高中物理选修3-5导学案第十八章 1

第十八章原子结构课前自主学习（学案）一、请学生自主复习教材第十八章原子结构P46至P63。

二、结合复习的内容思考如下问题：1、人类对原子结构认识的历史是从电子的发现开始的。

1890年英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现了电子。

在研究原子结构时，他提出了枣糕模型，请说出这种模型的特点。

2、1909年--1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手做α粒子轰击金箔的实验，即著名的“α粒子散射实验”，该实验的结果是什么？（注意几个关键词）3、请绘制一幅简图，描绘原子核式结构模型的α粒子散射的图景。

4、原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾主要体现在哪两个方面？1913年丹麦的物理学家玻尔提出了原子结构的三个基本假设，建立了玻尔原子模型，请说出玻尔原子模型的三个基本假设的内容。

5、请用玻尔理论解释：为什么原子的发射光谱都是一些分立的亮线？如果大量氢原子处在n=4能级，可辐射出几种频率的光？其中波长最短的光是在哪两个能级之间跃迁时发出的？三、自主解答几道题目：1、卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有（）A．原子的中心有个核，叫原子核B．原子的正电荷均匀分布在整个原子中C．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里D．带负电的电子在核外绕着核旋转2、α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，是因为（）A．α粒子与电子根本无相互作用B．α粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的C．α粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽略不计D．电子很小，α粒子碰撞不到电子3、卢瑟福通过_______________实验，发现了原子中间有一个很小的核，并由此提出了原子的核式结构模型，平面示意图中的四条线表示α粒子运动的可能轨迹，在图中完成中间两条α粒子的运动轨迹．4．一个氢原子中的电子从一半径为r a的轨道自发地直接跃迁至另一半径为r b的轨道，已知r a>r b，则在此过程中（）A．原子发出一系列频率的光子B．原子要吸收一系列频率的光子C．原子要吸收某一频率的光子D．原子要辐射某一频率的光子参考答案：1．ACD 2．C 3 ．4．D课堂主体参与（教案）【学习目标】1、知道并理解原子核式结构模型，了解科学家探究原子结构的过程2、知道原子的能级的概念，并能进行一些简单的应用【重点、难点】1、核式结构模型对α粒子散射实验的解释2、玻尔的原子模型【学习内容】一、课前自主学习检查1、原子结构的认识过程是非常曲折的，请回答核式结构和玻尔模型提出的背景分别是：①___________________________________________________________②___________________________________________________________2、如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，下述对观察到现象的说法中正确的是（）A．放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些C．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光D．放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少3、氢原子的能级和电子可能轨道半径公式分别是：①氢原子的能级公式E n=________E1（其中E1为基态能量，E1=－13.6eV）②氢原子的电子轨道半径公式: r n= ________r1（其中r1内基态半径，r1=0.53×10－10m）4.氢原子的能级图，如图：(1)能级图中的横线表示_____________________(2)横线左端的数字“1，2，3…”表示__________，右端的数字“一13.6，一3.4，…”表示__________________．(3)相邻横线间的距离，表示相邻的能级差，量子数越大，相邻的能级差越_________． (4)带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为：_____________． 5．根据玻尔理论，某原子的电子从能量为E 的轨道跃迁到能量为E ’的轨道，辐射出波长为γ的光，以h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速，求能量E ’． 参考答案：1．①汤姆孙的“枣糕模型”无法解释α粒子散射实验②卢瑟福的核式结构无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立特性 2．AD 3．21n ；n 4．氢原子可能的能量状态——定态；量子数；氢原子的能级；小；h γ=E m －E n5．解析：根据玻尔理论，原子从一种定态(设能量为E)跃迁到另一种定态(设能量为E ’)时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 h γ=E －E ’，又光在真空中传播时λcv =，联立得E'=E 一λch二、构建知识框架，剖析典型概念1．人类对原子结构的认识史是从电子的发现开始的。

