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第6讲 原子结构
考点1 电子的发现
【知识梳理】
知识点1 阴极射线
气体电离导电
通常情况下，气体不导电，但在强电场中，气体能够被电离而导电。平时在空气中看到的放电火花，就是气体电离导电的结果。
研究气体放电时一般都用稀薄气体，导电时可以看到辉光放电现象，否则气体电离性不佳。（当空气压强较大，即大气分子密度较大时，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，难以形成稳定的气体放电电流）
阴极射线的产生
如图所示，在研究低于0.1pa气压下气体导电的玻璃管内有阴、阳两极，当两极间加一定电压时，阴极便发出一种射线，这种射线命名为阴极射线。 在稀薄气体的辉光放电实验中，若不断地抽出管中的气体，但管中的气压降到0.1pa的时候，管内已接近真空，不能使气体电离发光，这时对着阴极的玻璃管却发出荧光，若在管中放一个十字形金属片，荧光中会出现十字形阴影。
阴极射线的特点
在真空中沿直线传播；
碰到荧光物质能使其发光；
本质上是高速电子流。
知识点2 电子的发现
1.汤姆孙对阴极射线的研究 从1890年起英国物理学家汤姆孙开始了对阴极射线的一系列实验研究。为了研究阴极射线的性质，他设计了如图的装置，从阴极K发出的带电粒子通过小孔A、A’形成一束细射线。它穿过两片平行金属板P、P’，到达右端带有标尺的荧光屏上，通过射线产生的荧光位置断定，它的本质是带负电粒子流。
2.电荷量子化
（1）密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷。电子电荷计算时通常取e=1.6×10-19C.（2）密立根实验还发现：任何带电体所带的电荷只能是e的整数倍，即电荷是量子化的。
（3）由实验测得的电子的比荷和电子电荷e，可以确定电子的质量约为me≈0.1×10-31kg，质子质量约为电子质量的1836倍。
3.电子发现的意义
以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒，现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子的质量比最轻的氢原子质量小得多，这说明电子是原子的组成部分。电子是带负电的，而原子的电中性的，可见原子内还有带正电的物质，这些带正电的物质和带负电的电子是如何构成原子的呢？电子的发现大大激发了人们研究原子内部结构的热情，拉开了人们研究原子结构的序幕。
巩固练习
【例1】如图所示,在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线,则阴极射线将( )
A.向纸内偏转 B.向纸外偏转
C.向下偏转 D.向上偏转
考点2 原子的核式结构模型
【知识梳理】
知识点1 原子结构模型的探索
问题的提出
汤姆孙发现电子之后，使人们认识到电中性的原子内部有复杂的结构，那么原子内部的正负电荷是怎样分布的？从而拉开了探索原子内部的序幕。
汤姆孙的“枣糕模型”
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，如图所示。汤姆孙的原子结构模型虽然能解释一些实验事实，但这一模型很快被ɑ粒子散射实验所否定。
α粒子散射实验
1909年-1911年，卢瑟福和他的助手做了用α粒子轰击金箔的实验。
实验装置（如图所示）：放射源、金箔、显微镜、荧光屏
注意：整个实验在真空中进行；金箔很薄，ɑ粒子容易穿过。
实验过程
①放射源放出的ɑ粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到荧光屏上产生闪光，通过显微镜观察。②放上金箔，观察ɑ粒子穿过金箔打到荧光屏上发出的闪光。
③转动显微镜和荧光屏，在不同角度观察，可以看到ɑ粒子的散射现象。
实验现象和结果 绝大多数ɑ粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数ɑ粒子发生了较大角度的偏转。极少数ɑ粒子偏转角超过90°，有的几乎达到180°，沿原路返回。
“枣糕模型”无法解释ɑ粒子散射实验 大角度的偏转不可能是电子造成的，因为ɑ粒子的质量是电子质量的7300倍，电子对ɑ粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对子弹的影响，完全可以忽略。因此，造成ɑ粒子偏转的主要原因是具有原子大部分质量的带正电部分的作用。汤姆孙的“枣糕模型”认为正电荷是均匀分布在原子内的，ɑ粒子穿过原子时受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，ɑ粒子将沿直线飞行，无法解释大角度散射的实验结果。
知识点2 原子的核式结构模型
1.核式结构模型
(1)内容：卢瑟福根据ɑ粒散射实验的结果，提出了原子的核式结构模型：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子核里，带负电的电子在原子核外空间里绕着原子核旋转。
（2）原子的核式结构模型和原子的枣糕模型的根本区别卢瑟福提出的原子结构模型中，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕太阳运转的行星。在这个“太阳系”中，支配它们之间的作用力是电磁相互作用力，因而这个模型又被称为“行星模型”。
2.原子的核式结构模型对ɑ粒子散射实验的解释 按照卢瑟福的核式结构模型，当ɑ粒子穿过原子时，如果离核较远，受到的原子核的斥力很小，ɑ粒子就像穿过“一片空地”一样，运动方向改变极少，由于原子核极小，这种几率就很大，所以绝大多数ɑ粒子不发生偏转；只有当ɑ粒子十分接近原子核时，才受到较大的库伦力，偏转角才很大，而这种几率很小；如果ɑ粒子几乎正对原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种几率更低了。
3.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，接近于原子序数；
（2）原子核的尺度：由ɑ粒子散射实验数据，可以估计原子核的半径数量级为10-15m，不同元素原子核的半径略有不同。原子半径数量级在10-10m，原子核半只相当于原子半径的十万分之一。可见原子很小，原子核更小，如果把原子比作一个1000m半径的打球，原子核就相当于半径为1cm的小石头。
巩固练习
【例1】（多选）英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔，为了解释实验结果，他提出了原子的核式结构学说。如图所示，O表示金原子核的位置，曲线ab和cd分别表示经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹，其中能正确反映实验结果的是（ ）
?
