1、第二节 原子的核式结构模型 白景曦 （西北师范大学第一附属中学 甘肃 兰州 730070） 摘要 汤姆生发现电子后，提出枣糕式原子模型；卢瑟福和助手做了 粒子散射实验，提出 原子的核式结构模型；玻尔根据经典电磁理论和卢瑟福的核式结构模型的矛盾，提出原子 的量子化结构模型。 关键词：电子的发现 枣糕式模型 粒子散射实验 核式结构模型 量子化结构模型 引言 很早以前人们就提出组成物质的最小微粒是原子，但是原子是否有内部结构、是否还 可以再分呢？同学们的回答一定是肯定的。那么，人们是什么时候发现原子还可以再分？ 又是如何探索原子的结构的呢？ 1897 年，汤姆生发现了电子，后来人们又通过气体电离和光
2、电效应实验从物体中打出 了电子。通过这些现象，人们意识到原子并不是不可再分的。原子内除了电子外还应该有 带正电的物质，它们是怎么构成原子的呢？本节课我们来研究第三节：原子的结构。 第 1 课时：原子的核式结构 新课教学： 一、原子的结构 1电子的发现 1897 年英国物理学家汤姆生在研究低压气体放电阴极射线时发现了电子。汤姆生 对阴极射线进行了一系列的实验研究，确定了阴极射线中粒子带负电，并计算出了它的荷 质比 me，通过进一步的研究发现它的电量跟氢离子的电量基本相同，质量比氢离子小得多， 后来人们称之为电子，是原子的组成部分。阴极射线是高速电子流，电子的发现对揭示原 子结构具有重大意义，它是
3、近代物理三大发现（X 射线、放射性、电子）之一。 思考：既然电子是原子的组成部分，而原子又是中性的，那么原子里还存在带什么电 的物质？既然电子质量很小，那么原子的质量绝大部分集中在哪里？带正电的物质和带负 电的电子是如何组成原子的呢？ 2汤姆生的原子结构（枣糕型） （1）枣糕式模型：汤姆生提出，原子是由带负电的电 子和带正电的物质组成，原子是一个球体，带正电的物质均 匀的分布在原子中就象枣糕中的米粒，电子嵌在原子中 就象枣糕中的枣子，且在平衡位置振动。 （2）应用：汤姆生原子模型能解释一些实验事实 如原子是中性的。在汤姆生发表论文 10 年后，即 1909 年到 1911 年，他的学生卢瑟福和
4、同事们做了一个著名的 粒子 散射实验，这个实验现象无法用汤姆生原子模型来正确解释说明汤姆生原子模型有不 正确的地方，卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构学说。 3原子的核式结构 电子 带负电的物质 （1） 粒子散射实验（P62） 装备：如图， 粒子源、金箔 （很薄，约 1 微米左右）、带荧光 屏的显微镜、带荧光屏的显微镜可 以沿图中虚线转动，整个装置放在 真空中。 实验及设想：用 粒子轰击金 箔，由于金原子中的带电微粒对 粒子有库仑力的作用，一些 粒子穿过金箔后会改变原来的运动方向，这种现象叫做 粒子散射。卢瑟福希望通过对散射的研究的分析，来了解原子内部电荷与质量的分布情 况。
5、实验现象：绝大多数 粒子不偏转； 少数 粒子发生了较大角度的偏转； 极少数 粒子发生了大角度偏转，甚至被反弹回来。 实验现象分析： 按汤姆生模型分析，粒子穿过汤姆生原子模型有两种可能， 与电子相碰，受到静电斥力。因为电子的质量很小，粒子 打在电子上，就象子弹打在一颗尘埃上一样，运动方向不可能发 生什么变化；当粒子通过金箔时受静电斥力作用，但由于带正 电的物质均匀分布，所以正电荷对粒子的斥力大部分相互抵消， 也不会使粒子产生大角度偏转。 思考：什么样的原子结构会出现这样的实验现象呢？ 因为电子的质量很小，粒子打在电子上，就象子弹打在一颗尘埃上一样，运动方向 不可能发生什么变化。粒子的偏转一定是带