人教版高中物理选修3-5学案：第十八章学案4 波尔的原子模型[学习目标] 1.知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容.2.了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念，会计算原子跃迁时吸收或辐射光子的能量.3.能用玻尔原子理论简单解释氢原子光谱．一、玻尔原子理论的基本假设[导学探究] (1)按照经典理论，核外电子在库仑引力作用下绕原子核做圆周运动．我们知道，库仑引力和万有引力形式上有相似之处，电子绕原子核的运动与卫星绕地球的运动也一定有某些相似之处，那么若将卫星—地球模型缩小是否就可以变为电子—原子核模型呢？答案不可以．在玻尔理论中，电子的轨道半径只可能是某些分立的值，而卫星的轨道半径可按需要任意取值．(2)氢原子吸收或辐射光子的频率条件是什么？它和氢原子核外的电子的跃迁有什么关系？答案电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(其能量记为En)时，会放出能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m＞n)．这个式子称为频率条件，又称辐射条件．当电子从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定．[知识梳理] 玻尔原子模型的三点假设(1)轨道量子化①轨道半径只能够是某些分立的数值．②氢原子的电子最小轨道半径r1＝0.053 nm，其余轨道半径满足rn ＝n2r1，n为量子数，n＝1,2,3，….(2)能量量子化①不同轨道对应不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的，原子在不同状态有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的．②基态原子最低的能量状态称为基态，对应的电子在离核最近的轨道上运动，氢原子基态能量E1＝－13.6_eV.③激发态较高的能量状态称为激发态，对应的电子在离核较远的轨道上运动．氢原子各能级的关系为：En＝E1.(E1＝－13.6 eV，n＝1,2,3，…)(3)能级跃迁与光子的发射和吸收原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即：高能级\s\up7(发射光子hν＝Em－En),\s\do5(吸收光子hν＝Em－En))低能级En.[即学即用] (多选)按照玻尔原子理论，下列表述正确的是( ) A．核外电子运动轨道半径可取任意值B．氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大C．电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν＝|Em－En|D．氢原子从激发态向基态跃迁的过程，可能辐射能量，也可能吸收能量答案BC解析根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是确定的值，而不是任意值，A错误；氢原子中的电子离原子核越远，能级越高，能量越大，B正确；由跃迁规律可知C正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，只辐射能量，D错误．二、玻尔理论对氢光谱的解释[导学探究] 根据氢原子的能级图，说明：(1)氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出的光子的能量如何计算？(2)如图1所示是氢原子的能级图，一群处于n＝4的激发态的氢原子向低能级跃迁时能辐射出多少种频率不同的光子？图1答案(1)氢原子辐射光子的能量取决于两个能级的能量差hν＝Em－En(n<m)．(2)氢原子能级跃迁图如图所示．从图中可以看出能辐射出6种频率不同的光子，它们分别是n＝4→n＝3，n＝4→n＝2，n＝4→n＝1，n＝3→n＝2，n＝3→n＝1，n＝2→n＝1. [知识梳理] (1)原子从一种能量态跃迁到另一种能量态时，吸收(或放出)能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m>n)．若m→n，则辐射光子，若n→m，则吸收光子．(2)根据氢原子的能级图可以推知，一群量子数为n的氢原子最后跃迁到基态时，可能发出的不同频率的光子数可用N＝C＝n－1,2)计算.一、对玻尔理论的理解例1 (多选)玻尔在他提出的原子模型中所作的假设有( ) A．原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做加速运动，但不向外辐射能量B．原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的C．电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子D．电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率解析A、B、C三项都是玻尔提出来的假设，其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出，也就是“量子化”的概念．原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应，是经典理论与量子化概念的结合．原子辐射的能量与电子在某一可能轨道上绕核的运动无关．答案ABC归纳总结解答本类问题应掌握玻尔理论的三点假设：(1)轨道量子化假设．(2)能量量子化假设．(3)跃迁理论．针对训练按照玻尔理论，当氢原子中电子由半径为ra的圆轨道跃迁到半径为rb的圆轨道上时，若rb＜ra，则在跃迁过程中( )A．氢原子要吸收一系列频率的光子B．氢原子要辐射一系列频率的光子C．氢原子要吸收一定频率的光子D．氢原子要辐射一定频率的光子答案D 解析因为是从高能级向低能级跃迁，所以应放出光子，因此可排。

