原子結(jié)構(gòu) 氫原子光譜

1、原子結(jié)構(gòu)編稿：郁章富 審稿：代 洪目標(biāo)認(rèn)知學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史以及有關(guān)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，知道電子的發(fā)現(xiàn)和原子的核式結(jié)構(gòu)模型2、通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾理論知識要點(diǎn)梳理知識點(diǎn)一電子的發(fā)現(xiàn)1、陰極射線通常情況下，氣體是不導(dǎo)電的；但在強(qiáng)電場中，氣體能夠被電離而導(dǎo)電。氣體分子內(nèi)部具有電荷，平時，正電荷和負(fù)電荷的數(shù)量相等，對外呈電中性。如果分子處于電場中，正電荷與負(fù)電荷的受力方向相反，電場很強(qiáng)時正負(fù)電荷被“撕開”，于是出現(xiàn)了自由電荷，氣體就能導(dǎo)電了。平時我們在空氣中看到的放電火花，就是氣體電離導(dǎo)電的結(jié)果。通常大氣中分子的密度很大，電離后的自由

2、電荷運(yùn)動時會與空氣分子碰撞，正負(fù)電荷重新復(fù)合，所以難以形成穩(wěn)定的氣體放電電流。在研究氣體放電時一般都用玻璃管中的稀薄氣體。稀薄氣體放電時可以看到輝光放電現(xiàn)象，如圖所示，玻璃管的兩端裝有電極，管中有稀薄氣體。將感應(yīng)圈產(chǎn)生的數(shù)千伏以上的高電壓加到放電管的兩極，可以看到管壁上有輝光放電現(xiàn)象。如果管內(nèi)的氣體分子很少，氣體壓強(qiáng)降到0.1Pa以下，也就是管內(nèi)成了通常所說的真空，這時就看不到輝光放電的現(xiàn)象了。但是，如果在陽極上鉆一個小孔，則在陽極孔外的玻璃管壁上可以看到熒光，如果在管內(nèi)放入一個物體，那么熒光中就會出現(xiàn)該物體的陰影。早在 1858年，德國物理學(xué)家普呂克爾就發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。1876年，另一位德國

3、物理學(xué)家戈德斯坦認(rèn)為管壁上的熒光是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的，并把這種射線命名為陰極射線。2、電子的發(fā)現(xiàn)從1890年起，英國物理學(xué)家J.J湯姆孫對陰極射線進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。如圖是他當(dāng)時使用的氣體放電管的示意圖，由陰極C發(fā)出的陰極射線通過狹縫A、B形成一條狹窄的射線，它穿過兩片平行的金屬板D1、D2之間的空間，到達(dá)右端帶有標(biāo)尺的熒光屏上。通過射線產(chǎn)生的熒光的位置，可以研究射線的徑跡。（1）湯姆孫研究了陰級射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)，確認(rèn)射線是帶負(fù)電的粒子，并測定計(jì)算出這種帶電粒子的比荷（帶電粒子的電荷量與其質(zhì)量之比，即q/m，又稱荷質(zhì)比）。湯姆孫發(fā)現(xiàn)，用不同材料的陰極和不同的

4、氣體做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值是相同的。這說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。后來這種粒子被稱為電子。發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆孫又進(jìn)一步研究了許多新現(xiàn)象，如光電效應(yīng)、熱粒子發(fā)射效應(yīng)和射線、光電流和熱粒子流，它們都包含電子，也就是說，不論是由于強(qiáng)電場的電離、正離子的轟擊、紫外線的照射、金屬受熱還是放射物質(zhì)的自發(fā)輻射，都能發(fā)射同樣的帶電粒子電子。這種帶電粒子的質(zhì)量只比最輕原子質(zhì)量的兩千分之一稍多一點(diǎn)。由此可見，電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元。（2）電子電荷的測定電子電荷的精確測定是 1910年由密立根通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”做出的。電子電荷的現(xiàn)代值為：e=1.602

