資源簡介

原子結構
一、電子的發現







實物圖 原理圖
實驗裝置
真空玻璃管、陰極、陽極和感應圈．
實驗現象：
感應圈產生的高電壓加在兩極之間，玻璃管壁上發出熒光
熒光是由于玻璃受到陰極發出的某種射線的撞擊而引起的，這種射線命名為陰極射線。
當時對陰極射線本質的認識有兩種觀點
1.電磁波說，代表人物——赫茲，他認為這種射線是一種電磁輻射．
2.粒子說，代表人物——湯姆遜，他認為這種射線是一種帶電粒子流．
陰極射線帶電性質的判斷方法
方法一：在陰極射線所經區域加上電場，通過打在熒光屏上的亮點的變化和電場的情況確定帶電的性質．
方法二：在陰極射線所經區域加一磁場，根據亮點位置的變化和左手定則確定帶電的性質．
實驗結果
根據陰極射線在電場中和磁場中的偏轉情況，判斷出陰極射線是粒子流，并且帶負電。
湯姆遜勝出！并將該粒子命名為電子。而且湯姆遜又進一步研究了許多新現象，證明了電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質單元。
電子比荷的測量
1．電子比荷的測定方法
根據電場、磁場對電子的偏轉測量比荷(或電荷量)，可按以下方法：
(1)讓電子通過正交的電磁場，如圖所示，讓其做勻速直線運動，根據二力平衡，即
F洛＝F電 Bqv＝qE 得到電子的運動速度v＝.

(2)在其他條件不變的情況下，撤去電場，如圖所示，保留磁場讓電子在磁場中運動，由洛倫茲力提供向心力，即Bqv＝m，根據軌跡偏轉情況，由幾何知識求出其半徑r，可得
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電子的帶電量是有密立根所測得。
油滴實驗

油滴實驗裝置
①兩塊水平放置的平行金屬板A、B與電源相接，使上板帶正電，下板帶負電．油滴從噴霧器噴出后，經上面金屬板中間的小孔，落到兩板之間的勻強電場中。
②大多數油滴在經過噴霧器噴嘴時，因摩擦而帶負電，油滴在電場力、重力和空氣阻力的作用下下降．觀察者可在強光照射下，借助顯微鏡進行觀察。
實驗過程
1.兩板間的電勢差、兩板間的距離都可以直接測得，從而確定極板間的電場強度E。但是由于油滴太小，其質量很難直接測出。密立根通過測量油滴在空氣中下落的終極速度來測量油滴的質量。沒加電場時，由于空氣的黏性，油滴所受的重力大小很快就等于空氣給油滴的摩擦力而使油滴勻速下落，可測得速度v1。
②再加一足夠強的電場，使油滴做豎直向上的運動，在油滴以速度v2勻速運動時，油滴所受的靜電力與重力、阻力平衡．根據空氣阻力遵循的規律，即可求得油滴所帶的電荷量．
以上過程只是簡單的描述，設計流體力學相關知識點，所以簡單了解一下就好了。
(3)結論
帶電油滴的電荷量都等于某個最小電荷量的整數倍，從而證實了電荷是量子化的，并求得了其最小值即電子所帶的電荷量e。
總結：
1.英國物理學家湯姆孫發現了電子. 2.組成陰極射線的粒子——電子. 3.密立根通過“油滴實驗”精確測定了電子電荷量.


二、原子結構
原子結構的發展史是人類對微觀世界不斷探索的歷程，所以先后順序作為理論題經常在化學和物理中出現，我做一個歸納。
1.道爾頓
英國科學家道爾頓1803年提出了世界上第一個原子。認為原子是一個堅硬的實心小球。
理論
①原子都是不能再分的粒子；②同種元素的原子的各種性質和質量都相同；③原子是微小的實心球體。
雖然，經過后人證實，這是一個失敗的理論模型，但道爾頓第一次將原子從哲學帶入化學研究中，明確了今后化學家們努力的方向，化學真正從古老的煉金術中擺脫出來，道爾頓也因此被后人譽為“近代化學之父”
2. 湯姆遜
英國物理學家湯姆遜1904年在發現電子（1897年）的基礎上提出了原子是一個帶正電荷的球，電子鑲嵌在里面，原子好似一塊“葡萄干布丁”故名“棗糕模型”或“葡萄干蛋糕模型”；提出第一個存在著亞原子結構的原子模型。
原理
①電子是平均的分布在整個原子上的，就如同散布在一個均勻的正電荷的海洋之中，它們的負電荷與那些正電荷相互抵消。②在受到激發時，電子會離開原子，產生陰極射線。
3.盧瑟福
湯姆遜的學生盧瑟福完成的α粒子轟擊金箔實驗（散射實驗），否認了葡萄干面包式模型的正確性。
提出行星模型：原子的大部分體積是空的，電子按照一定軌道圍繞著一個帶正電荷的很小的原子核運轉。以經典電磁學為理論基礎，主要內容有：
①原子的大部分體積是空的 　②在原子的中心有一個很小的原子核　③原子的全部正電荷在原子核內，且幾乎全部質量均集中在原子核內部。帶負電的電子在核空間進行繞核運動。
4.波爾原子模型
1913年波爾提出電子不是隨意占據在原子核的周圍，而是在固定的層面上運動，當電子從一個層面躍遷到另一個層面時，原子便吸收或釋放能量。
5.現代電子云
20世紀20年代根據海森堡的不確定性原理提出電子繞核運動形成一個帶負電荷的云團，對于具有波粒二象性的微觀粒子在一個確定時刻其空間坐標與動量不能同時測準