6、正电的物质引起的，大多数粒子不偏转的 原因是它们运动过程中没有受到带正电的物质的斥力作用，说明原子内几乎是“空”的； 少数粒子发生较大偏转，说明带正电的物质对它们产生了库仑斥力的作用；极少数粒 子发生大角度偏转，说明它们和带正电的物质发生了很大的作用力撞击，而且这种物 质占据的空间很小。 （2）原子的核式结构 英国物理学家卢瑟福在粒子散射实验的基础上，于1911年提出了原子核式结构学说。 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，带负电的电子在核外空间绕着核旋转。 学生讨论：用原子核式结构学说解释粒子散射实验。 小结：按卢瑟福的原子核式结构模型，
7、原子内部是十分“空旷”的，近年来的研究表 明，原子直径的数量级（实际上是电子的活动范围的数量级）为10 10 m，而原子核直径的 数量级为10 15 m，两者的直径相差十万倍。如果把原子直径比做直径为百米左右的大球， 那么原子核则只有毫米左右米粒大小。所以，粒子通过金箔时，如入“无人之景”，绝 大多数粒子碰不到质量和电量都较大的原子核，只有少子从原子核附近经过，受电场力 作用较大而发生较大的偏转。只有极少数的数粒粒子跟原子核发生“碰撞”，从而发生 大角度偏转，但这种“碰撞”发生的可能性极小。 学生讨论：卢瑟福原子模型和汤姆生原子模型的相同之处和不同之处是什么？ 相同点：原子都由带负电的电子和带
8、正电的物质组成，且正负电荷相等；电子质 量很小，原子的质量几乎全部集中在带正电的物质上。 粒子束 粒子源 粒子 粒子 粒子 望远镜 荧光屏 不同点：有核和无核；空和实（虽空但有核）；电子转与不转（绕核）。 教师：卢瑟福是肯定了汤氏原子模型的正确方面，否定了不切实际的部分后提出自己 的学说的，这是在肯定的基础上的否定，使认识向前发展。辩证的否定是事物发展的 重要环节。 结论 本节课收获如下： 1.知识：（1）电子的发现；（2）枣糕式模型；（3） 粒子散射实验；（4）原子的 核式结构。 2.方法：实验法、归纳法、分析法 第 2 课时：能级 复习： 1 粒子散射实验现象有哪些？ 2原子的核式结构模型
9、的内容是什么？ 引言 原子的“核式结构” ，是卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出的。卢瑟福的核式结 构模型能很好的解释有关的实验现象，得到了多数人的支持。卢瑟福的核式结构模型有缺 陷吗？本节课我们就来研究这个问题。 新课教学 一、卢瑟福原子核式结构学说与经典电磁理论的矛盾 1原子是不稳定的。 经典的电磁理论认为电子绕原子核旋转，则一定具有加速度，作变速运动，作变速运 动的电子产生变化的电场，因而电子向外辐射能量辐射电磁波，因此随着它的能量减 少，电子运行的轨道半径也减小，最终要落入原子核中造成原子塌陷，这样看来原子 是不稳定的。而实际上原子是稳定的。 2大量原子的光谱将是包含一切频率的连续光谱
10、。 经典的电磁理论认为电子绕核运行的轨道不断的变化，它向外辐射电磁波的频率应该 等于绕核旋转的频率。因此在轨道不断减小的过程中原子辐射一切频率的电磁波，大量原 子的发光光谱应该是连续光谱。而实际上，原子光谱是不连续的线状光谱。 课件观察：原子的线状光谱。 卢瑟福的学说跟经典的电磁理论发生了矛盾，这些矛盾说明，从宏观现象总结出的经 典电磁理论不适用与原子这样小的粒子产生的微观现象。为了解决这些矛盾，许多物理学 家做了努力和探索，其中丹麦的物理学家玻尔提出了较好的解决方法。 二、玻尔的原子模型理论 1玻尔原子模型理论的基础 （1）卢瑟福的原子核式结构； （2）普朗克的量子理论， hE； （3）光谱
11、学，特别是氢光谱实验中测得的实验数据。 2玻尔原子模型理论的主要内容三个假设 （1）能量量子化假设 原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，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。 说明：这一说法和事实是符合得很好的，电子并没有被库仑力吸引到核上，就像行星 绕着太阳运动一样。这里所说的定态是指原子可能的一种能量状态，有某一数值的能量， 这些能量是电子的动能和电势能的总和。 （2）跃迁量子化假设 原子从一种定态（设能量为 E2）跃迁到另一种定态（设能量为 E1）时，它辐射或吸收 一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 1h 当 E2E
