第 1课时 原子结构
基础知识归纳
1.电子的发现和汤姆孙的原子模型
电子的发现：
1897年英国物理学家 汤姆孙 ，对阴极射线进行了一系列的研究，从而发现了电子.使人们认识到 原子 有复杂结构，揭开了研究原子的序幕.
汤姆孙的“枣糕”模型：
原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子一样镶嵌在原子里.
2.卢瑟福的核式结构模型
(1)α粒子散射实验装置
(2)α粒子散射实验的结果：α粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°.
(3)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，带负电的电子在核空间里绕着核旋转.原子核所带的正电荷数等于核外的 电子数 ，所以整个原子是呈电中性的.电子绕着核旋转所需的向心力就是核对它的 库仑引力 .
(4)从α粒子散射实验的数据估算出原子核大小的数量级为10－15～10－14 m，原子大小的数量级为10－10 m.
3.氢原子光谱
(1)光谱分为两类，一类称为 线光谱 ，另一类称为 连续光谱 ；
(2)各种原子的发射光谱都是线状光谱，都只能发出几种特定频率的光，不同原子的发光频率是不同的，因此线状光谱称为原子的 特征谱线 ，对光谱线进行分析，就可以确定发光物质，这种方法称为 光谱分析 .
(3)氢原子光谱可见光谱线波长可以用公式： 表示，式中R称为里德伯常量，R＝1.1×107 m－1.
4.玻尔的原子模型
(1)原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾说明，经典电磁理论已不适用于原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提出三个假设：
① 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，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态.
② 跃迁假设 ：原子从一个定态(设能量为E2)跃迁到另一定态(设能量为E1)时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E2－E1.
③ 轨道量子化假设 ：原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应.原子的能量不连续，因而电子可能轨道的分布也是不连续的.
(2)玻尔的氢原子模型
①氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运动时原子的能量.
氢原子中电子在第n条可能轨道上运动时，氢原子的能量En和电子轨道半径rn分别为En＝ 、rn＝n2r1(n＝1、2、3…).
其中E1、r1为离核最近的第一条轨道(即n＝1)的氢原子能量和轨道半径.即E1＝－13.6 eV，r1＝0.53×10－10 m(以电子距原子核无穷远时电势能为零计算).
②氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫 氢原子的能级 .按能量的大小用图象表示出来即能级图.
其中n＝1的定态称为 基态 ，n＝2以上的定态，称为 激发态 .
5.原子核结构
(1)汤姆孙发现电子，说明 原子 不是最小的微粒；卢瑟福α粒子散射实验，说明原子里存在一个很小的 原子核 ；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，获得质子，说明 原子核 也不是最小的微粒.
(2)原子核是由 质子 和 中子 组成的；质子和中子统称为 核子 ，原子核的核电荷数等于 质子数 ，等于原子的核外 电子数 ；原子核的质量数等于原子核内的 核子数 .
(3)质子数相同而中子数不同的原子核互称 同位素 ，原子的化学性质决定于原子的核外 电子数 ；同位素具有相同的质子数，相同的核外电子数，因而具有相同的 化学性质 .
重点难点突破
一、为什么用α粒子散射实验研究原子结构
原子结构无法直接观察到，要用高速粒子进行轰击，根据粒子的散射情况分析判断原子的结构，而α粒子有足够的能量，可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察α粒子的散射情况，所以选取α粒子进行散射实验.
二、氢原子怎样吸收能量由低能级向高能级跃迁
此类问题可分为三种情况：
1.光子照射氢原子，当光子的能量小于电离能时，只能满足光子的能量为两定态间能级差时才能被吸收.
2.光子照射氢原子，当光子的能量大于电离能时，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用来使电子电离，另一部分可用来增加电子离开核的吸引后的动能.
3.当粒子与原子碰撞(如电子与氢原子碰撞)时，由于粒子的动能可全部或部分被氢原子吸收，故只要入射粒子的动能大于或等于原子两能级的能量差，就可以使原子受激发而向高能级跃迁.
典例精析
1.α粒子散射实验与核式结构模型
【例1】卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出( )
A.原子的核式结构模型B.原子核内有中子存在
C.电子是原子的组成部分D.原子核是由质子和中子组成的[高考资源网KS5U.COM]
【解析】卢瑟福精确统计了向各个方向散射的α粒子的数目，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，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动，由此可知，A选项正确.