5、177 33（49）×10-19C，通常取e=1.60×10-19C。密立根實(shí)驗(yàn)更重要的發(fā)現(xiàn)是：電荷是量子化的，即任何電荷只能是e 的整數(shù)倍。從實(shí)驗(yàn)測得的比荷及e的數(shù)值，可以確定電子的質(zhì)量me=9.109 389 7×10-31kg。質(zhì)子質(zhì)量和電子質(zhì)量的比值mp/me=1 836知識點(diǎn)二原子的核式結(jié)構(gòu)模型1、湯姆孫的原子模型在湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子之前，對于原子中正負(fù)電荷如何分布的問題，科學(xué)家們提出了很多模型。其中較有影響的是湯姆孫本人于1898年提出的一種模型。他認(rèn)為原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌其中。有人形象地把湯姆孫模型稱之為“西瓜模型

6、”或“棗糕模型”。湯姆孫模型能夠解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但勒納德在1903年做了一個實(shí)驗(yàn)，使電子束射到金屬膜上，發(fā)現(xiàn)較高速度的電子很容易穿透原子?？磥碓硬皇且粋€實(shí)心球體。稍后的一些粒子散射實(shí)驗(yàn)則完全否定了湯姆孫的模型。2、粒子散射實(shí)驗(yàn)（1）粒子粒子是從放射性物質(zhì)（如鈾和鐳）中發(fā)射出來的快速運(yùn)動的粒子，帶有兩個單位的正電荷，質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的 4倍、電子質(zhì)量的7300倍。（2）粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置1909年，英籍物理學(xué)家盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生蓋革和馬斯頓進(jìn)行了粒子散射實(shí)驗(yàn)的研究，所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖，當(dāng)粒子打到金箔時，由于金原子中的帶電粒子對粒子有庫侖力的作用，一些粒子的運(yùn)動方向發(fā)生改變，也就是發(fā)生了粒子的散射

7、。統(tǒng)計(jì)散射到各個方向的粒子所占的比例，可以推知原子中正負(fù)電荷的分布情況。（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象絕大多數(shù)粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)粒子（約占八千分之一）發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于 90°，也就是說它們幾乎被“撞了回來”。這樣的事實(shí)令人驚奇。（4）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析：大角度的偏轉(zhuǎn)不可能是電子造成的可設(shè)粒子與電子正碰進(jìn)行估算，電子質(zhì)量為 m靜止，粒子質(zhì)量為M以速度v1向電子運(yùn)動，因粒子和電子組成的系統(tǒng)的合外力為零，所以有：動量守恒： Mv1=Mv1+mv2 機(jī)械能守恒：Mv12=Mv12+mv22解得：粒子碰后速度 速度變化 v=v1-v1=-0.0003V1 只有初速

8、度的萬分之三，不可能產(chǎn)生大角度散射。即大角度的偏轉(zhuǎn)不可能是電子造成的，因?yàn)樗馁|(zhì)量只有粒子的 1/7300，它對粒子的影響就像灰塵對槍彈的影響，完全可以忽略。因此，造成粒子偏轉(zhuǎn)的主要原因是具有原子的大部分質(zhì)量的帶正電部分的作用。按湯姆孫原子模型，正電荷是彌漫地分布在原子內(nèi)的，粒子穿過原子時受到的各方向正電荷的斥力基本上相會抵消，因此對粒子運(yùn)動的影響不會很大。所以湯姆孫模型無法解釋大角度散射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。粒子大角度散射，甚至反彈回來，表明粒子在原子某地方受到質(zhì)量、電量均較大的物質(zhì)作用。粒子通過大約 1微米厚的金箔，絕大多數(shù)仍沿原方向前進(jìn)，說明原子內(nèi)大部分是空的，原子質(zhì)量、電量相當(dāng)集中。3、盧瑟福的

9、原子核式模型盧瑟福對粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，事實(shí)應(yīng)該是：占原子質(zhì)量絕大部分的帶正電的那部分物質(zhì)集中在很小的空間范圍。這樣才會使粒子在經(jīng)過時受到很強(qiáng)的斥力，才可能使粒子發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。1911年，盧瑟福提出了自己的原子結(jié)構(gòu)模型。他設(shè)想：原子中心有一個很小的核為原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。盧瑟福的原子模型被稱為核式結(jié)構(gòu)模型。這樣，當(dāng)粒子接近原子時，電子對它的影響可以忽略，但是，原子核對它的作用就不同了。因?yàn)樵雍撕苄。Ｗ舆M(jìn)入原子區(qū)域后，大部分粒子離它很遠(yuǎn)，受到的庫侖力很小，運(yùn)動方向幾乎不改變。只有極少數(shù)粒子在穿過時距離原子核