盧瑟福的α粒子散射實驗出現很多次了，書上說的也比較清楚，就不展開了

三、氫原子光譜
光譜：早在17世紀，牛頓就發現了太陽光的色散現象。含有多種顏色的光被分解后，各種單色光按波長大小依次排列的圖案即為光譜。
連續光譜：連續分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續光譜。
產生條件：熾熱的固體、液體和高壓氣體的發射光譜是連續光譜。例如白熾燈絲發出的光、燭焰、熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜。

線狀譜：一條條分立的譜線。各原子發光都是線狀譜。說明原子只發出幾種特定頻率的光
線狀譜的特點：
1.不連續，只是些亮線組成
2.不同色，每種顏色對應著一種波長
3.不等距，相鄰兩種光的波長間距不相同
線狀譜可分為明線光譜和暗線光譜

明線光譜：只含有一些不連續的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫譜線，各條譜線對應不同波長的光。
產生條件：稀薄氣體或金屬的蒸氣的發射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態的原子發射的，所以也叫原子的光譜。實踐證明，原子不同，發射的明線光譜也不同，每種原子只能發出具有本身特征的某些波長的光，因此明線光譜的譜線也叫原子的特征譜線。

暗線光譜，又叫吸收光譜。在連續光譜上缺失了某些成份的光
產生條件：熾熱的白光通過溫度較白光低的氣體后，再色散形成的。

光譜分析：
由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據光譜來鑒別物質和確定的化學組成。這種方法叫做光譜分析。原子光譜的不連續性反映出原子結構的不連續性，所以光譜分析也可以用于探索原子的結構。
在教材中主要對氫原子的光譜進行了分析，實際每個原子都有對應的光譜，但是由于其他原子的結構太復雜，分析工具和理論基礎不足，所以不對其他原子分析。
氫原子的光譜如下圖

如圖可知，氫原子的光譜在可見光和不可見光范圍內都有譜線分布，人們便對各種光線的波長進行數學歸納。
首先是巴爾末，他是一個瑞士的數學教師。對氫原子的光譜分析后總結出一個公式，稱為巴爾末公式
n=3，4，5，...R=1.10×10-7m-1，R為里德伯常數
巴爾末是針對可見光范圍內的4條光線的波長進行分析總結的，所以可見光部分的實驗規律和公式是完美符合的， 其實就是能級n≥3的電子躍遷到能級n=2時所發出的光，但是不可見光部分就不能相符合了，后來很多科學家對其他波長的光譜進行了分析研究，總結出了很多類似的公式
萊曼系：能級n≥2的電子躍遷到能級n=1所發出的光的波長規律（紫外區）
n=2，3，4，...
帕邢系：能級n≥4的電子躍遷到能級n=3所發出的光的波長規律（紅外區）
n=4，5，6...

不拉開系：能級n≥5的電子躍遷到能級n=4所發出的光的波長規律（紅外區）
n=5，6，7，...

普豐德系：能級n≥6的電子躍遷到能級n=5所發出的光的波長規律（紅外區）
n=6，7，8，...

哈弗來系：能級n≥7的電子躍遷到能級n=6所發出的光的波長規律（紅外區）
n=7，8，9...
后來瑞典物理學家里德伯將上述各系列譜線歸納出氫原子譜線的經驗公式：
n=k+1，k+2，k+3...


