第十八章第十八章 原子结构原子结构1.电子的发现电子的发现阴极射线是德国物理学家阴极射线是德国物理学家J.J.普吕克尔在普吕克尔在18581858年利年利用低压气体放电管研究气体放电时发现的。用低压气体放电管研究气体放电时发现的。阴极射线是从低压气体放电管阴极发出的电子在阴极射线是从低压气体放电管阴极发出的电子在电场加速下形成的电子流。电场加速下形成的电子流。 一、阴极射线一、阴极射线1897年年J.J.汤姆孙汤姆孙根据放根据放电管中的阴极射线在电管中的阴极射线在电场电场和和磁场磁场作用下的轨迹确定作用下的轨迹确定阴极射线中的阴极射线中的粒子粒子带带负电负电，并测出其并测出其荷质比荷质比，这在一，这在一定意义上是历史上第一次定意义上是历史上第一次发现电子。发现电子。电子的发现电子的发现1856-19401856-1940英国剑桥大学英国剑桥大学实验物理学家实验物理学家 12年后年后R.A.密立根用密立根用油滴实验油滴实验测出了电子测出了电子的的电荷电荷。更重要的是。更重要的是发现：电荷是量子化发现：电荷是量子化的，即任何带电体的的，即任何带电体的电荷只能是电荷只能是e的整数的整数倍。倍。阴极射线应用阴极射线应用 电子示波器中的示波管、电子示波器中的示波管、电视电视的的显像管显像管、电子电子显微镜显微镜等都是利用阴极射线在电磁场作用下偏等都是利用阴极射线在电磁场作用下偏转、聚焦以及能使被照射的某些物质转、聚焦以及能使被照射的某些物质,如如硫化锌硫化锌发荧光的性质工作的发荧光的性质工作的.高速的阴极射线打在某些高速的阴极射线打在某些金属靶极上能产生金属靶极上能产生X射线射线，可用于研究，可用于研究物质物质的的晶晶体体结构。阴极射线还可直接用于切割、结构。阴极射线还可直接用于切割、熔化熔化、焊接焊接等。等。在在19世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，这就是这就是X射线、放射性和电子。电子的发现具有射线、放射性和电子。电子的发现具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门向原子物理学的大门 ,人们开始研究原子的结构人们开始研究原子的结构 .2. 原子的核式结构模型原子的核式结构模型原子复杂结构的发现过程原子复杂结构的发现过程18971897年发现阴极射线是电子流年发现阴极射线是电子流都从物体中击出电子来都从物体中击出电子来原子原子 ( (中性中性) )电子电子( (负负) )正电荷正电荷? ?设想设想? ?1 1、公元前五世纪、公元前五世纪希腊哲学家提出物质是由不可分割的微粒（叫原子）组成。希腊哲学家提出物质是由不可分割的微粒（叫原子）组成。2 2、100100多年前多年前化学反应中原子的种类和数目不变，化学上倍比定律的发化学反应中原子的种类和数目不变，化学上倍比定律的发现等证实了物质的原子性结构，认为原子是不可再分的、物现等证实了物质的原子性结构，认为原子是不可再分的、物质是由原子组成的。质是由原子组成的。3 3、1919世纪末世纪末2020世纪初世纪初X X射线使气体电离射线使气体电离光电效应光电效应汤姆生原子模型汤姆生原子模型汤姆孙的原子模型：汤姆孙的原子模型： 原子是一个球体，正电荷原子是一个球体，正电荷均匀分布均匀分布在整在整个球体内，电子个球体内，电子镶嵌镶嵌其中。其中。汤姆孙的原子模型汤姆孙的原子模型枣糕模型枣糕模型粒子散射实验粒子散射实验卢卢瑟瑟福福19091911年，英国物理学年，英国物理学家卢瑟福和他的助手们进行了家卢瑟福和他的助手们进行了粒子散射实验。粒子散射实验。粒子：从放射性物质中发射粒子：从放射性物质中发射出来的出来的 快速运动的快速运动的 粒子，带粒子，带正电，电荷量是正电，电荷量是 电子的电子的2倍，倍，质量是氢原子的质量是氢原子的4倍倍 氦原子核。氦原子核。汤姆孙模型预言的汤姆孙模型预言的粒子散射粒子散射实验的结果是怎样的？实验的结果是怎样的？正电荷在原子内部均匀正电荷在原子内部均匀分布，分布， 粒子穿过原子粒子穿过原子时，由于粒子两侧正电时，由于粒子两侧正电荷对它的斥力大部分互荷对它的斥力大部分互相抵消，使相抵消，使粒子偏转粒子偏转的力不会很大。的力不会很大。实验结果：实验结果：l绝大多数：沿原方向前进绝大多数：沿原方向前进l少数：发生大角度偏转，甚至偏角超过少数：发生大角度偏转，甚至偏角超过90900 0卢瑟福由此分析：占原子质量绝大部分的带正卢瑟福由此分析：占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围，这样电的那部分物质集中在很小的空间范围，这样才会使才会使粒子在经过时受到很强的斥力，才可粒子在经过时受到很强的斥力，才可能使能使粒子发生大角度的偏转。