10、很近，因此受到很強(qiáng)的庫侖力發(fā)生大角度散射。4、原子核的電荷和尺度由不同元素對粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定各種元素原子核的電荷Q。又由于原子是電中性的，可以推算出原子內(nèi)含有的電子數(shù)?？茖W(xué)家們注意到，各種元素的原子核的電荷數(shù)，即原子內(nèi)的電子數(shù)，非常接近于它們的原子序數(shù)。后來又發(fā)現(xiàn)原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)就是核中的質(zhì)子數(shù)。通常用核半徑 R表征核的大小。原子核的半徑是無法直接測量的，一般通過其他粒子與核的相互作用來確定。粒子散射是估計(jì)核半徑的最簡單的方法。對于一般的原子核，實(shí)驗(yàn)確定的核半徑R的數(shù)量級為10-15m，而整個原子半徑的數(shù)量級是10-10m，兩者相差十萬倍之多，可見原子內(nèi)部是

11、十分“空曠”的。知識點(diǎn)三氫原子光譜1、光譜、光譜分析（1）光譜：用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的波長（頻率）成分和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜。用攝譜儀可以得到光譜的照片。有些光譜是一條條的亮線，我們把它們叫做譜線，這樣的光譜叫做線狀譜。有的光譜看起來不是一條條分立的譜線，而是連在一起的光帶，我們把它們叫做連續(xù)譜。（2）發(fā)射光譜：物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫發(fā)射光譜。其中由熾熱的固體、液體及高壓氣體發(fā)光產(chǎn)生的光譜為連續(xù)光譜，它是由連續(xù)分布的一切波長的光組成的；由稀薄氣體或金屬蒸氣發(fā)光產(chǎn)生的光譜為明線光譜，又稱原子光譜，是由一些不連續(xù)的亮線組成的。各種原子的發(fā)射光譜都是線狀譜，說明原子只發(fā)出幾種特

12、定頻率的光。不同原子的亮線位置不同，說明不同原子的發(fā)光頻率是不一樣的，因此這些亮線稱為原子的特征譜線。（3）吸收光譜：高溫物體發(fā)出的白光通過某種物質(zhì)時，某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜。其表現(xiàn)為在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)一些暗線，且同種元素的吸收光譜中暗線的位置與明線光譜中的明線是一一對應(yīng)的。因此吸收光譜和明線光譜都屬于元素的特征光譜。（4）光譜分析：既然每種原子都有自己的特征譜線，所以我們就可以利用它來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分。這種方法稱為光譜分析。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高。2、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律許多情況下光是由原子內(nèi)部電子的運(yùn)動產(chǎn)生的，因此光譜研究是探索原子結(jié)構(gòu)的重要途徑之一。從氫氣放電管可以

13、獲得氫原子光譜，如圖：1885年巴爾末對當(dāng)時已知的、在可見光區(qū)的14條譜線作了分析，發(fā)現(xiàn)這些譜線的波長可以用一個公式來表示。如果采用波長的倒數(shù)，這個公式可寫作：，n=3，4，5，式中R叫做里德伯常量，實(shí)驗(yàn)測得的值為R=1.10×107m-1這個公式稱為巴爾末公式，它確定的這一組譜線稱為巴爾末系?？梢钥闯?，n只能取整數(shù)，不能連續(xù)取值，波長也只會是分立的值。除了巴末爾系，后來發(fā)現(xiàn)的氫光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線也都滿足與巴末爾公式類似的關(guān)系式。3、經(jīng)典理論的困難盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型正確地指出了原子核的存在，很好地解釋了粒子散射實(shí)驗(yàn)。但是經(jīng)典物理學(xué)家既無法解釋原子的穩(wěn)定性，又無法解釋原子

