敲开原子的大门.ppt

敲开原子的大门敲开原子的大门汤姆生汤姆生 约瑟夫约瑟夫约翰约翰汤姆生汤姆生(Joseph(JosephJohnJohnThomson)1856Thomson)1856年年1212月月1818日生于英国曼彻斯特郊区，父亲是苏格兰人，以日生于英国曼彻斯特郊区，父亲是苏格兰人，以卖书为业。汤姆生卖书为业。汤姆生1414岁进曼彻斯特欧文学院学习工程。岁进曼彻斯特欧文学院学习工程。18761876年入剑桥大学三一学院，毕业后，进入卡文迪许实年入剑桥大学三一学院，毕业后，进入卡文迪许实验室，在瑞利指导下进行电磁场理论的实验研究工作。验室，在瑞利指导下进行电磁场理论的实验研究工作。18841884年，年仅年，年仅2828岁便当选为皇家学会会员。同年末，又岁便当选为皇家学会会员。同年末，又继瑞利之后担任卡文迪许实验室教授。继瑞利之后担任卡文迪许实验室教授。当时，关于阴极射线的研究，有两派学说，一派是当时，关于阴极射线的研究，有两派学说，一派是克鲁克斯、佩兰等人的微粒说，认为阴极射线是带负电克鲁克斯、佩兰等人的微粒说，认为阴极射线是带负电的的“分子流分子流”；另一派是哥德斯坦、赫兹等人的波动说，；另一派是哥德斯坦、赫兹等人的波动说，认为阴极射线是一种电磁波。汤姆生用旋转镜法测量了认为阴极射线是一种电磁波。汤姆生用旋转镜法测量了阴极射线的速度，否定了阴极射线是电磁波。阴极射线的速度，否定了阴极射线是电磁波。他又通过阴极射线在电场和磁场中的偏转，得出了阴极他又通过阴极射线在电场和磁场中的偏转，得出了阴极射线是带负电的粒子流的结论。他进一步测定了这种粒子的射线是带负电的粒子流的结论。他进一步测定了这种粒子的比荷，与当时已知的电解中生成的氢离子的荷质比相比较，比荷，与当时已知的电解中生成的氢离子的荷质比相比较，他假定阴极射线的电荷与氢离子的电荷相等而符号相反，从他假定阴极射线的电荷与氢离子的电荷相等而符号相反，从而得出阴极射线粒子的质量约为氢原子的千分之一。他还给而得出阴极射线粒子的质量约为氢原子的千分之一。他还给放电管中充入各种气体进行试验，发现其荷质比跟管中气体放电管中充入各种气体进行试验，发现其荷质比跟管中气体的种类无关。他又用铅和铁分别作电极，其结果也不改变。的种类无关。他又用铅和铁分别作电极，其结果也不改变。由此他得出结论，这种粒子必定是所有物质的共同组成成分。由此他得出结论，这种粒子必定是所有物质的共同组成成分。汤姆生把这种粒子叫做汤姆生把这种粒子叫做“电子电子”。18971897年汤姆生的发现，使年汤姆生的发现，使人类认识了第一个基本粒子，这在物理学史上是有划时代意人类认识了第一个基本粒子，这在物理学史上是有划时代意义的。义的。19061906年，汤姆生由于在气体导电方面的理论和实验研究而荣年，汤姆生由于在气体导电方面的理论和实验研究而荣获诺贝尔物理学奖。获诺贝尔物理学奖。19401940年年8 8月月3030日汤姆生在剑桥逝世。日汤姆生在剑桥逝世。阴极射线阴极射线在研究气体导电的玻在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两极。璃管内有阴、阳两极。当两极间加一定电压当两极间加一定电压时，阴极便发出一种时，阴极便发出一种射线，这种射线为阴射线，这种射线为阴极射线。极射线。实验装置实验装置:电源电源,感应圈感应圈,阴极射线管阴极射线管,磁铁磁铁现象现象:1.:1.阴极射线使阴极射线使荧光屏发光荧光屏发光（特点）（特点）2.2.当当加入磁场后射线偏转加入磁场后射线偏转发光原理发光原理:在强电场中在强电场中,气体被电离而导电气体被电离而导电通过磁场测定粒通过磁场测定粒子带电的性质子带电的性质-负电负电怎么测定粒子的怎么测定粒子的质量呢质量呢?