【变式1】对α粒子散射实验装置的描述，你认为正确的有（ ）
A．实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜
B．金箔的厚度对实验无影响
C．如果不用金箔，改用铝箔，就不会发生散射现象
D．实验装置放在空气中和真空中都可以
【变式2】关于α粒子散射实验的现象下列说法正确的是（ ）
A．全部α粒子穿过或发生很小的偏转
B．全部α粒子发生较大偏转
C．绝大多数α粒子穿过，只有少数的发生较大偏转，甚至极少数的被弹回
D．绝大多数的发生偏转，甚至被弹回
【变式3】卢瑟福α粒子散射实验的结果（ ）
A．证明了质子的存在
B．证明了原子核是由质子和中子组成的
C．证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里
D．说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动
【变式4】（多选）用α粒子轰击金箔，α粒子在接近金原子核时发生偏转的情况如图，则α粒子的路径可能是（ ）
?
A．a B．b C．c D．a、b、c都是不可能的
?
【变式5】在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是（ ）
A．原子的正电荷和绝大部分质量都集中在一个很小的核上
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子中存在着带负电的电子
D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中
考点3 氢原子光谱
【知识梳理】
知识点1 光谱
光谱的定义
用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）和强度分布的记录，即光谱。
2.光谱的分类 物质的光谱按其产生方式不同可分为
两大类：发射光谱和吸收光谱。
发射光谱：物体直接发出的光通过分光后产生的光谱，可以分为连续谱和明线谱（线状谱）
①连续谱：由连续分布的一切波长的光（一切单色光）组成的光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续谱。
②线状谱：只含有一些不连续的亮线的光谱。它是由处于游离状态的原子发射的，因此也叫原子光谱，稀薄气体或者金属的蒸气的发射光谱是线状谱。
③线状谱和连续谱的不同之处
吸收光谱：高温物体发出的白光通过温度较低的物质时，某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱。光谱特点：在连续谱的背景上由若干条暗线组成。
3.原子的特征谱线
（1）每种原子都有一定特征的线状谱。不同原子产生的线状谱是不同的，但同种原子产生的线状谱是相同的。某种物质的原子可从其线状谱加以鉴别，因此原子的线状谱的谱线为该种元素原子的特征谱线。
（2）各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的明线谱中的一条明线相对应，即某种原子发出的光和吸收的光谱的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该原子的特征谱线。
4.光谱分析：
（1）定义：由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。光谱分析法由基尔霍夫开创，对鉴别化学元素有着重大意义。
（2）优点：非常灵敏而且迅速，若某种元素在物质中的含量达10-10g，可以从光谱中发现它的特征谱线并将其查出来。
（3）应用：检查物体的纯度；鉴别和发现元素；天文学上光谱的红移表明恒星的远离等。
知识点2 氢原子光谱
氢原子是自然界中最简单的原子，通过对它的光谱线的研究获得的原子内部结构的信息，对于研究更复杂的原子机构有指导意义。
氢原子光谱的观测 在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2-3kV的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下发光，通过分光镜观察氢原子的光谱，如图所示。
氢原子光谱的特点 在可见光区内，氢原子光谱有四条谱线，可见氢原子受激发只能发出几种特定频率的光，它的光谱是几条分立的亮线。
氢原子光谱的规律 氢原子是自然界中最简单的原子，通过对它的谱线的研究，可以了解原子的内部结构和性质。
巴耳末公式：1885年，巴耳末首先将氢原子光谱线的波长倒数用经验公式，n=3、4、5...式中R=1.10×107m-1，称为里德伯常量。巴耳末公式只适用于氢原子在可见光区的谱线。
巴耳末系：人们把一系列符合巴耳末公式的光谱的谱线统称为巴耳末系。
在紫外区、红外区及近、远红外区氢原子的其他线系 1896年，瑞典的里德伯把氢原子光谱的所有谱线的波长用一个普遍的经验公式表示出来，即：，n=1，2，3...n2=n+1，n+2，n+3...