14、光譜的分立特征。原子是不穩(wěn)定的與穩(wěn)定性的矛盾按照經(jīng)典物理學(xué)，核外電子受到原子的庫侖引力的作用，不可能是靜止的，它一定是以一定的速度繞核轉(zhuǎn)動。既然電子在運(yùn)動，它的電磁場就在變化，而變化的電磁場會激發(fā)電磁波。也就是說，它將把自己繞核轉(zhuǎn)動的能量以電磁波的形式輻射出去。因此，電子繞核轉(zhuǎn)動這個系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，電子會失去能量，最后一頭栽在原子核上。但是事實(shí)不是這樣，原子是個很穩(wěn)定的系統(tǒng)。連續(xù)光譜與明線光譜的矛盾根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子輻射的電磁波的頻率，就是它繞核轉(zhuǎn)動的頻率。電子越轉(zhuǎn)能量越小，它離原子核就越來越近，轉(zhuǎn)的也就越來越快。這個變化是連續(xù)的，也就是說，我們應(yīng)該看到原子輻射的各種頻率（波長）的光，即原

15、子的光譜應(yīng)該總是連續(xù)的。而實(shí)際上我們看到的是分立的線狀譜。這些矛盾說明，盡管經(jīng)典物理學(xué)理論可以很好地應(yīng)用于宏觀物體，但它不能用于解釋原子世界的現(xiàn)象，引入新觀念是必要的。知識點(diǎn)四玻爾的原子模型1、玻爾的原子理論丹麥物理學(xué)家N.玻爾意識到了經(jīng)典理論在解釋原子結(jié)構(gòu)方面的困難。在普朗克光與黑體輻射的量子論和愛因斯坦關(guān)于光子的概念的啟發(fā)下，他在1913年把微觀世界中物理量取分立值的觀念應(yīng)用到原子系統(tǒng)，提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說。玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型包括以下兩方面的內(nèi)容：（1）軌道量子化和定態(tài)軌道假設(shè)玻爾認(rèn)為，原子中的電子在庫侖引力的作用下，繞原子核做圓周運(yùn)動，服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律。但不同的是，電子運(yùn)行軌道的半

16、徑不是任意的，只有當(dāng)半徑的大小符合一定條件時，這樣的軌道才是可能的。也就是說，電子的軌道是量子化的。電子在這些軌道上繞核的轉(zhuǎn)動是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射。能級假設(shè)當(dāng)電子在不同的軌道上運(yùn)動時，原子處于不同的狀態(tài)。玻爾指出，原子在不同的狀態(tài)中具有不同的能量，因此原子的能量也是量子化的。這些量子化的能量值叫做能級。原子中這些具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)，稱為定態(tài)。在正常情況下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運(yùn)動，這種定態(tài)叫做基態(tài)。若物體加熱或被照射，某些原子將吸收一定的能量從基態(tài)躍遷到較高的能級上，這時電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動處于高能級狀態(tài)，這種定態(tài)叫激發(fā)態(tài)。（2）頻率條件原子從一種定態(tài)（能

17、量為 E2）躍遷到另一種定態(tài)（能量為E1，E1E2）時，它輻射一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即h=E2-E1。這個式子被稱為頻率條件，又稱輻射條件。反之，當(dāng)電子吸收光子時會從較低的能量態(tài)躍遷到較高的能量態(tài)，吸收的光子的頻率同樣由頻率條件決定。即：基態(tài)激發(fā)態(tài)：吸收能量 h=E2-E1；激發(fā)態(tài)基態(tài)：輻射能量h=E2-E1。2、氫原子的大小和能級玻爾在其假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)，對結(jié)構(gòu)最簡單的氫原子進(jìn)行了計(jì)算，算出了氫的電子的各條可能軌道的半徑和電子在各條軌道上運(yùn)動時的能量(包括動能和電勢能)。玻爾的計(jì)算結(jié)果可以概括為兩個公式：電子的軌道半徑公式（可能）： rn

18、=n2r1能量公式（可能）：n=1,2,3式中 r1代表第一條（即離核最近的一條）可能軌道的半徑。E1代表電子在第一條（即離核最近的一條）可能軌道上運(yùn)動時的能量。n是量子數(shù)。r1=0.53×10-10mE1=-13.6ev,(E=0,電子的動能等于電勢能絕對值的一半) 為原子的最低能級，電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動，n=2、3、4原子能量分別為E2、E3、E4、氫原子的能級圖如圖所示：3、玻爾理論對氫光譜的解釋（1）玻爾的躍遷條件告訴我們原子從較高的能級E2躍遷到較低的能級E1時，它輻射的光子能量為h=E2-E1。按照玻爾理論，巴爾末公式中的正整數(shù)n和2，正好代表電子躍遷之前和躍遷之后