粒子发生大角度的偏转。原子的核式结构的提出原子的核式结构的提出在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核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带负电的电子在核外空间绕着核旋转 原子核的核式结构原子核的核式结构根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分十分“空旷空旷”的，举一个简单的例子：的，举一个简单的例子：体育场原子原子核原子核的电荷和大小原子核的电荷和大小 根据卢瑟福的原子核式模型和根据卢瑟福的原子核式模型和粒子散射的粒子散射的实验数据，可以推算出各种元素原子核的电实验数据，可以推算出各种元素原子核的电荷数，还可以估计出原子核的大小。荷数，还可以估计出原子核的大小。（1）原子的半径约为）原子的半径约为10-10米、原子核半径约米、原子核半径约是是10-14米，原子核的体积只占原子的体积米，原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一。的万亿分之一。（2）原子核所带正电荷数与核外电子数以及）原子核所带正电荷数与核外电子数以及该元素在周期表内的原子序数相等。该元素在周期表内的原子序数相等。（3）电子绕核旋转所需向心力就是核对它的）电子绕核旋转所需向心力就是核对它的库仑力。库仑力。 3. 氢原子光谱氢原子光谱早在早在1717世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的散现象，并把实验中得到的彩色光带彩色光带叫做叫做光谱光谱一、光谱一、光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）成分和强度分布的记录，即的波长（频率）成分和强度分布的记录，即光谱。光谱。（2 2）分类：）分类：发射光谱可分类：连续光谱和线状光谱。发射光谱可分类：连续光谱和线状光谱。1.1.发射光谱发射光谱（1 1）定义：物体发光直接产生的光谱）定义：物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。叫做发射光谱。连续光谱连续光谱 A ：由波长连续分布的光组成的连在一起的：由波长连续分布的光组成的连在一起的光带叫连续光谱。光带叫连续光谱。 特点：光谱看起来不是一条条分立的谱线，特点：光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的光带。而是连在一起的光带。 即连续分布的包含即连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱。有从红光到紫光各种色光的光谱。B ：炽热的固体、液体和高压气体的发射光：炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。谱是连续光谱。 例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱水发出的光都形成连续光谱。 线状谱（线状谱（明线光谱）明线光谱） A A ：只含有一些不连续的亮线的光谱叫做线状：只含有一些不连续的亮线的光谱叫做线状谱。谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。长的光。B B ：稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光：稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。谱。C C ：各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子：各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只能发出几种特定频率的光。不同原子的亮线位只能发出几种特定频率的光。不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此这些亮线称为原子的特征谱线。因此这些亮线称为原子的特征谱线。 高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。 各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线，高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。