上式称为里德伯公式。对每一个n的取值，上式可构成一个谱线系：
n1=1，n2=2，3，4... 莱曼系（紫外区）
n1=2，n2=3，4，5... 巴耳末系（可见光区）
n1=3，n2=4，5，6... 帕邢系（红外区）
n1=4，n2=5，6，7... 布拉开系（远红外区）
n1=5，n2=6，7，8... 普丰德系（远红外区）
知识点3 经典理论的困难
卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验。但是经典理论既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征，具体表现为：
按照经典电磁理论，核外电子受原子核的库伦力不能静止，只能绕核运转，电子绕核加速运转，不断地向外辐射电磁波；电磁辐射频率等于电子绕核旋转频率；随着辐射的进行，原子能逐渐减小，电子轨道半径越来越小，旋转频率连续增大，因而电子辐射电磁波的频率在连续变化，应该产生连续光谱，但实际上原子光谱是现状光谱。
2.按经典物理学，原子应是一个不稳定系统，因为按照经典理论，绕核运转的电子不断向外辐射能量，电子将逐渐接近原子核，最后落入原子核内，而实际上原子是稳定的系统。
巩固练习
【例1】（多选）以下说法中正确的是（ ）
A.进行光谱分析，可以用连续谱，也可以用吸收光谱
B.光谱分析的优点是非常灵敏而且迅速
C.分析某种物质的化学组成，可以使这种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气取得吸收光谱进行分析
D.摄下月球的光谱可以分析出月球是由哪些元素组成的
【变式1】（多选）关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是（ ）
A.太阳光谱是连续光谱，分析太阳光谱可以知道太阳内部的化学元素的组成
B.霓虹灯和煤气灯火焰上的钠盐产生的光谱，都是线状谱
C.强白光通过酒精灯火焰上的钠盐，是吸收光谱
D.进行光谱分析时，可以利用线状谱，也可以用吸收光谱，但不能用连续光谱
考点4 玻尔的原子模型
【知识梳理】
知识点1 玻尔原子理论的基本假设
按照经典理论，电子绕原子核旋转，应向外辐射电磁波（能量），致使电子能量不断减小，轨道半径也要减小，因而原子是不稳定的。但事实上原子通常是稳定的。按照经典电磁理论，电子绕核旋转辐射的电磁波频率将不断变化，大量原子发光时，应包含各种频率的光，而事实上原子光谱是线状谱。
为了解决这一矛盾，丹麦物理学家玻尔在前人学说的基础上，将普朗克的量子理论用于原子系统中，提出了新的原子理论——玻尔原子理论。
第一条假设：
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，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态。（本假设是针对原子稳定性提出的）
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。
激发态：原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态叫激发态，除基态以外的定态都叫激发态。
第二条假设：
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的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的，如图所示，轨道半径，式中r1代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径，rn代表第n条可能轨道的半径。电子的轨道是量子化的，且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。
3.第三条假设：跃迁假设 原子从一种定态（设能量为En）跃迁到另一种定态（设能量为Em）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决定，即，这个式子称为频率条件公式，也叫辐射条件公式，h为普朗克常量，v为光子的频率。
知识点2 能级和能级图
能级的定义
在玻尔模型中，原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应的能量也是不连续的，这些能量值叫做能级。
基态和激发态
个状态的标号1、2、3...叫做量子数，通常用n表示。 能量最低的状态叫基态，其他状态叫激发态，基态的能量用E1表示，各激发态的能量分别用E2、E3...表示。
氢原子的能级 对氢原子而言，核外的一个电子绕核运行时，若半径不同，则对应着的原子能量也不同，若使原子电离，外界必须对原子做功，使电子摆脱其与原子核之间的库伦力的束缚，所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高，我们把原子电离后的能量记0，即选取电子处于无穷远出氢原子的能量为零，则其他状态下的能量值就是负的。 原子各能级的关系为；对于氢原子而言，基态能量E1=-13.6ev；其他各激发态的能量为E2=-3.4ev、E3=-1。51ev...
