5.1 原子的结构 课件（42张PPT）高中物理粤教版（2019）选择性必修 第三册第五章 原子与原子核

(共42张PPT)
第五章 原子与原子核
粤教版选择性必修三
第一节 原子的结构
新课导入
1858年，科学家在研究稀薄气体放电时发现，在内部气体足够稀薄（抽成真空）的玻璃管两端加上高电压时，阴极就会发出一种射线。
阳极
荧光屏
狭缝
阴极
—— 阴极射线
阴极射线究竟是什么？是原子？还是更小的带电微粒？
新课导入
关于阴极射线的两种争论：
德国赫兹：原子就是最小的粒子，阴极射线是电磁波。
英国汤姆孙：阴极射线由运动的带电微粒组成的,
阴极射线究竟是什么？是原子？还是更小的带电微粒？
阴极这种金属原子是可以分割的
汤姆孙对阴极射线的研究
1、实验探究：
阴极 K 发出的带电粒子 → 小孔 A、B → 金属板 P、P′ → 管壁 P1 处产生荧光斑点 → 当施加电场后，带电粒子发生偏转，P2 处产生荧光斑点。
极板长
L
K
A
B
P
P′
θ
P1
P2
+
-
+
-
J.J汤姆孙
结论：阴极射线中粒子所带电荷为负电荷。
汤姆孙对阴极射线的研究
J.J汤姆孙
2.带电粒子比荷 e/m 的测定过程
在PP′两极间加入合适的电场，并逐步增大电压，使屏幕上的亮点逐渐向屏幕下方偏移，直到屏幕上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压U.
L
K
A
B
P
P′
P1
P2
+
-
+
-
不同物质材料重复实验，结果相同
在PP′之间施加一个大小合适、方向垂直于纸面的磁场，使屏幕正中心重现亮点。射线粒子的速度大小
结论：带电粒子比荷
偏转位移
汤姆孙对阴极射线的研究
J.J汤姆孙
L
K
A
B
P
P′
P1
P2
+
-
+
-
(1) 带负电的粒子是构成各种物质的共有成分。
(2) 阴极射线粒子的比荷是氢离子比荷的近2000倍，而该粒子所带电荷的大小与氢离子大致相同，所以这种粒子的质量比氢离子小得多。后来，组成阴极射线这种带负电的粒子即为电子。
汤姆孙的结论：
电子是比原子更基本的物质单元，是原子的组成部分
思考与讨论
通常情况下，物质是不带电的，因此，原子应该是电中性的。既然电子是带负电的，质量又很小，那么，原子中一定还有带正电的部分，它具有大部分的原子质量。
请你设想一下，原子中带正电的部分以及带负电的电子可能是如何分布的 那原子的内部结构是什么样的呢？
Part 01
原子的结构
一、汤姆孙的“枣糕”模型 / “葡萄干布丁模型”
“枣糕”模型：
原子是个球体，
正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。
J.J汤姆孙
二、卢瑟福 α 粒子散射实验
卢瑟福
在真空中，一束α粒子打在金箔上，通过探测屏或者显微镜观察某一时间内向某一方向散射的α粒子数。
问题：那什么是a粒子呢？
a射线是高速运动的氦原子核。
问题：为什么选择a粒子呢？
首先是容易获得，从放射源中就能得到他。其次它质量大，速度快，就足够的能量可以接近原子中心。
最后它可以使荧光物质发光，因此可以方便的捕捉它的轨迹。如果a粒子与其他粒子发生相互作用而改变运动方向，荧光屏就能够显示出它的方向变化。
问题：为什么用金箔作为靶材呢？
由于金的延展性很好，可以做的很薄，甚至只有1μm厚。这样一来，就可以减少a粒子与氢原子核发生二次碰撞的可能性。
此外，金原子的质量远比a粒子要大，被a粒子的轰击后不易移动。
问题：为什么整个装置要放在真空中？
防止a射线电离空气影响实验结果
思考与讨论
α 粒子射入金箔时难免与电子碰撞。试估计这种碰撞对 α 粒子速度影响的大小
按照汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内。
请分析： α 粒子穿金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进。
分析：碰撞前后，质量大的a粒子速度几乎不变。只可能是电子的速度发生大的改变，因此不可能出现反弹现象，也不会有大角度散射。
二、卢瑟福 α 粒子散射实验
卢瑟福
在真空中，一束α粒子打在金箔上，通过探测屏或者显微镜观察某一时间内向某一方向散射的α粒子数。
现象：
绝大多数 α 粒子穿越金箔后仍沿原方向前进，
少数发生较大偏转，极少数偏转角超过90°
这是我一生中从未有的最难以置信的事儿。这就好像你朝一张卫生纸射出一发炮弹，炮弹却弹回来打中你一样。
二、卢瑟福 α 粒子散射实验
现象：
绝大多数 α 粒子穿越金箔后仍沿原方向前进，
少数发生较大偏转，极少数偏转角超过90°
解释：
①粒子出现大角度散射有没有可能是与电子碰撞后造成的？
——粒子的偏转主要是由原子大部分质量的带正电部分造成的。
②那有没有可能是由于穿过多层原子造成偏转角度增大呢？
由于每次的偏振方向都是随机的，最终发生大角度偏转的概率非常小，反弹的几率只有10-3500。但实验中反弹的几率有。
③枣糕模型能否解释大角度偏转呢？
三、卢瑟福——原子的核式结构模型
原子的核式结构模型：
原子中心有一个很小的核，叫原子核，
原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，
带负电的电子在核外空间绕核旋转。
卢瑟福
原子核的电荷与尺度
1.原子核的电荷
原子核的电荷数等于核外电子数，等于原子序数。
2.原子核的尺度
原子核大小的数量级为10－15 m，原子大小数量级
为10－10 m，两者相差十万倍之多，可见原子内部十分
“空旷”。
约 10-10 m
10-15 m ~ 10-14 m