也是原子的特征谱线。 太阳的光谱是吸收光谱。太阳的光谱是吸收光谱。2 吸收光谱吸收光谱光谱分析光谱分析氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。二、氢原子光谱的实验规律二、氢原子光谱的实验规律气体放电管：气体放电管：玻璃管中的稀薄气体的分子在强玻璃管中的稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，成为自由移动的正负电电场的作用下会电离，成为自由移动的正负电荷，于是气体变成导体，导电时会发光。这样荷，于是气体变成导体，导电时会发光。这样的装置叫做气体放电管。的装置叫做气体放电管。除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫个光区的其它谱线也都满足与和紫个光区的其它谱线也都满足与巴耳末巴耳末公式类似的关系式。公式类似的关系式。1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的14条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：用一个公式表示：按经典物理学电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向按经典物理学电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。但事实上原子是个稳定的系统。子核，最后落入原子核中。但事实上原子是个稳定的系统。卢瑟福原子核式模型正确地指出了原子核的存在，很好卢瑟福原子核式模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了地解释了粒子散射实验。但是。经典物理学既无法解粒子散射实验。但是。经典物理学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。释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。三、经典理论的困难三、经典理论的困难轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的， 原子光谱应是连续的光谱。而实际上看到的是分立的线原子光谱应是连续的光谱。而实际上看到的是分立的线状谱。状谱。 这些矛盾说明尽管经典物理学理论可以很好地应用宏这些矛盾说明尽管经典物理学理论可以很好地应用宏观物休，但它不能解释原子世界的现象，引入新观念是观物休，但它不能解释原子世界的现象，引入新观念是必要的。必要的。4. 玻尔的原子模型玻尔的原子模型汤姆孙发现电子汤姆孙发现电子汤姆孙发现电子汤姆孙发现电子汤姆孙的西汤姆孙的西汤姆孙的西汤姆孙的西瓜模型瓜模型瓜模型瓜模型粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验卢瑟福的核卢瑟福的核卢瑟福的核卢瑟福的核式结构模型式结构模型式结构模型式结构模型回顾科学家对原子结构的认识史回顾科学家对原子结构的认识史回顾科学家对原子结构的认识史回顾科学家对原子结构的认识史原子不可割原子不可割原子不可割原子不可割汤姆孙的西汤姆孙的西汤姆孙的西汤姆孙的西瓜模型瓜模型瓜模型瓜模型原子稳定性事实原子稳定性事实原子稳定性事实原子稳定性事实氢光谱实验氢光谱实验氢光谱实验氢光谱实验否定否定建立建立否定否定建立建立否定否定卢瑟福的核卢瑟福的核卢瑟福的核卢瑟福的核式结构模型式结构模型式结构模型式结构模型建立建立出现矛盾出现矛盾? ?-针对原子核式结构模型提出针对原子核式结构模型提出围绕原子核运动的电子围绕原子核运动的电子围绕原子核运动的电子围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些轨道半径只能是某些轨道半径只能是某些轨道半径只能是某些分分分分立立立立的数值的数值的数值的数值。