测定粒子的荷质比测定粒子的荷质比q/mq/m测定粒子的荷质比测定粒子的荷质比q/mq/m让带电粒子垂直射入匀强磁场，如果仅受让带电粒子垂直射入匀强磁场，如果仅受磁场力作用，将做匀速圆周运动，向心力磁场力作用，将做匀速圆周运动，向心力由洛仑兹力提供由洛仑兹力提供现代测量荷质比的方法现代测量荷质比的方法-+1 1、质谱仪、质谱仪2 2、书本提供的、书本提供的讨论与交流部分讨论与交流部分汤姆生对不同的放电气体研究，发现这些汤姆生对不同的放电气体研究，发现这些气体都能放出相同荷质比的粒子，说明这气体都能放出相同荷质比的粒子，说明这种粒子存在于各种物体中，是构成物体的种粒子存在于各种物体中，是构成物体的共同成分。共同成分。密立根通过油滴实验第一次较为精确地测密立根通过油滴实验第一次较为精确地测出给粒子的电量出给粒子的电量 e=1.6022*10 e=1.6022*10-19-19C C由此可以精确求出该粒子质量由此可以精确求出该粒子质量 m=9.1094*10 m=9.1094*10-31-31kgkg电子的发现电子的发现密立根油滴实验的原理图密立根油滴实验的原理图1 1、关于阴极射线的本质，说法对的是（、关于阴极射线的本质，说法对的是（）A A、阴极射线的本质是氢原子、阴极射线的本质是氢原子B B、阴极射线的本质是电磁波、阴极射线的本质是电磁波C C、阴极射线的本质是电子、阴极射线的本质是电子D D、阴极射线的本质是、阴极射线的本质是X X射线射线C C原子的结构模型原子的结构模型汤姆生的原子模型汤姆生的原子模型电子正电荷 在汤姆生的原在汤姆生的原子模型中，原子是子模型中，原子是一个球体；正电核一个球体；正电核均匀分布在整个球均匀分布在整个球内，而电子都象布内，而电子都象布丁中的葡萄干那样丁中的葡萄干那样镶嵌在内。镶嵌在内。粒子散射实验粒子散射实验 1909 190919111911年，英国物年，英国物理学家卢瑟福和他的助理学家卢瑟福和他的助手们进行了手们进行了 粒子散射粒子散射实验实验卢卢瑟瑟福福著名的著名的 粒子散射实验粒子散射实验卢瑟福卢瑟福粒子散射实验粒子散射实验卢瑟福从卢瑟福从19091909年起做了著名的年起做了著名的粒子散射粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性型的正确性 。粒子是什么粒子？氦核（两个单位正电、粒子是什么粒子？氦核（两个单位正电、质量是氢原子质量的质量是氢原子质量的4 4倍）倍）如果汤姆孙的枣糕模型是正确的，你预计如果汤姆孙的枣糕模型是正确的，你预计实验的结果会是什么样子？实验的结果会是什么样子？卢瑟福卢瑟福粒子散射实验粒子散射实验实验结果：实验结果：绝大多数绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。仍沿原来的方向前进。少数少数 粒子粒子(约占八千分之一约占八千分之一)发生了发生了大角度偏转，甚至超过了大角度偏转，甚至超过了9090o o,也就说几也就说几乎被乎被“撞了回来撞了回来”。实验结果说明了什么？实验结果说明了什么？卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。正电的体积很小，被称为电子在正电体的外面运动。正电的体积很小，被称为原原子核子核。这个模型被称为。这个模型被称为核式结构模型核式结构模型。电子对电子对 粒子的作用忽略不计粒子的作用忽略不计因为原子核很小，大部分因为原子核很小，大部分 粒粒子穿过原子时离原子核很远，受子穿过原子时离原子核很远，受到较小的库仑斥力，运动几乎不到较小的库仑斥力，运动几乎不改变方向改变方向极少数极少数 粒子穿过原子时离原粒子穿过原子时离原子核很近，因此受到很强的库仑子核很近，因此受到很强的库仑斥力，发生大角度散射斥力，发生大角度散射原子的核式结构的提出原子的核式结构的提出在在原原子子的的中中心心有有一一个个很很小小的的核核，叫叫做做原原子子核核原原子子的的全全部部正正电电荷荷和和几几乎乎全全部部质质量量都都集集中中在在原子核里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 