12、1 时，辐射光子；当 E2E 1 时，吸收光子。 （3）轨道量子化假设 原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道，由于原子的能量状态是不连续的， 因此电子的可能轨道也是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运行，只有满足下列 条件的轨道才是可能的：轨道的半径 r 跟电子的动量 mv 的乘积等于 2h的整数倍，即 ,3,2,1,2nnhmv。 式中 n 是正整数，叫量子数。 玻尔的原子模型解决了原子的稳定性问题，玻尔在这几个假设的基础上利用经典的电 磁理论和牛顿力学，计算出了氢的电子的各条可能轨道的半径和电子在各轨道上运动时的 能量。 三、氢原子轨道半径的大小和能级 1电子的轨道半径的大小：氢
13、原子的电子的各条可能轨道的半径 rn： rn=n2r1 r1 代表第一条（离核最近的一条）可能轨道的半径，r 1=0.531010 m。 例：n=2, r2=2.121010 m 2能级 （1）原子在各个定态时的能量值 En 称为原子的能级。它对应电子在各条可能轨道上 运动时的能量 En（包括动能和势能） ,32121 E1 代表电子在第一条可能轨道（r 1）上运动时的能量，E 1=13.6eV 。 说明：计算能量时取离核无限远处的电势能为零，电子带负电，在正电荷的场中为负 值，电子的动能为电势能绝对值的一半，总能量为负值。 例：当 n=2 时，E 2=3.4eV ； 当 n=3 时，E 3=
14、1.51eV ； 当 n=4 时，E 4=0.85eV ； （2）基态和激发态 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。 3原子发光 （1）原子光谱 原子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加要吸 收能量； 原子也可以从能量较高的激发态向能量较低的激发态或基态跃迁，电子所受库仑力做 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； 明确：原子的能量增加是因为电子增加的电势能大于电子减少的动能；反之原子的能 量减少是因为电
15、子减少的电势能大于电子增加的动能。原子无论吸收能量还是辐射能量， 这个能量都不是任意的，而是等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差： 12Eh 原子光谱：原子从高能级跃迁到低能级时，辐射的光子的能量是不连续的，波长也是 不连续的，所以其光谱是若干条不连续的亮线，这种分立的线状光谱叫原子光谱。如课本 彩图所示。 （2）氢的原子光谱 氢原子中只有一个核外电子，这个电子在某个时刻只能在某个可能轨道上，或者说在 某个时间内，由某轨道跃迁到另一轨道可能情况只有一种。可是，通常容器盛有的氢 气，总是千千万万个原子在一起，这些原子核外电子跃迁时，就会有各种情况出现了。但 是这些跃迁不外乎是 “能级图”中表示出
16、来的那些情况。 说明，真空中可见光的波长及频率范围： 波长，770 400 ；nm 频率，3.910 147.51014Hz； 光子能量，1.63.1eV。 巩固练习： 例1：根据玻尔理论，在氢原子中量子数n越大，则（ ） A原子轨道半径越小； B核外电子速度越小； C原子能级的能量越小； D原子的电势能越大。 解析：由 12rn得， n越大，电子的轨道半径 rn越大。A错误； 1 2 3 4 5 n 13.6 3.4 1.51 0.85 0.54 0 E（eV ） 莱曼系（紫外线） 巴耳末系（可见光及红外线） 帕邢系（红外线） 布拉开系（红外线） 普丰德系（红外线） 由 nrvmeK 2 （