氢原子的能级图（如图所示）
光子的发射与吸收
光子的发射 原子由高能级向低能级跃迁时，以光子的形式发出能量，原子在始末两个能级Em和En(m>n)间跃迁时发射光子的能量可表示为。由上式可以看出，能级差越大，放出光子的能量就越大。
光子的吸收 光子的吸收是光子发射的逆过程，原子在吸收了光子后会从较低能级向较高能级跃迁。两个能级差仍是一个光子的能量，其关系式仍为。
1.原子跃迁时，处于激发态的原子可能经过一次跃迁回到基态，也可能由较高能级的激发态先跃迁到较低能级的激发态，最后回到基态。一个原子由高能级回到基态，到底发生了几次跃迁是不确定。
2.由于原子的能级是一系列不连续的值，则任意两个能级差也是不连续的，故原子只能发射一些特定频率的光子，同样也只能吸收一些特定频率的光子。正是由于原子的能级是分立的，所以放出的光子能量也是分立的。因此，原子的发射光谱只有一些分立的亮线。但是，当光子能量足够大时，如光子能量大于13.6eV时，氢原子仍能吸收此光子并发生电离。
知识点3 玻尔模型的局限性
玻尔理论的成功之处：将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，解释了氢原子光谱的实验规律，即巴耳末公式。
玻尔理论的局限性：无法解释稍微复杂的原子的光谱现象，它的不足之处是保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍看作经典力学描述下的轨道运动。因此玻尔模型仍是一个“半经典半量子”的模型。
电子云：实际上，原子中电子的运动并没有确定的轨道，而是可以出现在原子内的核外整个空间，只是在不同地方出现的概率不同。当原子处在不同的能量状态时，电子在各处出现的概率都不一样。如果用疏密不同的点表示在各个位置出现的概率，画出图来，就像云雾一样，可以形象地称为电子云。计算表明，玻尔理论中的电子轨道正是电子出现概率最大的地方。
巩固练习
出题角度1：玻尔模型和定态问题
【例1】（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形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
?
【变式1】（多选）关于玻尔理论，以下论断中正确的是（ ）
A.原子不同定态对应于电子沿不同圆形轨道绕核运动
B.当原子处于激发态时，原子向外辐射能量
C.只有当原子处于基态时原子才不向外辐射能量 ?
D.不论原子处于何种定态，原子都不向外辐射能量
【变式2】（多选）根据玻尔理论，以下说法正确的是（ ）
A.电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波
B.处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量
C.原子内电子的可能轨道是不连续的
D.原、子能级跃迁时，辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差
出题角度2：能级跃迁过程的能量变化
【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60nm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10.2eV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11.0eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D.用能量为12.5eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
【变式1】（多选）用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子能量再次进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条。用△n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图（如图所示）可以判断，△n和E的可能值为（ ）
A.△n=1，13.22eV
B.△n=2，13.22eV
C.△n=1，12.75eV
D.△n=2，12.75eV
【变式2】氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，正确的判断是（ ）
A.电子绕核旋转半径增大 B.电子的动能增大
C.氢原子的电势能增大 D.氢原子的能量增大
【变式3】氢原子在基态时轨道半径r1＝0.53×10－10m，能量E1＝－13.6eV，求氢原子处于基态时：
（1）电子的动能；
（2）原子的电势能．
（3）用波长是多少的光照可使其电离？
（4）电子在核外旋转的等效电流．(已知电子质量m＝9.1×10－31kg)
出题角度3：能级跃迁时谱线条数的求解
【例1】图中画出了氢原子的4个能级,并注明了相应的能量E.处在n=4的能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出若干种不同频率的光波.已知金属钾的逸出功为2.22eV.在这些光波中，能够从金属钾的表面打出光电子的总共有（ ）
二种 B.三种 C.四种 D.五种
【变式1】处于n=3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有（ ）
A.1种 B. 2种 C. 3种 D. 4种
【变式2】根据玻尔原子结构理论，氦离子（He+）的能级图如图所示。电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上离氦核的距离 (选填“近”或“远”)。当大量He+处在n=4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有条．
?
出题角度3：能级图的理解
【例1】图中给出氢原子最低的四个能级,氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率最多有几种?其中最小的频率等于多少?(保留两位有效数字)
?
?
【变式1】如图所示是某原子的能级图，a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长的光。在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是（ ）
A.B.C.D.
?课后作业看课后课后作业
1．氢原子从基态跃迁到激发态时，下列论述中正确的是（ ）
A．动能变大，势能变小，总能量变小
B．动能变小，势能变大，总能量变大
C．动能变大，势能变大，总能量变大
D．动能变小，势能变小，总能量变小
2．（多选）下列叙述中，哪些符合玻尔理论（ ）来源:Z,xx,k.Com]
A．电子可能轨道的分布是不连续的
B．电子从一条轨道跃迁到另一个轨道上时，原子将辐射或吸收一定的能量[来源:学科
C．电子的可能轨道上绕核做加速运动，不向外辐射能量
D．电子没有确定的轨道，只存在电子云
3．大量原子从n=5的激发态向低能态跃迁时，产生的光谱线数是（ ）
A．4条 B．10条 C．6条 D．8条
4．（多选）对玻尔理论的评论和议论，正确的是（ ）