四、波爾原子模型
上述現象用經典物理學無法做出解釋
無法解釋的現象主要有兩點：
現象 經典物理學 結果
原子是一個穩定結構 由盧瑟福原子模型可知，電子繞著與原子核高速運動，當電子向外輻射能量時，電子的能量減少，那么由庫侖定律可得電子繞核運動的半徑將逐漸變小，最后與原子核貼在一起，原子結構坍塌 矛盾
光譜是分立的譜線 電子軌道半徑不斷變小的過程是一個連續的過程，那么對應的光線也應該是連續的光譜 矛盾

這個時候波爾閃亮登場！玻爾在普朗克的量子論和愛因斯坦的光子概念的啟發下，將分立值的觀念應用到原子系統，提出了自己的原子結構假說。
波爾的原子理論可以歸納為三大假設
1.量子化假設： （針對原子核式模型提出，是能級假設的補充）
圍繞原子核運動的電子軌道半徑只能是某些分立的數值，這個條件叫做軌道量子化條件；
(1)原子中的電子在庫侖引力的作用下,繞原子核做圓周運動；
(2)電子繞核運動的軌道是不連續的；
(3)電子在這些軌道上繞核的轉動是穩定的,不產生電磁輻射。
2.假設：（本假設是針對原子穩定性提出的）
不同的軌道對應著不同的狀態，在這些狀態中，盡管電子在做變速運動，卻不輻射能量，因此這些狀態是穩定的；
(1)當電子在不同軌道上運動時,原子處于不同的狀態中,具有不同的能量,即原子的能量是量子化的,這些量子化的能量值叫作能級。
(2)原子中這些具有確定能量的穩定狀態,稱為定態。能量最低的狀態叫作基態,其他的能量狀態叫作激發態。
3.頻率條件：（本假設針對線狀譜提出）
原子從一種定態躍遷到另一種定態時,它輻射(或吸收)一定頻率的光子,光子的能量由這兩種定態的能量差決定,即hν=Em-En, (h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s) 。可見,電子如果從一個軌道到另一個軌道,不是以螺旋線的形式改變半徑大小的,而是從一個軌道上“跳躍”到另一個軌道上。玻爾將這種現象叫作電子的躍遷。

波爾作出以上假設以后，對氫原子光譜進行了解釋
1.氫原子的能級圖

2.氫原子的軌道半徑量子化公式
rn=n2r1（n=1，2，3，...） r1是基態的軌道半徑
氫原子的能級公式

結合牛頓運動定律和庫侖定律總結了一下兩個式子
En= E1為基態能量，E1=-13.6eV
各軌道環繞周期公式
Tn=n3T1 T1為基態電子環繞周期
結合牛頓運動定律和庫侖定律總結了一下兩個式子
3. 解釋了巴耳末公式
(1)按照玻爾理論,原子從高能級(如從Em)躍遷到低能級(如到E2)時輻射的光子的能量為hν=Em-E2。
(2)巴耳末公式中的正整數n和2正好代表能級躍遷之前和之后所處的定態軌道的量子數n和2。并且理論上的計算和實驗測量的里德伯常量符合得很好
4.解釋了氣體導電發光現象：
處于基態的原子受到電子的撞擊,可以躍遷到激發態,處于激發態的原子是不穩定的,會自發地向能量較低的能級躍遷,放出光子,最終回到基態。
5.解釋了氫原子光譜的不連續性
原子從較高能級向低能級躍遷時放出光子的能量等于前后兩能級差,由于原子的能級是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,因此原子的發射光譜只有一些分立的亮線。
6.解釋了不同（類氫）原子具有不同的特征譜線
不同的原子具有不同的結構,能級各不相同,因此輻射(或吸收)的光子頻率也不相同。
眾所周知，波爾的原子模型是不完善的，有很大的成功，同時也存在很大的局限性
1.玻爾理論的成功之處:玻爾的原子理論第一次將量子觀念引入原子領域,提出了定態和躍遷的概念,成功地解釋了氫原子光譜的實驗規律。軌道量子化假設把量子觀念引入原子理論，這是玻爾的原子理論之所以成功的根本原因
2.玻爾理論的局限性:對更復雜的原子發光,玻爾理論卻無法解釋,它過多地保留了經典粒子的概念。把電子運動看成是經典力學描述下的軌道運動。
3.電子云:根據量子觀念,核外電子的運動服從統計規律,而沒有固定的軌道,我們只能知道它們在核外某處出現的概率大小,畫出來的圖像就像云霧一樣,稠密的地方就是電子出現概率大的地方,把它形象地稱作電子云。
針對考試題目，在此拓展一下
1、氫原子的電離：

所以至少要13.6eV能量的光子或電子

2、使原子能級躍遷的兩種粒子——光子與實物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激發，其光子的能量必須等于兩能級的能量差，否則不被吸收。
(2)原子還可吸收實物粒子(如自由電子)的能量而被激發，由于實物粒子的動能可部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于兩能級的能量差值，就可使原子發生能級躍遷。

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