高中物理必备知识点原子的核式结构模型总结

1. 电子的发现2. 原子的核式结构3. 氢原子光谱4. 玻尔的原子模型二. 知识归纳、总结：（一）电子的发现1、阴极射线（1）产生：在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两极，当两极间加一定电压时，阴极便发出一种射线，这种射线为阴极射线。

（2）阴极射线的特点：碰到荧光物质能使其发光。

2、汤姆孙的发现（1）阴极射线电性的发现为了研究阴极射线的带电性质，他设计了如图18－1－2所示装置，从阴极发出的阴极射线，经过与阳极相连的小孔，射到管壁上，产生荧光斑点；用磁铁使射线偏转，进入集电圆筒；用静电计检测的结果表明，收集到的是负电荷。

（2）测定阴极射线粒子的比荷。

图18－1－3如图18－1－3所示，从阴极K发出的阴极射线通过一对平行金属板P、P＇间的匀强电场，发生偏转，偏转角θ与电场强度E、极板长度L以及带电粒子的速度v的关系：tanθ＝①然后再加一垂直于电场方向的匀强磁场，使粒子所受到的电场力与磁场力平衡，不发生偏转，由此可得：②将②式代入①式，并代入实验数据，求得这种粒子的比荷为说明：①汤姆孙通过进一步的实验，发现当改变阴极材料时，测得的比荷都相同，表明这种粒子是各种材料的共有成分，1898年，汤姆孙测出这种粒子所带电荷与氢离子的电荷数值接近，从而证明这种粒子的质量约是氢离子的千分之一，至此，这种粒子的“身份”已经明确；它是一种带负电的质量很小的粒子，物理学家把这种粒子叫做电子。

②现在测得电子的比荷为e/m＝1.75881×1011C/kg.电子的电荷量为e＝1.60219×10－19C，从而计算出电子的质量为m＝9.10953×10－31kg.③电子的质量约为氢原子质量的（二）原子的核式结构1、汤姆孙的枣糕式模型图18－2－1J·J·汤姆孙于1904年提出来的模型，汤姆孙在发现电子后，便投入了对原子内部结构的探索，他运用丰富的想象，提出了原子枣糕模型（图18－2－1），在这个模型里，汤姆孙把原子看作一个球体，正电荷均匀地分布在整个球内，电子像枣糕上的枣子一样嵌在球中，被正电荷吸引着，原子内正、负电荷相等，因此原子的整体呈中性，汤姆孙的模型是第一个有一定科学依据的原子结构模型，而不是哲学思辨的产物。

2、粒子散射实验1909～1911年卢瑟福和他的助手做了用α粒子轰击金箔的实验，获得了重要的发现。

（1）实验装置（如图18－2－2所示）图18－2－2（2）实验结果绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转，极少数粒子被反向弹回。

3、原子的核式结构卢瑟福依据α粒子散射实验的结果，提出了原子的核式结构：在原子中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。

图18－2－3按照卢瑟福的核式结构学说，可以很容易地解释α粒子的散射实验现象，如图18－2－3所示。

按照这个模型，由于原子核很小，大部分α粒子穿过金箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有极少数α粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑斥力而发生大角度的偏转。

（三）氢原子光谱1、发射光谱：物质发光直接产生的光谱从实际观察到的物质发光的发射光谱可分为连续谱和线状谱。

（1）连续谱：连续分布着的包含着从红光到紫光的各种色光的光谱。

产生：是由炽热的固体、液体、高压气体发光而产生的。

（2）线状谱：只含有一些不连续的亮线的光谱，线状谱中的亮线叫谱线。

产生：由稀薄气体或金属蒸气（即处于游离态下的原子）发光而产生的，观察稀薄气体放电用光谱管，观察金属蒸气发光可把含有该金属原子的物质放到煤气灯上燃烧，即可使它们汽化后发光。

2、吸收光谱：高温物体发出的白光通过物质后，某些波长的光波被物质吸收后产生的光谱。

产生：由炽热物体（或高压气体）发出的白光通过温度较低的气体后产生。

例如：让弧光灯发出的白光通过低温的钠气，可以看到钠的吸收光谱。

若将某种元素的吸收光谱和线状谱比较可以发现：各种原子吸收光谱的暗线和线状谱和亮线相对应，即表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的，故吸收光谱和线状谱中的暗线比线状谱中的亮线要少一些。

3、光谱分析各种元素的原子都有自己的特征谱线，如果在某种物质的线状谱或吸收谱中出现了若干种元素的特征谱线，表明该物质中含有这种元素的成分，这种对物质进行化学组成的分析和鉴别的方法称为光谱分析。

其优点：灵敏、快捷、检查的最低量是10－10克。

4、光谱分析的应用（1）光谱分析在科学技术中有着广泛的应用，例如，在检测半导体材料硅和锗是不是达到高纯度要求时，就要用到光谱分析。

（2）历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素，例如，铷和铯就是人们通过分析光谱中的特征谱线而发现的。

（3）利用光谱分析可以研究天体的物质成分，19世纪初在研究太阳光谱时，人们发现它的连续光谱中有许多暗线，通过仔细分析这些暗线，并把它们跟各种原子的特征谱线对照，人们知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。