根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分“空旷空旷”的，举一个简单的例子：的，举一个简单的例子：体育场体育场原子原子原子核原子核卢瑟福核式结构卢瑟福核式结构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实验粒子散射的实验数据，可以推算出各种元素原子核的电荷数，还数据，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。可以估计出原子核的大小。（1 1）原子的半径约为）原子的半径约为1010-10-10米、原子核半径约是米、原子核半径约是1010-14-14米，原子核的体积只占原子的体积的万亿分米，原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一。之一。（2 2）原子核所带正电荷数与核外电子数以及该）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。元素在周期表内的原子序数相等。（3 3）电子绕核旋转所需向心力就是核对它的库）电子绕核旋转所需向心力就是核对它的库仑力。仑力。1 1、在用、在用粒子轰击金箔的实验中，卢瑟福观察粒子轰击金箔的实验中，卢瑟福观察到的到的粒子的运动情况是粒子的运动情况是A A、全部、全部粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进进B B、绝大多数、绝大多数粒子穿过金属箔后仍按原来的方粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被弹回弹回C C、少数、少数粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进，绝大多数发生较大偏转，甚至被弹回进，绝大多数发生较大偏转，甚至被弹回D D、全部、全部粒子都发生很大偏转粒子都发生很大偏转答案：答案：B B2 2、当、当粒子被重核散射时，如图所示的粒子被重核散射时，如图所示的运动轨迹哪些是不可能存在的运动轨迹哪些是不可能存在的答案：答案：BCBC氢原子光谱氢原子光谱根据普朗克量子理论，光的能量根据普朗克量子理论，光的能量E=hE=h而科学家们通过实验发现，某种原子的气而科学家们通过实验发现，某种原子的气体通电后可以产生固定不变的一系列光体通电后可以产生固定不变的一系列光例如：氢原子能发出四条可见光例如：氢原子能发出四条可见光卢瑟福模型的局限卢瑟福模型的局限原子核式结构模型原子核式结构模型与与经典电磁理论经典电磁理论的矛盾的矛盾核外电子绕核运动核外电子绕核运动辐射电磁波辐射电磁波电子轨道半径连续变小电子轨道半径连续变小原子不稳定原子不稳定辐射电磁波频率连续变化辐射电磁波频率连续变化事实上事实上：原子是稳定的原子是稳定的原子光谱是线状谱原子光谱是线状谱卢瑟福原子核式模型无法解释氢原子光谱的规律。卢瑟福原子核式模型无法解释氢原子光谱的规律。回顾回顾 19 19世纪末世纪末2020世纪初，人类叩开了微观世纪初，人类叩开了微观世界的大门，物理学家根据研究提出了关世界的大门，物理学家根据研究提出了关于原子结构的各种模型，卢瑟福的核式结于原子结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释实验现象，得到了构模型能够很好的解释实验现象，得到了多数科学家的肯定，但是与经典的电磁理多数科学家的肯定，但是与经典的电磁理论发生了矛盾论发生了矛盾什么矛盾？经典电磁理论经典电磁理论 经典电磁理论认为：电子绕核作匀速圆周运经典电磁理论认为：电子绕核作匀速圆周运动动,绕核运动的电子将不断向外辐射电磁波。由绕核运动的电子将不断向外辐射电磁波。