A．玻尔理论的成功，说明经典电磁理论不适用于原子系统，也说明了电磁理论不适用于电子运动
B．玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律，为量子力学的建立奠定了基础
C．玻尔理论的成功之处是引入量子观念
D．玻尔理论的成功之处，是它保留了经典理论中的一些观点，如电子轨道的概念
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第6讲 原子结构
考点1 电子的发现
【知识梳理】
知识点1 阴极射线
气体电离导电
通常情况下，气体不导电，但在强电场中，气体能够被电离而导电。平时在空气中看到的放电火花，就是气体电离导电的结果。
研究气体放电时一般都用稀薄气体，导电时可以看到辉光放电现象，否则气体电离性不佳。（当空气压强较大，即大气分子密度较大时，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，难以形成稳定的气体放电电流）
阴极射线的产生
如图所示，在研究低于0.1pa气压下气体导电的玻璃管内有阴、阳两极，当两极间加一定电压时，阴极便发出一种射线，这种射线命名为阴极射线。 在稀薄气体的辉光放电实验中，若不断地抽出管中的气体，但管中的气压降到0.1pa的时候，管内已接近真空，不能使气体电离发光，这时对着阴极的玻璃管却发出荧光，若在管中放一个十字形金属片，荧光中会出现十字形阴影。
阴极射线的特点
在真空中沿直线传播；
碰到荧光物质能使其发光；
本质上是高速电子流。
知识点2 电子的发现
1.汤姆孙对阴极射线的研究 从1890年起英国物理学家汤姆孙开始了对阴极射线的一系列实验研究。为了研究阴极射线的性质，他设计了如图的装置，从阴极K发出的带电粒子通过小孔A、A’形成一束细射线。它穿过两片平行金属板P、P’，到达右端带有标尺的荧光屏上，通过射线产生的荧光位置断定，它的本质是带负电粒子流。
2.电荷量子化
（1）密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷。电子电荷计算时通常取e=1.6×10-19C.（2）密立根实验还发现：任何带电体所带的电荷只能是e的整数倍，即电荷是量子化的。
（3）由实验测得的电子的比荷和电子电荷e，可以确定电子的质量约为me≈0.1×10-31kg，质子质量约为电子质量的1836倍。
3.电子发现的意义
以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒，现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子的质量比最轻的氢原子质量小得多，这说明电子是原子的组成部分。电子是带负电的，而原子的电中性的，可见原子内还有带正电的物质，这些带正电的物质和带负电的电子是如何构成原子的呢？电子的发现大大激发了人们研究原子内部结构的热情，拉开了人们研究原子结构的序幕。
巩固练习
【例1】如图所示,在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线,则阴极射线将( )
A.向纸内偏转 B.向纸外偏转
C.向下偏转 D.向上偏转
答案：C?
考点2 原子的核式结构模型
【知识梳理】
知识点1 原子结构模型的探索
问题的提出
汤姆孙发现电子之后，使人们认识到电中性的原子内部有复杂的结构，那么原子内部的正负电荷是怎样分布的？从而拉开了探索原子内部的序幕。
汤姆孙的“枣糕模型”
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，如图所示。汤姆孙的原子结构模型虽然能解释一些实验事实，但这一模型很快被ɑ粒子散射实验所否定。
α粒子散射实验
1909年-1911年，卢瑟福和他的助手做了用α粒子轰击金箔的实验。
实验装置（如图所示）：放射源、金箔、显微镜、荧光屏
注意：整个实验在真空中进行；金箔很薄，ɑ粒子容易穿过。
实验过程
①放射源放出的ɑ粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到荧光屏上产生闪光，通过显微镜观察。②放上金箔，观察ɑ粒子穿过金箔打到荧光屏上发出的闪光。
③转动显微镜和荧光屏，在不同角度观察，可以看到ɑ粒子的散射现象。
实验现象和结果 绝大多数ɑ粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数ɑ粒子发生了较大角度的偏转。极少数ɑ粒子偏转角超过90°，有的几乎达到180°，沿原路返回。
“枣糕模型”无法解释ɑ粒子散射实验 大角度的偏转不可能是电子造成的，因为ɑ粒子的质量是电子质量的7300倍，电子对ɑ粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对子弹的影响，完全可以忽略。因此，造成ɑ粒子偏转的主要原因是具有原子大部分质量的带正电部分的作用。汤姆孙的“枣糕模型”认为正电荷是均匀分布在原子内的，ɑ粒子穿过原子时受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，ɑ粒子将沿直线飞行，无法解释大角度散射的实验结果。
知识点2 原子的核式结构模型
1.核式结构模型
(1)内容：卢瑟福根据ɑ粒散射实验的结果，提出了原子的核式结构模型：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子核里，带负电的电子在原子核外空间里绕着原子核旋转。
（2）原子的核式结构模型和原子的枣糕模型的根本区别卢瑟福提出的原子结构模型中，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕太阳运转的行星。在这个“太阳系”中，支配它们之间的作用力是电磁相互作用力，因而这个模型又被称为“行星模型”。
2.原子的核式结构模型对ɑ粒子散射实验的解释 按照卢瑟福的核式结构模型，当ɑ粒子穿过原子时，如果离核较远，受到的原子核的斥力很小，ɑ粒子就像穿过“一片空地”一样，运动方向改变极少，由于原子核极小，这种几率就很大，所以绝大多数ɑ粒子不发生偏转；只有当ɑ粒子十分接近原子核时，才受到较大的库伦力，偏转角才很大，而这种几率很小；如果ɑ粒子几乎正对原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种几率更低了。
3.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，接近于原子序数；
（2）原子核的尺度：由ɑ粒子散射实验数据，可以估计原子核的半径数量级为10-15m，不同元素原子核的半径略有不同。原子半径数量级在10-10m，原子核半只相当于原子半径的十万分之一。可见原子很小，原子核更小，如果把原子比作一个1000m半径的打球，原子核就相当于半径为1cm的小石头。
巩固练习
【例1】（多选）英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔，为了解释实验结果，他提出了原子的核式结构学说。如图所示，O表示金原子核的位置，曲线ab和cd分别表示经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹，其中能正确反映实验结果的是（ ）
?