19、所處的定態(tài)軌道的量子數(shù)n和2。因此巴爾末公式代表的應(yīng)該是電子從量子數(shù)分別為n=3，4，5，的能級向量子數(shù)為2的能級躍遷時發(fā)出的光譜線。按照這個思路可以根據(jù)波爾理論推導(dǎo)出巴爾末公式，并從理論上算出里德伯常量R的值，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得非常好。這樣，玻爾理論成功地解釋了氫原子的光譜所呈現(xiàn)的規(guī)律性。同樣波爾理論也能很好地解釋甚至預(yù)言氫原子的其他譜線系。（2）通常情況下，原子處于基態(tài)，基態(tài)是最穩(wěn)定的。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地向能量較低的能級躍遷，放出光子，最終回到基態(tài)。由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。（3）由于不同的原子具有不同

20、的結(jié)構(gòu)，能級各不相同，因此輻射或吸收的光子頻率也不相同。這就是不同元素的原子具有不同的特征譜線的原因。4、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)玻爾理論的一個重要假設(shè)是原子能量的量子化。光譜測量發(fā)現(xiàn)了電磁波發(fā)射或吸收的分立特征，從而證實(shí)了原子中分立的能級的存在。然而，激發(fā)原子的手段不只是讓它吸收電磁輻射，還有加熱或使粒子碰撞等方式。因此，除了光譜測量外，用其他方式也能夠證明原子能量的量子化現(xiàn)象，夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)就是其中之一。如果原子的能級是分立的，那么用碰撞的方式使原子吸收的能量，即其他粒子轉(zhuǎn)移給原子的能量，也應(yīng)該是量子化的。 1914年，夫蘭克和赫茲采用電子轟擊汞原子，發(fā)現(xiàn)電子損失的能量，也就是汞原子吸收的能量是分立

21、的，從而證明汞原子的能量確實(shí)是分立的。5、玻爾理論的成功與局限玻爾的原子理論第一次將量子觀念引入了原子區(qū)域，提出了定態(tài)和躍遷的觀念，成功地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。但對于稍微復(fù)雜一點(diǎn)的原子如氦原子，玻爾理論就無法解釋他的光譜現(xiàn)象。這說明玻爾理論還沒有完全解釋微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律。它的不足之處在于保留了經(jīng)典粒子的觀念，把電子的運(yùn)動仍然看作經(jīng)典力學(xué)描述下的軌道運(yùn)動。實(shí)際上，原子中電子的坐標(biāo)沒有確定的值，因此，我們只能說某時刻電子在某處附近單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率是多少，而不能把電子的運(yùn)動看作經(jīng)典力學(xué)描述下的軌道運(yùn)動。如果用疏密不同的點(diǎn)子表示電子在各個位置出現(xiàn)的概率，畫出圖來，就像云霧一樣，可以形象地稱

22、作電子云。如圖甲是氫原子處于 n=1的狀態(tài)時的電子云；當(dāng)n=2時有幾個可能的狀態(tài)，圖乙畫的是其中一個狀態(tài)的電子云。知識點(diǎn)五激光1、激光的產(chǎn)生原理（1）自發(fā)發(fā)射對于普通的光源，如我們熟悉的白熾燈，燈絲原子吸收了電流做功產(chǎn)生的熱而被激發(fā)到能量較高的狀態(tài)，由于原子傾向處于能量低的基態(tài)，因此處于能量較高狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地躍遷到較低的能量態(tài)，同時放出光子，這就是自發(fā)發(fā)射。在自發(fā)發(fā)射中，原子以隨機(jī)的方式回到基態(tài)，發(fā)光的頻率一般也不一樣，因此普通光源發(fā)出的光不是相干光。（2）受激吸收常溫下處于熱平衡狀態(tài)的原子系統(tǒng)，多數(shù)原子都處在基態(tài)，如果一個入射光的能量恰好等于原子基態(tài)與某個激發(fā)態(tài)的能量差，那么