由于原子不断地向外辐射能量，能量于原子不断地向外辐射能量，能量 逐渐减小，电子绕核旋转的频逐渐减小，电子绕核旋转的频 率也逐渐改变，原子的发射光率也逐渐改变，原子的发射光 谱应是连续谱。由于原子总能谱应是连续谱。由于原子总能 量减小，电子将最终逐渐接近量减小，电子将最终逐渐接近 原子核，而使原子变得不稳定。原子核，而使原子变得不稳定。+经典电磁理论与现代物理学的矛盾经典电磁理论与现代物理学的矛盾 事实上：事实上：氢原子发射的光谱是不连续的光氢原子发射的光谱是不连续的光谱，而核外的电子总是不停地绕核运动。谱，而核外的电子总是不停地绕核运动。表明：表明：从宏观现象总结出来的经典电磁从宏观现象总结出来的经典电磁理论跟原子微粒产生的微观现象出现了矛理论跟原子微粒产生的微观现象出现了矛盾。盾。玻尔理论的基本假设玻尔理论的基本假设现象：现象：氢原子光谱是分立氢原子光谱是分立(线状线状)的的，原子是稳定的，原子是稳定的.设想：原子内部的设想：原子内部的能量也是不连续能量也是不连续的。的。F19131913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出假设：假设：定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状定态假设：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，电子虽然绕态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态1.1.氢原子的玻尔理论（氢原子的玻尔理论（3 3个假设）：个假设）：1 1）定态假设：原子只能处于一系列不连续的能）定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，在这些状态中的原子是稳定的，电量状态之中，在这些状态中的原子是稳定的，电子虽然在旋转，但它不会向外辐射能量子虽然在旋转，但它不会向外辐射能量定态之一：近核运动定态之一：近核运动 此时原子能量为此时原子能量为EmEm定态之二：远核运动定态之二：远核运动此时原子能量为此时原子能量为EnEn2 2）跃迁假设：原子从一种）跃迁假设：原子从一种能量是能量是EmEm的定态跃迁的定态跃迁到的到的能量是能量是EnEn另一种定态时，它要吸收或放出另一种定态时，它要吸收或放出一定频率的光子，光子能量由两定态的能量差一定频率的光子，光子能量由两定态的能量差决定，即决定，即 h h=I IEm-EnEm-EnI I电子从一个轨道变到另一个轨道，不是以螺旋电子从一个轨道变到另一个轨道，不是以螺旋线的形式变化的，而是线的形式变化的，而是突变突变-以跳跃的方式以跳跃的方式变化的，因此变化的，因此玻尔把这现象叫玻尔把这现象叫“跃迁跃迁”想一想，何时会吸收光子？何时会放出光子？想一想，何时会吸收光子？何时会放出光子？3 3）量子化假设：电子的运行轨道不是连续的，）量子化假设：电子的运行轨道不是连续的，而是分立的，电子的可能轨道可用公式表示：而是分立的，电子的可能轨道可用公式表示：r rn n=n=n2 2r r1 1 式中式中r r1 1=0.53*10=0.53*10-10-10m m叫电子第一轨道。叫电子第一轨道。电子轨道只能是特殊值的情况叫做轨道量子化电子轨道只能是特殊值的情况叫做轨道量子化r14r19r1玻尔的原子模型玻尔的原子模型电子轨道量子化电子轨道量子化电子绕核做圆周运动仍然电子绕核做圆周运动仍然服从经典力学规律。但轨服从经典力学规律。但轨道不是任意的。道不是任意的。原子能量量子化原子能量量子化电子在不同的轨道，原子电子在不同的轨道，原子具有的能量不同。具有的能量不同。