答案：BD?
【变式1】对α粒子散射实验装置的描述，你认为正确的有（ ）
A．实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜
B．金箔的厚度对实验无影响
C．如果不用金箔，改用铝箔，就不会发生散射现象
D．实验装置放在空气中和真空中都可以
答案：A?
【变式2】关于α粒子散射实验的现象下列说法正确的是（ ）
A．全部α粒子穿过或发生很小的偏转
B．全部α粒子发生较大偏转
C．绝大多数α粒子穿过，只有少数的发生较大偏转，甚至极少数的被弹回
D．绝大多数的发生偏转，甚至被弹回
答案：C?
【变式3】卢瑟福α粒子散射实验的结果（ ）
A．证明了质子的存在
B．证明了原子核是由质子和中子组成的
C．证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里
D．说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动
答案：C?
【变式4】（多选）用α粒子轰击金箔，α粒子在接近金原子核时发生偏转的情况如图，则α粒子的路径可能是（ ）
?
A．a B．b C．c D．a、b、c都是不可能的
答案：AC
?
【变式5】在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是（ ）
A．原子的正电荷和绝大部分质量都集中在一个很小的核上
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子中存在着带负电的电子
D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中
?答案：A
考点3 氢原子光谱
【知识梳理】
知识点1 光谱
光谱的定义
用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）和强度分布的记录，即光谱。
2.光谱的分类 物质的光谱按其产生方式不同可分为
两大类：发射光谱和吸收光谱。
发射光谱：物体直接发出的光通过分光后产生的光谱，可以分为连续谱和明线谱（线状谱）
①连续谱：由连续分布的一切波长的光（一切单色光）组成的光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续谱。
②线状谱：只含有一些不连续的亮线的光谱。它是由处于游离状态的原子发射的，因此也叫原子光谱，稀薄气体或者金属的蒸气的发射光谱是线状谱。
③线状谱和连续谱的不同之处
吸收光谱：高温物体发出的白光通过温度较低的物质时，某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱。光谱特点：在连续谱的背景上由若干条暗线组成。
3.原子的特征谱线
（1）每种原子都有一定特征的线状谱。不同原子产生的线状谱是不同的，但同种原子产生的线状谱是相同的。某种物质的原子可从其线状谱加以鉴别，因此原子的线状谱的谱线为该种元素原子的特征谱线。
（2）各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的明线谱中的一条明线相对应，即某种原子发出的光和吸收的光谱的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该原子的特征谱线。
4.光谱分析：
（1）定义：由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。光谱分析法由基尔霍夫开创，对鉴别化学元素有着重大意义。
（2）优点：非常灵敏而且迅速，若某种元素在物质中的含量达10-10g，可以从光谱中发现它的特征谱线并将其查出来。
（3）应用：检查物体的纯度；鉴别和发现元素；天文学上光谱的红移表明恒星的远离等。
知识点2 氢原子光谱
氢原子是自然界中最简单的原子，通过对它的光谱线的研究获得的原子内部结构的信息，对于研究更复杂的原子机构有指导意义。
氢原子光谱的观测 在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2-3kV的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下发光，通过分光镜观察氢原子的光谱，如图所示。
氢原子光谱的特点 在可见光区内，氢原子光谱有四条谱线，可见氢原子受激发只能发出几种特定频率的光，它的光谱是几条分立的亮线。
氢原子光谱的规律 氢原子是自然界中最简单的原子，通过对它的谱线的研究，可以了解原子的内部结构和性质。
巴耳末公式：1885年，巴耳末首先将氢原子光谱线的波长倒数用经验公式，n=3、4、5...式中R=1.10×107m-1，称为里德伯常量。巴耳末公式只适用于氢原子在可见光区的谱线。
巴耳末系：人们把一系列符合巴耳末公式的光谱的谱线统称为巴耳末系。
在紫外区、红外区及近、远红外区氢原子的其他线系 1896年，瑞典的里德伯把氢原子光谱的所有谱线的波长用一个普遍的经验公式表示出来，即：，n=1，2，3...n2=n+1，n+2，n+3...
