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高二物理原子結構知識框圖

知識梳理

一、α粒子散射實驗

1. 實驗裝置：

放射源：钋放在帶小孔的鉛盒中，放射出高能粒子(α粒子)帶正電，mα>>me

金箔：厚度極小，可至1微米(金原子的質量大，且易延成很薄的箔)．

顯微鏡：能繞金箔在水平面内轉動．

熒光屏：熒光屏裝在顯微鏡上．

2. 實驗步驟

(1)钋放出的α粒子從鉛盒的小孔射出，形成很細的一束射線，射到熒光屏上産生閃光，通過顯微鏡觀察(偏離正對位置，無閃光)．

(2)放上金箔F，正對位置可觀察到大量的閃光點．

(3)轉動顯微鏡，在不同偏轉角θ處，可看到α粒子散射現象．

3. 實驗結果

⑴絕大多數α粒子穿過金箔後基本上仍沿原來的方向前進．

(2)少數α粒子發生了較大角度的偏轉

二、盧瑟福核式結構模型

1. 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量都集中在原子核裡，帶負電的電子在核外的空間運動。

原子核的發現有重大意義，因為它開辟了原子核物理的新領域，盧瑟福被人們尊稱為原子核物理之父．

2. 原子核式結構的模型，是建立在α粒子散射實驗的基礎上的．

3. 原子、原子核的大小：原子直徑數量級 10—10m 原子核直徑數量級 10—15m

原子核直徑是原子直徑的十萬分之一．

如果原子是直徑100m的操場，原子核隻有一個直徑為幾毫米的玻璃球那麼大．

4. 原子核是由質子和中子組成，質子和中子統稱為核子。

三、原子光譜

1. 原子光譜：某種原子的氣體通電後可以發光并産生固定不變的光譜，這種光譜被稱為原子光譜。是了解原子性質的最重要的直接證據。原子光譜是分立的亮線，是不連續的。

每種原子都有自己特定的原子光譜。不同的原子，其原子光譜均不相同，故原子光譜被稱為原子的“指紋”。我們通過對光譜的分析鑒别不同的原子，确定物體的化學組成，發現新元素。

注意：用分光鏡觀察氫原子光譜，要盡量縮短時間以延長光譜管的壽命。

2. 玻爾理論解釋氫原子光譜

某種稀薄氣體盡管元素成分較單一，但各原子分别處于不同的能量狀态．它們由高能級向低能級的躍遷會出現多種可能，每一種可能對應發出某一頻率的光子．而這些可能又由對應的能級差決定．能級是不連續的，能級差也是不連續的，所以導緻原子光譜的亮線是不連續的．

3. 光譜分析

由于每種元素都有自己的特征譜線，因此可以根據光譜來鑒别物質和确定它的化學組成．這種方法叫做光譜分析．這種方法的優點是非常靈敏而且迅速．

做光譜分析時，可以利用發射光譜，也可以利用吸收光譜．

铷和铯就是從光譜中看到了以前所不知道的特征譜線而發現的．

太陽光經大氣層時産生的吸收光譜．

4、氫原子光譜在可見光區有四條分立的譜線。可見氫原子受激發隻能發出幾種特定頻率的光。四條譜線的波長滿足巴爾末公式：

，

=3，4，5，6 … R為裡德伯常量。符合巴耳末公式的光譜線統稱為巴耳末系。

5、廣義巴爾末公式：

，其中

和

均為正整數，且

＞

或者

，式中

，

稱為光譜項

譜線波長的倒數可以表示為兩光譜項之差。譜線波長取決于兩光譜項之差。

四、能級

1. 能級的猜想：氫氣放電的過程中，向外輻射出光（能量），氫原子的能量也在減少，因為氫原子光譜是分立的，能量不是連續減少的，因此我們猜想原子内部的能量也是不連續的。

能級：原子内部不連續的能量稱為原子的能級。

躍遷：原子從一個能級變化到另外一個能級的過程叫做躍遷。

處于高能級的原子會自發地向低能級躍遷，并輻射出光子。輻射出光子的能量為

式中

和

分别為原子躍遷前後的能級。

反之，原子吸收了特定頻率的光子或者通過其他途徑獲得能量時便可以從低能級向高能級躍遷，也滿足上式。

由上面分析可知，原子輻射或者吸收光子的頻率取決于兩能級之差。

2．丹麥物理學家波爾推導出氫原子的能級公式：

，

=1，2，3 …

式中R為裡德伯常量，c為光速，n為正整數。式子表明：氫原子的能量是不連續的，是量子化的，隻能取一些定值，因此n也被稱為能量量子數。

3. 從高能級向低能級躍遷時放出光子；從低能級向高能級躍遷時可能是吸收光子。原子從低能級向高能級躍遷時隻能吸收一定頻率的光子；而從某一能級到被電離可以吸收能量大于或等于電離能的任何頻率的光子。（如在基态，可以吸收E ≥13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于電離外，都轉化為電離出去的電子的動能）。