【答案】A
【思维提升】(1)关键是利用α粒子散射实验的结果进行分析.
(2)尽管B、C、D正确，但实验结果不能说明它们，故不选B、C、D.[Ks5u.com]
【拓展1】在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是( A )[高考资源网]
A.原子的正电荷和绝大部分质量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
【解析】α粒子带正电，其质量约是电子质量的7 300倍.α粒子碰到金原子内的电子，就像飞行中的子弹碰到尘埃一样，其运动方向不会发生明显的改变.
若正电荷在原子内均匀分布，α粒子穿过原子时，它受到的两侧正电荷斥力有相当大一部分互相抵消，使α粒子偏转的力也不会很大.
根据少数α粒子发生大角度偏转的现象，只能认为原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，入射的α粒子中，只有少数α粒子有机会很接近核，受到很大的斥力而发生大角度偏转.所以正确选项是A.
2.氢原子的能级跃迁
【例2】假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数是处在该激发态能级上的原子总数的 .现在1 200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是( )
A.2 200个 B.2 000个C.1 200个 D.2 400个
【解析】如图所示，各能级间跃迁的原子个数及处于各能级的原子个数分别为
n＝4到n＝3 N1＝1 200× ＝400
n＝3能级的原子个数为400个.
n＝4到n＝2 N2＝1 200× ＝400
n＝3到n＝2 N3＝400× ＝200
n＝2能级的原子个数为600个.
n＝4到n＝1 N4＝1 200× ＝400
n＝3到n＝1 N5＝400× ＝200
n＝2到n＝1 N6＝600
所以发出的光子总数为
N＝N1＋N2＋…＋N6＝2 200
【答案】A
【思维提升】(1)原子从低能级向高能级跃迁吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足hυ＝E末－E初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级E初向高能级E末跃迁，而当光子能量hυ大于或小于E末－E初时都不能被原子吸收.
(2)原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差.
(3)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离；当氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能.
一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N＝ .
【拓展2】氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV～3.11 eV.下列说法错误的是( D )
A.处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离
B.大量氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应
C.大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光
D.大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光
易错门诊
3.氢原子的能量
【例3】氢原子基态的轨道半径为0.528×10－14 m，量子数为n的能级的能量为E＝－ eV.
(1)求电子在基态轨道上运动时的动能；[高考资源网KS5U.COM]
(2)有一群氢原子处于量子数n＝3的激发态.画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线；
(3)计算这几条光谱线中波长最短的一条的波长.(其中静电力常量k＝9.0×109 N?m2/C2，电子的电荷量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)
【错解】(1)电子在基态轨道中运动时量子数n＝1，其动能为En＝－ ＝－ ＝
－13.6 eV
由于动能不为负值，所以Ek＝En＝13.6 eV
(2)作能级图如图，可能发出两条光谱线.
(3)由于能级差最小的两能级间跃迁产生的光谱线波长最短，所以(E3－E2)时所产生的光谱线为所求，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
【错因】(1)动能的计算错误主要是不理解能级的能量值的物理意义，因而把电子在基态轨道上运动时的动能与n＝1时的能级的能量值等同起来.电子在轨道上的能量E，它包括电势能Ep和动能Ek.计算表明Ep＝－2Ek，所以E＝Ek＋Ep＝－Ek，Ek＝－E＝13.6 eV.虽然错解中解出的数值正确，但概念的理解是错误的.
(2)错解中把电子的发射光谱图画成了吸收光谱图.
(3)不少学生把能级图上表示能级间能量差的长度线看成与谱线波长成正比了.
【正解】(1)设电子的质量为m，电子在基态轨道上的速率为v1，根据牛顿第二定律和库仑定律有
所以Ek＝ J＝2.18×10－18 J＝13.6 eV
(2)当氢原子从量子数n＝3的能级跃迁到较低能级时，可以得到3条光谱线，如图所示.
(3)波长最短的一条光谱线对应的能级差应为最大，应是从量子数为3的能级跃迁到量子数为1的能级所发出的光谱线.