上式称为里德伯公式。对每一个n的取值，上式可构成一个谱线系：
n1=1，n2=2，3，4... 莱曼系（紫外区）
n1=2，n2=3，4，5... 巴耳末系（可见光区）
n1=3，n2=4，5，6... 帕邢系（红外区）
n1=4，n2=5，6，7... 布拉开系（远红外区）
n1=5，n2=6，7，8... 普丰德系（远红外区）
知识点3 经典理论的困难
卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验。但是经典理论既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征，具体表现为：
按照经典电磁理论，核外电子受原子核的库伦力不能静止，只能绕核运转，电子绕核加速运转，不断地向外辐射电磁波；电磁辐射频率等于电子绕核旋转频率；随着辐射的进行，原子能逐渐减小，电子轨道半径越来越小，旋转频率连续增大，因而电子辐射电磁波的频率在连续变化，应该产生连续光谱，但实际上原子光谱是现状光谱。
2.按经典物理学，原子应是一个不稳定系统，因为按照经典理论，绕核运转的电子不断向外辐射能量，电子将逐渐接近原子核，最后落入原子核内，而实际上原子是稳定的系统。
巩固练习
【例1】（多选）以下说法中正确的是（ ）
A.进行光谱分析，可以用连续谱，也可以用吸收光谱
B.光谱分析的优点是非常灵敏而且迅速
C.分析某种物质的化学组成，可以使这种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气取得吸收光谱进行分析
D.摄下月球的光谱可以分析出月球是由哪些元素组成的
答案：BCD?
【变式1】（多选）关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是（ ）
A.太阳光谱是连续光谱，分析太阳光谱可以知道太阳内部的化学元素的组成
B.霓虹灯和煤气灯火焰上的钠盐产生的光谱，都是线状谱
C.强白光通过酒精灯火焰上的钠盐，是吸收光谱
D.进行光谱分析时，可以利用线状谱，也可以用吸收光谱，但不能用连续光谱
答案：BCD
考点4 玻尔的原子模型
【知识梳理】
知识点1 玻尔原子理论的基本假设
按照经典理论，电子绕原子核旋转，应向外辐射电磁波（能量），致使电子能量不断减小，轨道半径也要减小，因而原子是不稳定的。但事实上原子通常是稳定的。按照经典电磁理论，电子绕核旋转辐射的电磁波频率将不断变化，大量原子发光时，应包含各种频率的光，而事实上原子光谱是线状谱。
为了解决这一矛盾，丹麦物理学家玻尔在前人学说的基础上，将普朗克的量子理论用于原子系统中，提出了新的原子理论——玻尔原子理论。
第一条假设：
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，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态。（本假设是针对原子稳定性提出的）
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。
激发态：原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态叫激发态，除基态以外的定态都叫激发态。
第二条假设：
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的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的，如图所示，轨道半径，式中r1代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径，rn代表第n条可能轨道的半径。电子的轨道是量子化的，且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。
3.第三条假设：跃迁假设 原子从一种定态（设能量为En）跃迁到另一种定态（设能量为Em）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决定，即，这个式子称为频率条件公式，也叫辐射条件公式，h为普朗克常量，v为光子的频率。
知识点2 能级和能级图
能级的定义
在玻尔模型中，原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应的能量也是不连续的，这些能量值叫做能级。
基态和激发态
个状态的标号1、2、3...叫做量子数，通常用n表示。 能量最低的状态叫基态，其他状态叫激发态，基态的能量用E1表示，各激发态的能量分别用E2、E3...表示。
氢原子的能级 对氢原子而言，核外的一个电子绕核运行时，若半径不同，则对应着的原子能量也不同，若使原子电离，外界必须对原子做功，使电子摆脱其与原子核之间的库伦力的束缚，所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高，我们把原子电离后的能量记0，即选取电子处于无穷远出氢原子的能量为零，则其他状态下的能量值就是负的。 原子各能级的关系为；对于氢原子而言，基态能量E1=-13.6ev；其他各激发态的能量为E2=-3.4ev、E3=-1。51ev...
氢原子的能级图（如图所示）
光子的发射与吸收
光子的发射 原子由高能级向低能级跃迁时，以光子的形式发出能量，原子在始末两个能级Em和En(m>n)间跃迁时发射光子的能量可表示为。由上式可以看出，能级差越大，放出光子的能量就越大。
光子的吸收 光子的吸收是光子发射的逆过程，原子在吸收了光子后会从较低能级向较高能级跃迁。两个能级差仍是一个光子的能量，其关系式仍为。
1.原子跃迁时，处于激发态的原子可能经过一次跃迁回到基态，也可能由较高能级的激发态先跃迁到较低能级的激发态，最后回到基态。一个原子由高能级回到基态，到底发生了几次跃迁是不确定。
2.由于原子的能级是一系列不连续的值，则任意两个能级差也是不连续的，故原子只能发射一些特定频率的光子，同样也只能吸收一些特定频率的光子。正是由于原子的能级是分立的，所以放出的光子能量也是分立的。因此，原子的发射光谱只有一些分立的亮线。但是，当光子能量足够大时，如光子能量大于13.6eV时，氢原子仍能吸收此光子并发生电离。
知识点3 玻尔模型的局限性
玻尔理论的成功之处：将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，解释了氢原子光谱的实验规律，即巴耳末公式。
玻尔理论的局限性：无法解释稍微复杂的原子的光谱现象，它的不足之处是保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍看作经典力学描述下的轨道运动。因此玻尔模型仍是一个“半经典半量子”的模型。
电子云：实际上，原子中电子的运动并没有确定的轨道，而是可以出现在原子内的核外整个空间，只是在不同地方出现的概率不同。当原子处在不同的能量状态时，电子在各处出现的概率都不一样。如果用疏密不同的点表示在各个位置出现的概率，画出图来，就像云雾一样，可以形象地称为电子云。计算表明，玻尔理论中的电子轨道正是电子出现概率最大的地方。
巩固练习
出题角度1：玻尔模型和定态问题
【例1】（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形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
答案：ABC
?