（4）光谱分析还能鉴定食品的优劣。

例如，通过分析茶叶的近红外光谱，测定其各种化学成分的含量，就可以鉴定茶叶的优劣、级别、真假以及品种等。

（5）用光谱分析还可以鉴定文物，例如：1978年在新石器时代遗址浙江省余姚县河姆渡村，人们挖掘出一件木质漆碗，器壁外涂有一层朱红色的涂料，且微有光泽，借助光谱分析，鉴定出这种涂料与马王堆出土的漆皮类似，因此漆工艺的历史可追溯至7000年前。

5、氢原子光谱的实验规律氢原子是自然界中最简单的原子，对它的光谱线的研究获得的原子内部结构的信息，对于研究更复杂的原子的结构有指导意义。

（1）氢原子的光谱图18－3－3从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图18－3－3所示，氢原子的光谱为线状谱。

（2）巴耳末公式： n ＝ 3，4，5…6、经典理论的困难按经典理论原子是不稳定的，原子发光的光谱应为连续光谱，事实原子不但稳定而且发光的光谱为线状光谱。

图18－3－4（1）按照经典物理学，核外电子受到原子核的库仑引力的作用，不可能是静止的，它一定在以一定的速度绕核转动，既然电子在运动，它的电磁场就在变化，而变化的电磁场会激发电磁波，也就是说，它将自己绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去，因此，电子绕核转动这个系统是不稳定的，电子会失去能量，最后一头栽到原子核上，但是事实不是这样，原子是个很稳定的系统如图18－3－4所示。

（2）根据经典电磁理论，电子辐射的电磁波的频率，就是它绕核转动的频率，电子越转能量越小，它离原子核就越来越近，转得也就越来越快，这种变化是连续的，也就是说，我们应该看到原子辐射的各种频率（波长）的光，即原子的光谱应该总是连续的，而实际上我们看到的是分立的线状谱。

（四）玻尔的原子模型1、玻尔模型玻尔认为，围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这种现象叫做轨道量子化；不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子在做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的；原子在不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。

将以上内容进行归纳，玻尔理论有三个要点：（1）原子只能处于一系列的不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核旋转，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态。

（2）原子从一种定态（能量为E1）跃迁到另一定态（能量为E2）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hv＝E2－E1。

可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形状改变半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上，玻尔将这种现象称为跃迁。

（3）原子的不同能量状态对应于电子沿不同圆形轨道运动，原子的定态是不连续的，因而电子的可能轨道是分立的，（满足mvr＝，n叫量子数，这种轨道的不连续现象叫轨道量子化），轨道半径r n＝n2r1。

2、能级在玻尔模型中，原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应的能量也是不连续的，这些能量值叫做能级。

各状态的标号1、2、3……叫做量子数，通常用n表示，能量最低的状态叫做基态，其他状态叫做激发态，基态和各激发态的能量分别用E1、E2、E3…代表。

（1）氢原子的能级及玻尔对氢光谱的解释对氢原子而言，核外的一个电子绕核运行时，若半径不同，则对应着的原子能量也不同，若使原子电离，外界必须对原子做功，使电子摆脱它与原子核之间的库仑力的束缚，所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高，我们把原子电离后的能量记为0，则其他状态下的能量值就是负的。

原子各能级的关系为：（n＝1、2、3…）对于氢原子而言，基态能量：E1＝－13.6eV其他各激发态的能级为：E2＝－3.4 eVE3＝－1.51 eV（2）能级图氢原子的能级图如图18－4－1所示18－4－13、光子的发射和吸收（1）能级的跃迁根据玻尔模型，原子只能处于一系列的不连续的能量状态中，这些状态分基态和激发态两种，其中原子在基态时是稳定的，原子在激发态时是不稳定的，当原子处于激发态时会自发地向较低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态。

（2）光子的发射原子能级跃迁时以光子的形式放出能量，原子在始末两个能级E m和E n（m>n）间跃迁时发射光子的频率可由下式表示：hv＝E m－E n由上式可以看出，能级差越大，放出光子的频率就越高。

（3）光子的吸收光子的吸收是光子发射的逆过程，原子在吸收了光子后会从较低能级向较高能级跃迁，两个能级的差值仍是一个光子的能量，其关系式仍为hv＝E m－E n4、原子能级跃迁问题跃迁是指电子从某一轨道跳到另一轨道，而电子从某一轨道跃迁到另一轨道对应着原子就从一个能量状态（定态）跃迁到另一个能量状态（定态）。

（1）跃迁时电子动能、原子势能与原子能量的变化原子中原子核带电荷量为＋Ze，核外电子带电荷量为－e，电子在半径为r的轨道上绕核做匀速圆周运动时，库仑力提供向心力，则有：则电子绕核运动的动量在原子中，由于原子核与核外电子库仑引力的作用而具有电势能，电势能属于相互作用的系统——原子，由库仑力所做的功与电势能变化的关系可知：电子绕核运动的轨道半径r 增大时，库仑引力F做负功，原子的电势能E p增大。

通常取r→∞时的电势能为零，电子在半径为r的轨道上的电势能：（2）使原子能级跃迁的两种粒子——光子与电子原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n＝2时能量有余，而激发到n＝3时能量不足，则可激发到n＝2的问题。

原子还可吸收外来电子（自由电子）的能量而被激发，只要入射电子的能量大于或等于两能级的能差差值（E＝E m－E n），均可使原子发生能级跃迁。