三、卢瑟福——原子的核式结构模型
若原子相当于一个立体的足球场的话，则原子核就像足球场中的一粒米。
例1.（多选）卢瑟福对α粒子散射实验的解释是（ ）
A．使α粒子产生偏转的力主要是原子中电子对 α 粒子的作用力
B．使α粒子产生偏转的力是库仑力
C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进
D．能产生大角度偏转的α 粒子是穿过原子时离原子核近的α 粒子
解析：原子核带正电与α粒子间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，故B对，A错；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D对。
BCD
例2.（多选）关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是（ ）
A．原子中绝大部分是“空”的，原子核很小
B．电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力
C．原子的全部电荷和质量都集中在原子核里
D．原子核的直径的数量级是10－10 m
AB
AC
解析：在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确．少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α粒子反弹回来，所以在B 位置只能观察到少数的闪光，在C、D两位置能观察到的闪光次数极少，故B、D错误，C正确。
回顾科学家对原子结构的认识:
原子不可割
汤姆孙发现电子
汤姆孙的枣糕模型
卢瑟福α粒子散射实验
核式结构模型
否定
建立
否定
建立
完美？
新课导入
经典理论的困难
但是与经典的电磁理论发生了矛盾
轨道上运动的电子带有电荷
运动中要辐射电磁波，损失能量
轨道半径不断缩小
最终落在原子核上
经典物理学观点下，原子将发生“塌陷”
事实上，原子是稳定的
卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释α粒子散射实验的现象
另一方面
电子轨道连续变化
辐射电磁波的频率也会连续变化
事实上，辐射电磁波的频率只是某些不连续的特定值。
连续光谱和原子的特征谱线
经典理论的困难
Part 02
玻尔的原子结构假说
玻尔的原子结构假说
玻尔了解到卢瑟福的原子模型所遇到的困难，他认为产生困难的原因不在于模型本身，而在于经典理论。
在普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦光子说的启发下，玻尔大胆提出自己的原子结构假说。
玻尔
玻尔原子理论的基本假设
轨道量子化
能量量子化
跃迁假说
（一）轨道量子化(定轨)
(1)围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，即电子的轨道是量子化的。
(2)电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。
分立轨道
玻尔的原子结构假说
（二）能量量子化（定态）
（1）当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。
（2）原子中这些具有特定能量的稳定状态，称为定态。
（3）玻尔指出，原子只能处在一系列不连续的能量状态之中，这些状态中能量是稳定的。所以原子的能量也是量子化的。
定态轨道
玻尔的原子结构假说
最稳定
基态：能量最低的状态(离核最近)
激发态：其他的能量状态
电离：原子吸收能量使电子脱离原子束缚的现象
（二）能量量子化（定态）
玻尔的原子结构假说
量子数：按能级由低到高为1、2、3…n(n为整数)
氢原子各能级可表示为:E1、E2、E3 ... En
能级图
（二）能量量子化（定态）
玻尔的原子结构假说
1.从高能级向低能级跃迁
原子从高能级向低能级跃迁时，电子的轨道半径减小，电子所受库仑引力做正功，电势能减小，原子的能量减少，要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出。
（三）跃迁假说（频率条件)
跃迁：原子由一个能量状态变为另一个能量状态的过程称为跃迁。
跃迁模拟画面
玻尔的原子结构假说
2.从低能级向高能级跃迁
原子也可以从低能级向高能级跃迁，此时电子从低轨道向高轨道跃迁，克服库仑引力做功，电势能增大，原子的能量增加，要吸收能量。
跃迁模拟画面
（三）跃迁假说（频率条件)
玻尔的原子结构假说
+
m
n
-
频率条件:
低能级（En）
电子吸收特定频率的光子，或者受到其它粒子的轰击。
高能级（Em）
原子辐射光子
跃 迁
（三）跃迁假说（频率条件)
玻尔的原子结构假说
(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如，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．
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，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1时能量不足，则可激发到n能级的问题．
低能级（En）
电子吸收特定频率的光子，
或者受到其它粒子的轰击。
高能级（Em）
原子辐射光子
跃 迁