E3－E1＝hυ
υ＝
λ＝ ＝1.65×10－7 m
基础知识归纳
1.电子的发现和汤姆孙的原子模型
电子的发现：
1897年英国物理学家 汤姆孙 ，对阴极射线进行了一系列的研究，从而发现了电子.使人们认识到 原子 有复杂结构，揭开了研究原子的序幕.
汤姆孙的“枣糕”模型：
原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子一样镶嵌在原子里.
2.卢瑟福的核式结构模型
(1)α粒子散射实验装置
(2)α粒子散射实验的结果：α粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°.
(3)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，带负电的电子在核空间里绕着核旋转.原子核所带的正电荷数等于核外的 电子数 ，所以整个原子是呈电中性的.电子绕着核旋转所需的向心力就是核对它的 库仑引力 .
(4)从α粒子散射实验的数据估算出原子核大小的数量级为10－15～10－14 m，原子大小的数量级为10－10 m.
3.氢原子光谱
(1)光谱分为两类，一类称为 线光谱 ，另一类称为 连续光谱 ；
(2)各种原子的发射光谱都是线状光谱，都只能发出几种特定频率的光，不同原子的发光频率是不同的，因此线状光谱称为原子的 特征谱线 ，对光谱线进行分析，就可以确定发光物质，这种方法称为 光谱分析 .
(3)氢原子光谱可见光谱线波长可以用公式： 表示，式中R称为里德伯常量，R＝1.1×107 m－1.
4.玻尔的原子模型
(1)原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾说明，经典电磁理论已不适用于原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提出三个假设：
① 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，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态.
② 跃迁假设 ：原子从一个定态(设能量为E2)跃迁到另一定态(设能量为E1)时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E2－E1.
③ 轨道量子化假设 ：原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应.原子的能量不连续，因而电子可能轨道的分布也是不连续的.
(2)玻尔的氢原子模型
①氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运动时原子的能量.
氢原子中电子在第n条可能轨道上运动时，氢原子的能量En和电子轨道半径rn分别为En＝ 、rn＝n2r1(n＝1、2、3…).
其中E1、r1为离核最近的第一条轨道(即n＝1)的氢原子能量和轨道半径.即E1＝－13.6 eV，r1＝0.53×10－10 m(以电子距原子核无穷远时电势能为零计算).
②氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫 氢原子的能级 .按能量的大小用图象表示出来即能级图.
其中n＝1的定态称为 基态 ，n＝2以上的定态，称为 激发态 .
5.原子核结构
(1)汤姆孙发现电子，说明 原子 不是最小的微粒；卢瑟福α粒子散射实验，说明原子里存在一个很小的 原子核 ；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，获得质子，说明 原子核 也不是最小的微粒.
(2)原子核是由 质子 和 中子 组成的；质子和中子统称为 核子 ，原子核的核电荷数等于 质子数 ，等于原子的核外 电子数 ；原子核的质量数等于原子核内的 核子数 .
(3)质子数相同而中子数不同的原子核互称 同位素 ，原子的化学性质决定于原子的核外 电子数 ；同位素具有相同的质子数，相同的核外电子数，因而具有相同的 化学性质 .
重点难点突破
一、为什么用α粒子散射实验研究原子结构
原子结构无法直接观察到，要用高速粒子进行轰击，根据粒子的散射情况分析判断原子的结构，而α粒子有足够的能量，可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察α粒子的散射情况，所以选取α粒子进行散射实验.
二、氢原子怎样吸收能量由低能级向高能级跃迁
此类问题可分为三种情况：
1.光子照射氢原子，当光子的能量小于电离能时，只能满足光子的能量为两定态间能级差时才能被吸收.
2.光子照射氢原子，当光子的能量大于电离能时，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用来使电子电离，另一部分可用来增加电子离开核的吸引后的动能.
3.当粒子与原子碰撞(如电子与氢原子碰撞)时，由于粒子的动能可全部或部分被氢原子吸收，故只要入射粒子的动能大于或等于原子两能级的能量差，就可以使原子受激发而向高能级跃迁.
典例精析
1.α粒子散射实验与核式结构模型
【例1】卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出( )
A.原子的核式结构模型B.原子核内有中子存在
C.电子是原子的组成部分D.原子核是由质子和中子组成的[高考资源网KS5U.COM]
【解析】卢瑟福精确统计了向各个方向散射的α粒子的数目，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，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动，由此可知，A选项正确.