氢原子能级图氢原子能级图玻尔的原子模型玻尔的原子模型频率条件频率条件电子吸收光子时会从能量电子吸收光子时会从能量较低较低的轨道的轨道跃迁跃迁到能量到能量较较高高的轨道的轨道电子从能量电子从能量较高较高的轨道的轨道跃跃迁迁到能量到能量较低较低的轨道，放的轨道，放出光子出光子吸收光子吸收光子(单击单击)放出光子放出光子(单击单击)氢原子能级图氢原子能级图(单击单击)(单击单击)1 1、玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有、玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有 A A、原原子子处处于于称称为为定定态态的的能能量量状状态态时时，虽虽然然电电子做加速运动，但并不向外辐射能量子做加速运动，但并不向外辐射能量 B B、原原子子的的不不同同能能量量状状态态与与电电子子沿沿不不同同的的圆圆轨轨道道绕绕核核运运动动相相对对应应，而而电电子子的的可可能能轨轨道道的的分分布布是是不连续的不连续的 C C、电电子子从从一一个个轨轨道道跃跃迁迁到到另另一一轨轨道道时时，辐辐射射（或吸收）一定频率的光子（或吸收）一定频率的光子 D D、电电子子跃跃迁迁时时辐辐射射的的光光子子的的频频率率等等于于电电子子绕绕核做圆周运动的频率核做圆周运动的频率答案：答案：ABC2 2、氢氢原原子子的的核核外外电电子子，在在由由离离核核较较远远的的可可能能轨轨道道跃迁到离核较近的可能轨道的过程中跃迁到离核较近的可能轨道的过程中A A、辐射光子，获得能量、辐射光子，获得能量B B、吸收光子，获得能量、吸收光子，获得能量C C、吸收光子，放出能量、吸收光子，放出能量D D、辐射光子，放出能量、辐射光子，放出能量答案：答案：D D3 3、在在玻玻尔尔的的原原子子模模型型中中，比比较较氢氢原原子子所所处处的的量量子子数数n=1n=1及及n=2n=2的的两两个个状状态态，若若用用E E表表示示氢氢原原子子的的能能量量，r r表表示示氢氢原原子子核核外外电电子子的的轨轨道道半半径径，则则A A、E E2 2EE1 1、r r2 2rr1 1；B B、E E2 2EE1 1，r r2 2rr1 1；C C、E E2 2Err1 1；D D、E E2 2EE1 1，r r2 2rr1 1 。答案：答案：A4 4、根根据据玻玻尔尔理理论论，氢氢原原子子的的电电子子由由外外层层轨轨道道跃跃迁到内层轨道后迁到内层轨道后A A、原子的能量增加，电子的动能减少、原子的能量增加，电子的动能减少B B、原子的能量增加，电子的动能增加、原子的能量增加，电子的动能增加C C、原子的能量减少，电子的动能减少、原子的能量减少，电子的动能减少D D、原子的能量减少，电子的动能增加、原子的能量减少，电子的动能增加答案：答案：D D5 5、按按照照玻玻尔尔理理论论，氢氢原原子子核核外外电电子子从从半半径径较较小小的的轨道跃迁到半径较大的轨道上，则轨道跃迁到半径较大的轨道上，则A A、电子的动能变大，电势能变大，总能量变大、电子的动能变大，电势能变大，总能量变大B B、电子的动能变小，电势能变小，总能量变小、电子的动能变小，电势能变小，总能量变小C C、电子的动能变小，电势能变大，总能量不变、电子的动能变小，电势能变大，总能量不变D D、电子的动能变小，电势能变大，总能量变大、电子的动能变小，电势能变大，总能量变大答案：答案：D6 6、氢原子在下列各能级间跃迁（如图所示）、氢原子在下列各能级间跃迁（如图所示）（1 1）从）从n=2n=2到到n=1n=1（2 2）从）从n=5n=5到到n=3n=3（3 3）从）从n=4n=4到到n=2n=2在在跃跃迁迁过过程程中中辐辐射射的的电电磁磁波波的的波波长长分分别别用用 1 1、2 2、3 3表式，波长表式，波长 1 1、2 2、3 3大小的顺序是：大小的顺序是：A A、1 1 2 2 3 3 ；B B、1 1 3 3 2 2 ；C C、3 3 2 2 1 1 ；D D、3 3 1 1 2 2 。答案：答案：B B