例1.（多选）关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是(　 　)
A．用波长为60 nm的X射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子
B．用能量为10.2 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
C．用能量为11.0 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D．用动能为12.5 eV的电子撞击氢原子，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
ABD
A. 波长为60 nm的X射线，
光子能量E ＝＝6.63×10-34× J
≈3.32×10-18 J＝20.75 eV
例2.（多选）玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有（ ）
A．原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做变速运动，但不向外辐射能量。
B．原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的。
C．电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子。
D．电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率。
解析：A、B、C三项都是玻尔提出来的假设。其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁假说的提出，也就是“量子化”的概念。原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应，是经典理论与量子化概念的结合。电子跃迁时辐射的光子的频率与能级差有关，与电子绕核做圆周运动的频率无关，故D错误，A、B、C正确。
ABC
例3.一群氢原子处于n=4的激发态，当它向低能级跃迁时，最多能向外辐射多少种频率的光子？
1
2
3
4
5
∞
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0
E /eV
答案：6种
总结：氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时，可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态。处于n能级的电子向低能级跃迁时就有很多可能性，其可能有cn2种情况。
若为一个氢原子处于n=4的激发态呢？
答案：3种
玻尔理论对氢光谱的解释
1. 解释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。
2. 解释不同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。
玻尔理论的成就和局限性
1. 玻尔理论的成就
（1）玻尔理论第一次将量子观念引入原子领域。
（2）提出了定态和跃迁的概念，成功解释了氢原子光谱的实验规律。
2. 玻尔理论的局限性
过多地保留了经典理论，即保留经典粒子的观念，把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动。除了氢原子光谱外，在解释其他原子发光的问题上遇到了很大的困难。
怎样修改玻尔模型？
思想：必须彻底放弃经典概念
关键：用电子云概念取代经典的轨道概念
原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述电子在某个位置出现概率的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图象就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云。
例4. 根据氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n=3的激发态。
(1)在向较低能级跃迁的过程中向外发出的光子有几种 能量多大
(2)哪些能使逸出功为2.29eV的金属钠发生光电效应 逸出的光电子最大初动能为多大
1
2
3
4
5
∞
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0
E /eV
例5. 2022年1月，西安卫星测控中心圆满完成52颗在轨运行的北斗导航卫星健康状态评估工作。“体检”结果显示，所有北斗导航卫星的关键技术指标均满足正常提供各类服务的要求。北斗导航卫星中的“北斗三号"采用星载氢原子钟，通过氢原子能级跃迁产生电磁波校准时钟。氢原子的部分能级结构如图，则（　　）
D
A. 氢原子由基态跃迁到激发态后，原子的电势能减少
B. 用11eV的光子照射，能使处于基态的氢原子跃迁到激发态
C. 一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可以辐射出3种不同频率的光子
D. 一群处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时，发出的光照射钾板（逸出功为2.25eV），钾板表面所发出的光电子的最大初动能为9.84eV