【答案】A
【思维提升】(1)关键是利用α粒子散射实验的结果进行分析.
(2)尽管B、C、D正确，但实验结果不能说明它们，故不选B、C、D.[Ks5u.com]
【拓展1】在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是( A )[高考资源网]
A.原子的正电荷和绝大部分质量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
【解析】α粒子带正电，其质量约是电子质量的7 300倍.α粒子碰到金原子内的电子，就像飞行中的子弹碰到尘埃一样，其运动方向不会发生明显的改变.
若正电荷在原子内均匀分布，α粒子穿过原子时，它受到的两侧正电荷斥力有相当大一部分互相抵消，使α粒子偏转的力也不会很大.
根据少数α粒子发生大角度偏转的现象，只能认为原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，入射的α粒子中，只有少数α粒子有机会很接近核，受到很大的斥力而发生大角度偏转.所以正确选项是A.
2.氢原子的能级跃迁
【例2】假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数是处在该激发态能级上的原子总数的 .现在1 200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是( )
A.2 200个 B.2 000个C.1 200个 D.2 400个
【解析】如图所示，各能级间跃迁的原子个数及处于各能级的原子个数分别为
n＝4到n＝3 N1＝1 200× ＝400
n＝3能级的原子个数为400个.
n＝4到n＝2 N2＝1 200× ＝400
n＝3到n＝2 N3＝400× ＝200
n＝2能级的原子个数为600个.
n＝4到n＝1 N4＝1 200× ＝400
n＝3到n＝1 N5＝400× ＝200
n＝2到n＝1 N6＝600
所以发出的光子总数为
N＝N1＋N2＋…＋N6＝2 200
【答案】A
【思维提升】(1)原子从低能级向高能级跃迁吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足hυ＝E末－E初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级E初向高能级E末跃迁，而当光子能量hυ大于或小于E末－E初时都不能被原子吸收.
(2)原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差.
(3)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离；当氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能.
一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N＝ .
【拓展2】氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV～3.11 eV.下列说法错误的是( D )
A.处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离
B.大量氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应
C.大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光
D.大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光
易错门诊
3.氢原子的能量
【例3】氢原子基态的轨道半径为0.528×10－14 m，量子数为n的能级的能量为E＝－ eV.
(1)求电子在基态轨道上运动时的动能；[高考资源网KS5U.COM]
(2)有一群氢原子处于量子数n＝3的激发态.画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线；
(3)计算这几条光谱线中波长最短的一条的波长.(其中静电力常量k＝9.0×109 N?m2/C2，电子的电荷量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)
【错解】(1)电子在基态轨道中运动时量子数n＝1，其动能为En＝－ ＝－ ＝
－13.6 eV
由于动能不为负值，所以Ek＝En＝13.6 eV
(2)作能级图如图，可能发出两条光谱线.
(3)由于能级差最小的两能级间跃迁产生的光谱线波长最短，所以(E3－E2)时所产生的光谱线为所求，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
【错因】(1)动能的计算错误主要是不理解能级的能量值的物理意义，因而把电子在基态轨道上运动时的动能与n＝1时的能级的能量值等同起来.电子在轨道上的能量E，它包括电势能Ep和动能Ek.计算表明Ep＝－2Ek，所以E＝Ek＋Ep＝－Ek，Ek＝－E＝13.6 eV.虽然错解中解出的数值正确，但概念的理解是错误的.
(2)错解中把电子的发射光谱图画成了吸收光谱图.
(3)不少学生把能级图上表示能级间能量差的长度线看成与谱线波长成正比了.
【正解】(1)设电子的质量为m，电子在基态轨道上的速率为v1，根据牛顿第二定律和库仑定律有
所以Ek＝ J＝2.18×10－18 J＝13.6 eV
(2)当氢原子从量子数n＝3的能级跃迁到较低能级时，可以得到3条光谱线，如图所示.
(3)波长最短的一条光谱线对应的能级差应为最大，应是从量子数为3的能级跃迁到量子数为1的能级所发出的光谱线.
E3－E1＝hυ
υ＝
λ＝ ＝1.65×10－7 m