23、原子就很容易吸收這個光子而躍遷到這個激發(fā)態(tài)上，這種躍遷不是自發(fā)產(chǎn)生的，是在入射光子的刺激下產(chǎn)生的，所以稱為受激吸收。（3）受激發(fā)射如果一個入射光子的能量正好等于原子的某一對能級的能量差 E2-E1，那么處于激發(fā)態(tài)E2的原子就可能受到這個光子的刺激而躍遷到能量較低的狀態(tài)E1，同時發(fā)射一個與入射光子完全相同的光子，這就是受激發(fā)射。受激發(fā)射的光子與入射光子具有相同的能量（頻率）、相同的相位、偏振態(tài)，且沿同一方向發(fā)出。受激發(fā)射的概念是愛因斯坦在 1916年提出來的，是激光產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)。（4）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通常狀態(tài)下多數(shù)原子處于基態(tài)，但是如果用一定的手段去激發(fā)原子體系，使得在激發(fā)態(tài) E2上的原子數(shù)多于低能

24、態(tài)E1上的原子數(shù)，這種狀態(tài)就叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，是一種非熱平衡的狀態(tài)。對于大多數(shù)處于基態(tài)的原子，一個入射光子引起的受激發(fā)射要比它被吸收的概率大得多，可以形象地說入射光被“放大”了。但是受激發(fā)射又使處于低能態(tài)的原子數(shù)增多，受激吸收的效應(yīng)增強(qiáng)。為了避免這種情況，就需要用抽運(yùn)裝置不斷地將回到低能狀態(tài)的原子再激發(fā)到高能態(tài)，使上述受激發(fā)射的過程不斷進(jìn)行，形成光子的“雪崩”。這樣輸出的光就是大家都熟悉的激光。2、激光的特點(diǎn)亮度高、方向性好、單色性好、相干性好3、激光器（1）激光是由激光器產(chǎn)生的，激光器由三部分組成：激活介質(zhì)：它能通過受激發(fā)射而使入射光放大。抽運(yùn)裝置：是使激活介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的裝置。抽運(yùn)裝置隨

25、激光器的類型而異，在固體激光器或染料激光器中采用光抽運(yùn)，用脈沖光源去照射激活介質(zhì)；在氣體激光器中采用放電激勵的手段。光學(xué)共振腔，激活介質(zhì)放在其中，它能增加放大作用并對發(fā)射頻率進(jìn)行選擇，如圖所示中，反射鏡 m與半透鏡m，組成光學(xué)共振腔。（2）激光器的種類激光器的種類有幾百種，根據(jù)激活介質(zhì)的不同可以分為固體激光器、液體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等。常見的兩種激光器：紅寶石激光器：以紅寶石 (A12O3)作為激活介質(zhì)的激光器，能發(fā)出波長為694.3nm的激光。氦氖激光器：它的激活介質(zhì)是氖，最終能輸出波長為 6328nm的紅色激光。規(guī)律方法指導(dǎo)1、粒子的散射實(shí)驗(yàn)絕大多數(shù)粒子基本上未發(fā)生偏轉(zhuǎn)說明原

26、子內(nèi)部很空虛少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)說明這些粒子遇到了較大的靜電斥力和質(zhì)量較集中的區(qū)域極少數(shù)粒子甚至被反彈說明原子內(nèi)部的正電荷和質(zhì)量集中在一個很小的區(qū)域說明：盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了原子內(nèi)部質(zhì)量和電荷的分布情況核的存在，但并沒有解決核外電子的運(yùn)動情況。2、能級公式的應(yīng)用原子躍遷時輻射或吸收的光子能量 ，不滿足此條件的光子不能被吸收，但若入射光，可使原子發(fā)生電離，光子頻率任意。3、氫原子的核外電子繞核運(yùn)動的軌道及其能量對應(yīng)核外電子繞核做圓周運(yùn)動的向心力，來源于庫侖力即量子數(shù) n越大時，半徑越大，動能越小，勢能越大，原子總能量越大。4、光譜和光譜分析線狀譜和吸收光譜都屬于特征譜線，同種元素的線