17、不计万有引力）得： nnrmrKev1 2 ，B正确； 由 eVEn6.132 En E1，C错误； r增大时，库仑力做负功，电势能增大，D正确。 例2：已知，氢原子基态的电子轨道半径为 r1=0.531010 m，基态的能级为 E1=13.6eV。 （1）求电子在n=2的轨道上运动形成的等效电流。 （2）有一群氢原子处于量子数n=4的激发态，求这些氢原子向低能态跃迁时所辐射的 光子的频率可能有几种。 （3）计算这几条光谱线中最长的波长，这种波长的光能否使铯发生光电效应（已知 铯的极限频率是4.54510 14Hz）。 （4）能量为12eV的光子能否使处于基态的氢原子受到激发？能否使处于n=2
18、的氢原子 电离？动能为12eV的实物粒子（如电子、质子等）能否使处于基态的氢原子受到激发？ 解析：（1） TeIrnrTmreK1222 4)( 得： )(10.641AI （2）最多有6条谱线。 （3）这6条谱线中波长最长的是由n=4跃迁到n=3 的一条。 c JeVEhE 192134 0560 得： mEh 84.1084.1056.1369 4)(.3.04Hzh 0，所以不能使铯发生光电效应。 （4）光子不能使处于基态的氢原子受到激发，可以使处于n=2的氢原子电离。因为物 体吸收光子时必须全部吸收，否则就一点也不吸收；若吸收光子使原子由低能态跃迁到高 能态，则光子的能量必须是这两能级
19、间的能量差，若吸收光子可使原子电离，则只要光子 的能量大于其电离能即可被原子吸收。 E=12eV的实物粒子可以使处于基态的氢原子受到激发，原子吸收实物粒子的能量时， 可只吸收其一部分能量（这部分能量一定等于其跃迁时的两能级能量之差；若吸收能量可 1 2 3 4 13.6 3.4 1.51 0.85 En/eVn 使原子电离，则只要吸收的能量大于其电离能即可）。 四、光谱分析 1.概念：由于不同原子的结构不同，所以每种元素光谱（特征谱线）中的谱线分布都 与其他元素不同，因此，可通过光谱来鉴别物质、判断他的化学成分，这种方法叫光谱分 析。 2.特点：灵敏度高、分析迅速工作效率高、准确性高。 3.应
20、用：判断物质的纯度、发现矿石中的微量元素和稀有元素、发现新元素、分析天 体的物质成分。 五、玻尔理论的成功和局限性 1.成功：玻尔理论的关键是从“不连续”的观点即量子论观点理解电子的可能轨道和 能量状态。玻尔理论成功的解释了氢光谱。 2.局限性：由于过多的以来经典理论，所以只能解释氢光谱，不能解释其他原子的光 谱。原因是电子具有波动性，电子绕核运动的轨道是不存在的，所谓电子的运动轨道只是 电子出现几率比较大的位置，电子在特定的能量状态下出现在空间各点的几率大小，可以 用电子云来表示。直到 1925 年以后由海森伯、薛定谔、狄拉克等人建立了 “量子力学”， 成功的解释了原子光谱以及原子、分子、固
21、体以及微观粒子的碰撞等众多问题。 结论 知识：核式结构模型与经典电磁理论的矛盾；玻尔的量子化结构模型；氢原子的能级 和电子的轨道半径；原子光谱；玻尔模型的成功和局限性。 方法：问题猜想应用实验验证 布置作业 教学后记 参考文献： 1 人民教育出版社物理室编著物理第二册教师教学用书北京：人民教育出版社， 2003. 2 人民教育出版社物理室编著物理第二册（必修加选修） 北京：人民教育出版社， 2006. 3 人民教育出版社延边教育出版社编著物理第二册（必修加选修）教案吉林： 延边教育出版社，2008. 4 马兰刚著物理第二册（必修加选修）教案甘肃：未来教育出版社，待版 5 杜鸿宝著高二物理教案甘肃：未来教育出版社， （等待出版）
