǎn)的力也不會(huì)很大.
根據(jù)少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，只能認(rèn)為原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上，入射的α粒子中，只有少數(shù)α粒子有機(jī)會(huì)很接近核，受到很大的斥力而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn).所以正確選項(xiàng)是A.
2.氫原子的能級(jí)躍遷
【例2】假定處在量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)的氫原子躍遷到各較低能級(jí)的原子數(shù)是處在該激發(fā)態(tài)能級(jí)上的原子總數(shù)的 .現(xiàn)在1 200個(gè)氫原子被激發(fā)到量子數(shù)為4的能級(jí)上，若這些受激氫原子最后都回到基態(tài)，則在此過(guò)程中發(fā)出的光子總數(shù)是(　　)
A.2 200個(gè) B.2 000個(gè)C.1 200個(gè) D.2 400個(gè)
【解析】如圖所示，各能級(jí)間躍遷的原子個(gè)數(shù)及處于各能級(jí)的原子個(gè)數(shù)分別為
n＝4到n＝3　N1＝1 200× ＝400
n＝3能級(jí)的原子個(gè)數(shù)為400個(gè).
n＝4到n＝2　N2＝1 200× ＝400
n＝3到n＝2　N3＝400× ＝200
n＝2能級(jí)的原子個(gè)數(shù)為600個(gè).
n＝4到n＝1　N4＝1 200× ＝400
n＝3到n＝1　N5＝400× ＝200
n＝2到n＝1　N6＝600
所以發(fā)出的光子總數(shù)為
N＝N1＋N2＋…＋N6＝2 200
【答案】A
【思維提升】(1)原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷吸收一定能量的光子，當(dāng)一個(gè)光子的能量滿足hυ＝E末－E初時(shí)，才能被某一個(gè)原子吸收，使原子從低能級(jí)E初向高能級(jí)E末躍遷，而當(dāng)光子能量hυ大于或小于E末－E初時(shí)都不能被原子吸收.
(2)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，以光子的形式向外輻射能量，所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時(shí)的兩能級(jí)間的能量差.
(3)當(dāng)光子能量大于或等于13.6 eV時(shí)，也可以被氫原子吸收，使氫原子電離；當(dāng)氫原子吸收的光子能量大于13.6 eV時(shí)，氫原子電離后，電子具有一定的初動(dòng)能.
一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時(shí)，可能輻射出的光譜線條數(shù)為N＝ .
【拓展2】氫原子的能級(jí)如圖所示，已知可見(jiàn)光的光子能量范圍約為1.62 eV～3.11 eV.下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( D )
A.處于n＝3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生電離
B.大量氫原子從高能級(jí)向n＝3能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng)
C.大量處于n＝4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出6種不同頻率的光
D.大量處于n＝4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出3種不同頻率的可見(jiàn)光
易錯(cuò)門(mén)診
3.氫原子的能量
【例3】氫原子基態(tài)的軌道半徑為0.528×10－14 m，量子數(shù)為n的能級(jí)的能量為E＝－ eV.
(1)求電子在基態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能；[高考資源網(wǎng)KS5U.COM]
(2)有一群氫原子處于量子數(shù)n＝3的激發(fā)態(tài).畫(huà)一能級(jí)圖，在圖上用箭頭標(biāo)明這些氫原子能發(fā)出哪幾條光譜線；
(3)計(jì)算這幾條光譜線中波長(zhǎng)最短的一條的波長(zhǎng).(其中靜電力常量k＝9.0×109 N?m2/C2，電子的電荷量e＝1.6×10－19 C，普朗克恒量h＝6.63×10－34 J?s，真空中光速c＝3.0×108 m/s)
【錯(cuò)解】(1)電子在基態(tài)軌道中運(yùn)動(dòng)時(shí)量子數(shù)n＝1，其動(dòng)能為En＝－ ＝－ ＝
－13.6 eV
由于動(dòng)能不為負(fù)值，所以Ek＝En＝13.6 eV
(2)作能級(jí)圖如圖，可能發(fā)出兩條光譜線.
(3)由于能級(jí)差最小的兩能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的光譜線波長(zhǎng)最短，所以(E3－E2)時(shí)所產(chǎn)生的光譜線為所求，其中
E2＝－ eV＝－3.4 eV　E3＝－ eV＝－1.51 eV
由hν＝E3－E2及λ＝
所以λ＝ = m＝6.62×10－7 m
【錯(cuò)因】(1)動(dòng)能的計(jì)算錯(cuò)誤主要是不理解能級(jí)的能量值的物理意義，因而把電子在基態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能與n＝1時(shí)的能級(jí)的能量值等同起來(lái).電子在軌道上的能量E，它包括電勢(shì)能Ep和動(dòng)能Ek.計(jì)算表明Ep＝－2Ek，所以E＝Ek＋Ep＝－Ek，Ek＝－E＝13.6 eV.雖然錯(cuò)解中解出的數(shù)值正確，但概念的理解是錯(cuò)誤的.
(2)錯(cuò)解中把電子的發(fā)射光譜圖畫(huà)成了吸收光譜圖.
(3)不少學(xué)生把能級(jí)圖上表示能級(jí)間能量差的長(zhǎng)度線看成與譜線波長(zhǎng)成正比了.
【正解】(1)設(shè)電子的質(zhì)量為m，電子在基態(tài)軌道上的速率為v1，根據(jù)牛頓第二定律和庫(kù)侖定律有
所以Ek＝ J＝2.18×10－18 J＝13.6 eV
(2)當(dāng)氫原子從量子數(shù)n＝3的能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)，可以得到3條光譜線，如圖所示.
(3)波長(zhǎng)最短的一條光譜線對(duì)應(yīng)的能級(jí)差應(yīng)為最大，應(yīng)是從量子數(shù)為3的能級(jí)躍遷到量子數(shù)為1的能級(jí)所發(fā)出的光譜線.
E3－E1＝hυ
υ＝
λ＝ ＝1.65×10－7 m


本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://douzifanli.com/gaosan/56200.html

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