第五章 原子与原子核 第一节 原子的结构 粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册 一、原子核式结构的提出 J.J.汤姆孙在气体电离和光电效应实验现象中发现，不同物质都可以逸出一种带负电的粒子，并且质量比任何一种分子或原子的质量都小得多，因此完全确认了电子的存在。由于发现电子这一杰出贡献，J.J.汤姆孙在1906年获得诺贝尔物理学奖。电子的发现打破了传统的“原子不可分”的观念，使人类对自然世界的认识又向前迈进了一步，也大大激发了人们研究原子内部结构的热情。由于原子呈电中性，既然电子带负电，那么原子内部一定还有带正电的部分.J.J.汤姆孙据此提出了一种原子结构模型.他设想原子是一个球体，正电荷均匀地分布在其中，质量很小的电子镶嵌其中(如图5-1-1所示)。有人形象地称其为“枣糕模型”或“葡萄干图5-1-1J.J.汤姆孙的原子结构模型布丁模型”。J.J.汤姆孙的模型能够解释一些实验事实，但是不久就被新的实验事实所否定。 1909-1911年，英国物理学家卢瑟福指导他的助手进行了α粒子散射实验。如图5-1-2所示是α粒子散射实验示意图。 整个实验在真空环境下进行。高速的α粒子束垂直射到很薄的金箔上，由于受到金原子中带电微粒的库仑力作用，一些α粒子通过金箔后必然会改变原来的运动方向，产生偏转。散射后的α粒子打在荧光屏上产生闪光，通过显微镜可以观察到这一现象。 实验结果出人意料：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至达到180°。 α粒子在飞行过程中碰到电子，其运动情况会发生什么变化？ 设α粒子以速度v与电子发生弹性正碰，为简化讨论，假定电子原来是静止的。由于α粒子的质量远大于电子的质量，原子中的电子不可能使α粒子发生大角度的偏转。 为什么α粒子会出现大角度偏转呢？ 卢瑟福认为，α粒子一定是受到原子内部正电荷产生的极强的电场斥力作用，运动方向才会发生如此大的改变，只有原子中的正电荷全部都集中在原子中心的一个很小的区域上，才有可能产生这种现象。 1911年，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示，原子的中心有一个带正电的很小的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕原子核旋转。原子半径的数量级大约是 而原子核半径的数量级为 仅相当于原子半径的万分之一。形象地说，假设原子像足球场那么宽阔，原子核只相当于一个硬币大小，可见原子内部是多么“空旷”。 在α粒子散射实验中，大多数α粒子都是“侵入”原子核和电子之间的空间里，它们受到的库仑力很小，运动方向的改变也就很小。当极少数α粒子非常接近金原子核时，它们之间强烈的斥力就迫使α粒子发生较大的偏转，甚至被弹回，如图所示。 二、氢原子光谱 原子核式结构模型成功解释了α粒子散射实验，但对原子光谱的解释却出现了问题。某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，这种光谱被称为原子光谱。原子光谱是了解原子结构最重要的直接证据。 【实验·探究】 如图5-1-5所示是观测氢原子光谱的实验装置图。在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2～3kV的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下发光，通过分光镜可观察到氢原子的光谱。 【实验·总结】 按照经典物理学的观点，核外电子带有电荷，运动中要辐射电磁波。电子损失了能量，它的轨道半径会不断变小，最终落在原子核上。由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率也会连续变化。 但事实上原子是稳定的，由实验得到的氢原子光谱是分立的，如图5-1-6所示。 三、原子的能级结构 丹麦物理学家玻尔在普朗克、爱因斯坦量子概念的启发下提出：电子绕原子核运动的轨道半径是分立的，电子只能在某些特定的轨道上运动。当电子在不同 ... ...
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