知识梳理

一、α粒子散射实验

1. 实验装置：

放射源：钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能粒子(α粒子)带正电，mα>>me

金箔：厚度极小，可至1微米(金原子的质量大，且易延成很薄的箔)．

显微镜：能绕金箔在水平面内转动．

荧光屏：荧光屏装在显微镜上．

2. 实验步骤

(1)钋放出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到荧光屏上产生闪光，通过显微镜观察(偏离正对位置，无闪光)．

(2)放上金箔F，正对位置可观察到大量的闪光点．

(3)转动显微镜，在不同偏转角θ处，可看到α粒子散射现象．

3. 实验结果

⑴绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进．

(2)少数α粒子发生了较大角度的偏转

二、卢瑟福核式结构模型

1. 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的空间运动。

原子核的发现有重大意义，因为它开辟了原子核物理的新领域，卢瑟福被人们尊称为原子核物理之父．

2. 原子核式结构的模型，是建立在α粒子散射实验的基础上的．

3. 原子、原子核的大小：原子直径数量级 10—10m 原子核直径数量级 10—15m

原子核直径是原子直径的十万分之一．

如果原子是直径100m的操场，原子核只有一个直径为几毫米的玻璃球那么大．

4. 原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。

三、原子光谱

1. 原子光谱：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。是了解原子性质的最重要的直接证据。原子光谱是分立的亮线，是不连续的。

每种原子都有自己特定的原子光谱。不同的原子，其原子光谱均不相同，故原子光谱被称为原子的“指纹”。我们通过对光谱的分析鉴别不同的原子，确定物体的化学组成，发现新元素。

注意：用分光镜观察氢原子光谱，要尽量缩短时间以延长光谱管的寿命。

2. 玻尔理论解释氢原子光谱

某种稀薄气体尽管元素成分较单一，但各原子分别处于不同的能量状态．它们由高能级向低能级的跃迁会出现多种可能，每一种可能对应发出某一频率的光子．而这些可能又由对应的能级差决定．能级是不连续的，能级差也是不连续的，所以导致原子光谱的亮线是不连续的．

3. 光谱分析

由于每种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成．这种方法叫做光谱分析．这种方法的优点是非常灵敏而且迅速．

做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱．

铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而发现的．

太阳光经大气层时产生的吸收光谱．

4、氢原子光谱在可见光区有四条分立的谱线。可见氢原子受激发只能发出几种特定频率的光。四条谱线的波长满足巴尔末公式：

，

=3，4，5，6 … R为里德伯常量。符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系。

5、广义巴尔末公式：

，其中

和

均为正整数，且

＞

或者

，式中

，

称为光谱项

谱线波长的倒数可以表示为两光谱项之差。谱线波长取决于两光谱项之差。

四、能级

1. 能级的猜想：氢气放电的过程中，向外辐射出光（能量），氢原子的能量也在减少，因为氢原子光谱是分立的，能量不是连续减少的，因此我们猜想原子内部的能量也是不连续的。

能级：原子内部不连续的能量称为原子的能级。

跃迁：原子从一个能级变化到另外一个能级的过程叫做跃迁。

处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁，并辐射出光子。辐射出光子的能量为

式中

和

分别为原子跃迁前后的能级。

反之，原子吸收了特定频率的光子或者通过其他途径获得能量时便可以从低能级向高能级跃迁，也满足上式。

由上面分析可知，原子辐射或者吸收光子的频率取决于两能级之差。

2．丹麦物理学家波尔推导出氢原子的能级公式：

，

=1，2，3 …

式中R为里德伯常量，c为光速，n为正整数。式子表明：氢原子的能量是不连续的，是量子化的，只能取一些定值，因此n也被称为能量量子数。

3. 从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E ≥13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。

4. 玻尔理论的局限性。由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。

氢原子的激发态和基态的能量(最小)的关系是:En=E1/n2，

其中E1=－13.6eV,

(大量)处于n激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式共有

=n (n－1)/2种

注：① 原子从低能级向高能级的跃迁：

当光子作用使原子发生跃迁时，只有光子的能量满足

的跃迁条件时，原子才能吸收光子的全部能量而发生跃迁.（电离除外，比如光子能量为14eV的光子照射基态氢原子，会使基态的氢原子电离，电离后电子还具有14eV-13.6eV=0.6eV的初动能.）

当电子等实物粒子作用在原子上，只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，即可使原子受激发而向较高能级跃迁.

② 原子从高能级向低能级的跃迁：

当一群氢原子处于某个能级向低能级跃迁时，可能产生的谱线条数为n(n-1)/2；

当一个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时，最多可产生的谱线条数为（n-1），若氢原子的从高能级向某一确定的低能级跃迁，只能产生一条谱线

5、氢原子的能级示意图

基态：正常状态下，氢原子处于最低的能级

（n=1），这个最低能级对应的状态称为基态，氢原子在基态的能量为-13.6eV。

激发态：电子受到外界激发时，可从基态跃迁到较高的能级

，

…上，这些能解对于的状态称为激发态。

处于激发态的氢原子是不稳定的，它会自发向较低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射，这就是氢原子发光现象。辐射出的光子的能量等于两能级的能量差：

。

能级间跃迁产生不连续的线谱。

题型讲解

1. 如图所示，为α粒子散射实验的示意图，A点为某α粒子运动中离原子核最近的位置，则该α粒子在A点具有( )

A．最大的速度 B．最大的加速度

C．最大的动能 D．最大的电势能

2. 下列现象中，与原子核内部变化有关的是（ ）

A．

粒子散射现象 B．天然放射现象

C．光电效应现象 D．原子发光现象

3. （1）氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中： （ ）

Ａ.原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大

Ｂ.原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小

Ｃ.原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小

Ｄ.原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大

（2）氢原子的能级如下图所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV～3.11 eV，下列说法错误的是（ ）

A．处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离

B．大量氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应

C．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光

D．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光

1．【答案】BD 2．【答案】B

3．（1）【答案】D

（2）【答案】D【解析】处于n＝3能级的氢原子吸收光子而发生电离的最小能量是1.51 eV，又因紫外线的频率大于可见光的频率，所以紫外线的光子能量E≥3.11 eV，故A正确．

由能级跃迁理论知，氢原子由高能级向n＝3能级跃迁时，发出光子的能量E≤1.51 eV，所以发出光子能量小于可见光的光子能量．由E＝hν知，发出光子频率小于可见光的光子频率，发出光子为红外线，具有较强的热效应，故B正确．

点评：计算时应注意：因一般取 ∞ 远处为零电势参考面，故各能级的能量值均为负值；能量单位 1 eV＝1.6×10－19 J．