【变式1】（多选）关于玻尔理论，以下论断中正确的是（ ）
A.原子不同定态对应于电子沿不同圆形轨道绕核运动
B.当原子处于激发态时，原子向外辐射能量
C.只有当原子处于基态时原子才不向外辐射能量 ?
D.不论原子处于何种定态，原子都不向外辐射能量
?答案：AD
【变式2】（多选）根据玻尔理论，以下说法正确的是（ ）
A.电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波
B.处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量
C.原子内电子的可能轨道是不连续的
D.原、子能级跃迁时，辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差
答案：BCD?
出题角度2：能级跃迁过程的能量变化
【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60nm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10.2eV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11.0eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D.用能量为12.5eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
答案：AB?
【变式1】（多选）用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子能量再次进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条。用△n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图（如图所示）可以判断，△n和E的可能值为（ ）
A.△n=1，13.22eV
B.△n=2，13.22eV
C.△n=1，12.75eV
D.△n=2，12.75eV
答案：AD
【变式2】氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，正确的判断是（ ）
A.电子绕核旋转半径增大 B.电子的动能增大
C.氢原子的电势能增大 D.氢原子的能量增大
答案：B?
【变式3】氢原子在基态时轨道半径r1＝0.53×10－10m，能量E1＝－13.6eV，求氢原子处于基态时：
（1）电子的动能；
（2）原子的电势能．
（3）用波长是多少的光照可使其电离？
（4）电子在核外旋转的等效电流．(已知电子质量m＝9.1×10－31kg)
答案：（1）13.6eV；（2）-27.2eV；（3）0.914×10－7m；（4）1.05×10－3A?
出题角度3：能级跃迁时谱线条数的求解
【例1】图中画出了氢原子的4个能级,并注明了相应的能量E.处在n=4的能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出若干种不同频率的光波.已知金属钾的逸出功为2.22eV.在这些光波中，能够从金属钾的表面打出光电子的总共有（ ）
A.二种 B.三种 C.四种 D.五种
答案：C
【变式1】处于n=3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有（ ）
A.1种 B. 2种 C. 3种 D. 4种
答案：C?
【变式2】根据玻尔原子结构理论，氦离子（He+）的能级图如图所示。电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上离氦核的距离 (选填“近”或“远”)。当大量He+处在n=4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有条．
?
答案：近，6?
出题角度3：能级图的理解
【例1】图中给出氢原子最低的四个能级,氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率最多有几种?其中最小的频率等于多少?(保留两位有效数字)
?
答案：
?
【变式1】如图所示是某原子的能级图，a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长的光。在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是（ ）
A.B.C.D.
答案：C
?课后作业看课后课后作业
1．氢原子从基态跃迁到激发态时，下列论述中正确的是（ ）
A．动能变大，势能变小，总能量变小
B．动能变小，势能变大，总能量变大
C．动能变大，势能变大，总能量变大
D．动能变小，势能变小，总能量变小
答案：B?
2．（多选）下列叙述中，哪些符合玻尔理论（ ）来源:Z,xx,k.Com]
A．电子可能轨道的分布是不连续的
B．电子从一条轨道跃迁到另一个轨道上时，原子将辐射或吸收一定的能量[来源:学科
C．电子的可能轨道上绕核做加速运动，不向外辐射能量
D．电子没有确定的轨道，只存在电子云
答案：AB?
3．大量原子从n=5的激发态向低能态跃迁时，产生的光谱线数是（ ）
A．4条 B．10条 C．6条 D．8条
答案：B??
4．（多选）对玻尔理论的评论和议论，正确的是（ ）
A．玻尔理论的成功，说明经典电磁理论不适用于原子系统，也说明了电磁理论不适用于电子运动
B．玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律，为量子力学的建立奠定了基础
C．玻尔理论的成功之处是引入量子观念
D．玻尔理论的成功之处，是它保留了经典理论中的一些观点，如电子轨道的概念
答案：BCD
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