且电子在这些轨道上绕且电子在这些轨道上绕且电子在这些轨道上绕且电子在这些轨道上绕核的转动是核的转动是核的转动是核的转动是稳定的稳定的稳定的稳定的，不，不，不，不产生电磁辐射产生电磁辐射产生电磁辐射产生电磁辐射一、玻尔原子理论的基本假设一、玻尔原子理论的基本假设（1 1）轨道是量子化）轨道是量子化m rv 电子在不同的轨道上电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的运动时，原子处于不同的状态波尔指出，原子的状态波尔指出，原子的不同的状态中具有不同的不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也能量，所以原子的能量也量子化的量子化的-针对原子的稳定性提出针对原子的稳定性提出（2 2）能量是量子化）能量是量子化m rv能级：量子化的能量值能级：量子化的能量值定态：原子中具有确定能量的稳定状态定态：原子中具有确定能量的稳定状态量量子子数数基态：能量最低的状态（离核最近）基态：能量最低的状态（离核最近）基态基态基态基态激发态：其他的状态激发态：其他的状态激发态激发态激发态激发态能级图能级图轨道图轨道图1 1 1 12 2 2 23 3 3 3基基态态激激发发态态跃迁跃迁电子克服库仑引力做功增大电势能，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加原子的能量增加吸收光子吸收光子电子所受库仑力做正功减小电势能，原子电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少的能量减少辐射光子辐射光子针对原子光谱是线状谱提出针对原子光谱是线状谱提出当电子从能量较高的定态轨道当电子从能量较高的定态轨道（其能量记为（其能量记为m m）跃迁到能）跃迁到能量较低的定态轨道（能量记为量较低的定态轨道（能量记为n n，mnmn）时，会放出能量为）时，会放出能量为h h的光子（的光子（h h是普朗克常量），是普朗克常量），这个光子的能量由前后两个能这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，级的能量差决定，即即h hm m- -n n称为频率条件，又称辐射条件称为频率条件，又称辐射条件（3 3）频率条件）频率条件n EnEm氢氢氢氢原原原原子子子子能能能能级级级级二、玻尔理论对氢光谱的解释二、玻尔理论对氢光谱的解释轨道半径：轨道半径：能量：能量：式中式中 r r1 1 =0.53 =0.5310101010m m 、 E E1 1= =13.6eV13.6eV、分别代表第一条、分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的径和电子在这条轨道上运动时的能量，能量，r rn n、En En 分别代表第分别代表第n n条可能条可能轨道的半径和电子在第轨道的半径和电子在第n n条轨道上条轨道上运动时的能量，运动时的能量，n n是正整数，叫是正整数，叫量量子数子数。氢原子的能级图-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540 eVnE/E/eVeV 基态基态基态基态激激激激发发发发态态态态赖曼系赖曼系赖曼系赖曼系巴巴巴巴耳耳耳耳末末末末系系系系帕帕帕帕邢邢邢邢系系系系布布布布喇喇喇喇开开开开系系系系普普普普丰丰丰丰德德德德系系系系n=6n=5n=4n=1n=3n=2根据：根据：E=hv，= =c/v又又E =1.89eV= 3.03 10-19J 所以，所以， =hc/ E= 6.6310-34 3.0 10-8 / 3.03 10-19J = 6.57 10-7(m)HHHH汤姆孙发现电子汤姆孙发现电子汤姆孙发现电子汤姆孙发现电子汤姆孙的西汤姆孙的西汤姆孙的西汤姆孙的西瓜模型瓜模型瓜模型瓜模型粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验卢瑟福的核卢瑟福的核卢瑟福的核卢瑟福的核式结构模型式结构模型式结构模型式结构模型原子不可割原子不可割原子不可割原子不可割汤姆孙的西汤姆孙的西汤姆孙的西汤姆孙的西瓜模型瓜模型瓜模型瓜模型原子稳定性事实原子稳定性事实原子稳定性事实原子稳定性事实氢光谱实验氢光谱实验氢光谱实验氢光谱实验否定否定建立建立否定否定建立建立否定否定卢瑟福的核卢瑟福的核卢瑟福的核卢瑟福的核式结构模型式结构模型式结构模型式结构模型建立建立出现矛盾出现矛盾? ?玻尔模型玻尔模型玻尔模型玻尔模型复杂（氦）原子复杂（氦）原子复杂（氦）原子复杂（氦）原子光谱光谱光谱光谱量子力学量子力学量子力学量子力学理论理论理论理论 玻尔模型玻尔模型玻尔模型玻尔模型否定否定建立建立观观察察与与实实验验所所获获得得的的事事实实出现矛盾建建建建 立立立立 科科科科 学学学学模模模模型型型型提提提提出出出出科科科科学学学学假假假假说说说说拓展与提高拓展与提高拓展与提高拓展与提高怎样修改玻尔模型？怎样修改玻尔模型？思想：必须彻底放弃经典概念？思想：必须彻底放弃经典概念？关键：用电子云概念取代经典的轨道概念关键：用电子云概念取代经典的轨道概念电子在某处单位体积内出现的概率电子在某处单位体积内出现的概率电子云电子云原子结构的认识史原子结构的认识史原子结构的认识史原子结构的认识史