4. 玻爾理論的局限性。由于引進了量子理論（軌道量子化和能量量子化），玻爾理論成功地解釋了氫光譜的規律。但由于它保留了過多的經典物理理論（牛頓第二定律、向心力、庫侖力等），所以在解釋其他原子的光譜上都遇到很大的困難。

氫原子的激發态和基态的能量(最小)的關系是:En=E1/n2，

其中E1=－13.6eV,

(大量)處于n激發态原子躍遷到基态時的所有輻射方式共有

=n (n－1)/2種

注：① 原子從低能級向高能級的躍遷：

當光子作用使原子發生躍遷時，隻有光子的能量滿足

的躍遷條件時，原子才能吸收光子的全部能量而發生躍遷.（電離除外，比如光子能量為14eV的光子照射基态氫原子，會使基态的氫原子電離，電離後電子還具有14eV-13.6eV=0.6eV的初動能.）

當電子等實物粒子作用在原子上，隻要入射粒子的動能大于或等于原子某兩定态能量之差，即可使原子受激發而向較高能級躍遷.

② 原子從高能級向低能級的躍遷：

當一群氫原子處于某個能級向低能級躍遷時，可能産生的譜線條數為n(n-1)/2；

當一個氫原子處于某個能級向低能級躍遷時，最多可産生的譜線條數為（n-1），若氫原子的從高能級向某一确定的低能級躍遷，隻能産生一條譜線

5、氫原子的能級示意圖

基态：正常狀态下，氫原子處于最低的能級

（n=1），這個最低能級對應的狀态稱為基态，氫原子在基态的能量為-13.6eV。

激發态：電子受到外界激發時，可從基态躍遷到較高的能級

，

…上，這些能解對于的狀态稱為激發态。

處于激發态的氫原子是不穩定的，它會自發向較低的能級躍遷，躍遷時釋放出來的能量以光子的形式向外輻射，這就是氫原子發光現象。輻射出的光子的能量等于兩能級的能量差：

。

能級間躍遷産生不連續的線譜。

題型講解

1. 如圖所示，為α粒子散射實驗的示意圖，A點為某α粒子運動中離原子核最近的位置，則該α粒子在A點具有( )

A．最大的速度 B．最大的加速度

C．最大的動能 D．最大的電勢能

2. 下列現象中，與原子核内部變化有關的是（ ）

A．

粒子散射現象 B．天然放射現象

C．光電效應現象 D．原子發光現象

3. （1）氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠的軌道過程中： （ ）

Ａ.原子要吸收光子，電子的動能增大，原子的電勢能增大

Ｂ.原子要放出光子，電子的動能減小，原子的電勢能減小

Ｃ.原子要吸收光子，電子的動能增大，原子的電勢能減小

Ｄ.原子要吸收光子，電子的動能減小，原子的電勢能增大

（2）氫原子的能級如下圖所示，已知可見光的光子能量範圍約為1.62 eV～3.11 eV，下列說法錯誤的是（ ）

A．處于n＝3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發生電離

B．大量氫原子從高能級向n＝3能級躍遷時，發出的光具有顯著的熱效應

C．大量處于n＝4能級的氫原子向低能級躍遷時，可能發出6種不同頻率的光

D．大量處于n＝4能級的氫原子向低能級躍遷時，可能發出3種不同頻率的可見光

1．【答案】BD 2．【答案】B

3．（1）【答案】D

（2）【答案】D【解析】處于n＝3能級的氫原子吸收光子而發生電離的最小能量是1.51 eV，又因紫外線的頻率大于可見光的頻率，所以紫外線的光子能量E≥3.11 eV，故A正确．

由能級躍遷理論知，氫原子由高能級向n＝3能級躍遷時，發出光子的能量E≤1.51 eV，所以發出光子能量小于可見光的光子能量．由E＝hν知，發出光子頻率小于可見光的光子頻率，發出光子為紅外線，具有較強的熱效應，故B正确．

點評：計算時應注意：因一般取 ∞ 遠處為零電勢參考面，故各能級的能量值均為負值；能量單位 1 eV＝1.6×10－19 J．

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