27、狀光譜中的明線和吸收光譜中的暗線是對應(yīng)的。由氫原子處于 nk能級向較低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷時，可能產(chǎn)生的光譜線條數(shù)的計(jì)算公式為。典型例題透析類型一 盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)1、英國物理學(xué)家盧瑟福用粒子轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)了粒子的散射現(xiàn)象，下列圖中，O表示金原子核的位置，則能正確表示該實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過金原子核附近的粒子的運(yùn)動軌跡的圖是（）解析：粒子散射的原因是原子核對其庫侖斥力的作用，離核越近，斥力越大，偏轉(zhuǎn)越明顯，當(dāng)正好擊中原子核時，由于粒子質(zhì)量較小而反彈，故BD正確。答案：BD總結(jié)升華：粒子的散射實(shí)驗(yàn)中：絕大多數(shù)粒子基本上未發(fā)生偏轉(zhuǎn)說明原子內(nèi)部很空虛；少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)說明這些粒子遇到了較大的靜電斥力和質(zhì)量較集

28、中的區(qū)域；極少數(shù)粒子甚至被反彈說明原子內(nèi)部的正電荷和質(zhì)量集中在一個很小的區(qū)域。舉一反三【變式1】盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說初步建立了原子結(jié)構(gòu)的正確圖景，能解決的問題有（）A、解釋粒子散射現(xiàn)象B、用粒子散射數(shù)據(jù)估算原子核的大小C、結(jié)合經(jīng)典電磁理論解釋原子的穩(wěn)定性D、結(jié)合經(jīng)典電磁理論解釋氫光譜解析：盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，提出原子核式結(jié)構(gòu)；根據(jù)粒子散射數(shù)據(jù)可以估算原子核的大小。玻爾理論成功解釋了原子的穩(wěn)定性與氫光譜，所以AB正確。答案：AB【變式2】（2011上海第2題）盧瑟福利用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)研究原子結(jié)構(gòu)，正確反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果的示意圖是解析:原子中心有一個很小的核，所以，越靠近中心的偏轉(zhuǎn)角度

29、越大，所以D正確。答案：D類型二 能級躍遷2、如圖所示是氫原子的幾個能級，則核外電子在這幾個能級之間由高向低躍遷時，能產(chǎn)生幾種波長的電磁波？波長最短的是由哪兩個能級之間發(fā)生？解析：根據(jù)玻爾理論，躍遷發(fā)生在兩個能級之間，設(shè)量子數(shù)為n，那么能產(chǎn)生電磁波的種類數(shù)為，當(dāng)n=5時，有種。如圖所示：又E=h=，。由 可以看出E越大，則越小，所以由n=5n=1時E最大，此時 總結(jié)升華：原子躍遷時輻射或吸收的光子能量，不滿足此條件的光子不能被吸收，但若入射光，可使原子發(fā)生電離，光子頻率任意。舉一反三【變式】有大量的氫原子，吸收某種頻率的光子后從基態(tài)躍遷到n=3的激發(fā)態(tài)，已知?dú)湓犹幱诨鶓B(tài)時的能量為E1，則吸收

30、光子的頻率=_；當(dāng)這些處于激發(fā)態(tài)的氫原子向低能態(tài)躍遷發(fā)光時，可發(fā)出_條譜線，輻射光子的能量為_。解析：根據(jù)玻爾的第二條假設(shè)，當(dāng)原子從基態(tài)躍遷到n=3的激發(fā)態(tài)時，吸收光子的能量，而，所以吸收光子的頻率 當(dāng)原子從 n=3的激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷時，由于是大量的原子，可能的躍遷有多種，如從n=3到n=1，從n=3到n=2，再從n=2到n=1，因此應(yīng)該發(fā)出三條譜線，三種光子的能量分別為3、氫原子在基態(tài)時電子的軌道半徑為0.53×10-10m，基態(tài)原子的能量為E1=-13.6eV，靜電力恒量K=9×109N·m2/C2，電子電量e=-1.6×10-19C，普朗克恒量h=6.63×10-34J·s，求：（1）氫原子的電子在第一軌道上運(yùn)動時的動能和電勢能分別為多少eV？（2）若使基態(tài)的氫原子電離需要波長為多大的光子照射？解析：（1）根據(jù)牛頓定律：庫侖力做向心力處于基態(tài)原子的能量 E1=EK1+EP1（電勢能）EP1=E1-EK1=-13.6-13.6=-27.2eV（2）欲使氫原子從基態(tài)電離，即n=1躍遷至n=，氫原子吸收的能量 E=E-E1=13.6eV，又 E=h=，光子的波長總結(jié)升華：核外電子繞核做圓周運(yùn)動的向心力，來源于庫侖力即量