第1节电子的发现1．英国物理学家汤姆孙发现了电子。

2．组成阴极射线的粒子——电子。

3．密立根通过“油滴实验”精确测定了电子电荷量。

4．密立根实验发现：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。

一、阴极射线1．实验装置：如图18-1-1所示真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极；把它们分别连在感应圈的负极和正极上。

图18-1-12．实验现象：玻璃壁上出现淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。

3．阴极射线：荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为阴极射线。

二、电子的发现1．汤姆孙的探究(1)让阴极射线分别通过电场和磁场，根据偏转情况，证明它是B(A.带正电B．带负电)的粒子流并求出了它的比荷。

(2)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同。

证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。

(3)进一步研究新现象，不论是由于正离子的轰击，紫外光的照射，金属受热还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒子——电子。

由此可见，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。

2．密立根“油滴实验”(1)精确测定电子电荷。

(2)电荷是量子化的。

3．电子的有关常量1．自主思考——判一判(1)玻璃壁上出现的淡淡荧光就是阴极射线。

(×)(2)玻璃壁上出现的影是玻璃受到阴极射线的撞击而产生的。

(×)(3)阴极射线在真空中沿直线传播。

(√)(4)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。

(×)(5)组成阴极射线的粒子是电子。

(√)(6)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值。

(×)2．合作探究——议一议气体放电管中的气体为什么会导电？提示：气体分子内部有电荷，正电荷和负电荷的数量相等，对外呈电中性，当分子处于电场中时，正电荷和负电荷受电场力的方向相反，电场很强时正、负电荷被“撕”开，于是出现了等量的正、负电荷，在电场力作用下做定向运动，气体就导电了。

第十八章原子结构1电子的发现A组1.下列说法中正确的是()A.原子是可以再分的,是由更小的微粒组成的B.通常情况下,气体是导电的C.在强电场中气体能够被电离而导电D.平时我们在空气中看到的放电火花,就是气体电离导电的结果解析:原子可以再分为原子核和核外电子,选项A正确;通常情况下,气体不导电,但在强电场中被电离后可导电,选项B错误,选项C、D正确。

答案:ACD2.下列说法中正确的是()A.汤姆孙精确地测出了电子电荷量e=1.602 177 33(49)×10-19 CB.电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的C.汤姆孙油滴实验更重要的发现是电荷量是量子化的,即任何电荷量只能是e的整数倍D.通过实验测得电子的比荷及其电荷量e的值,就可以确定电子的质量解析:电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的,选项A、C错误,选项B正确。

测出比荷的值和电子电荷量e的值,可以确定电子的质量,故选项D正确。

答案:BD3.借助阴极射线管,我们看到的是()A.每个电子的运动轨迹B.所有电子整体的运动轨迹C.看到的是真实的电子D.看到的是错误的假象解析:借助阴极射线管,我们看到的是电子束的运动轨迹,即所有电子整体的运动轨迹,选项B正确。

答案:B4.阴极射线管中加高电压的作用是()A.使管内气体电离B.使管内产生阴极射线C.使管内障碍物的电势升高D.使电子加速解析:在阴极射线管中,阴极射线是因阴极处于炽热状态而发射出的电子流,通过高压对电子加速获得能量,与荧光屏发生撞击而产生荧光,故选项D正确。

答案:D5.如图所示,一只阴极射线管,左侧不断有电子射出,若在管的正下方放一通电直导线AB时,发现射线径迹向下偏转,则()A.导线中的电流由A流向BB.导线中的电流由B流向AC.若要使电子束的径迹往上偏转,可以通过改变AB中的电流方向来实现D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关解析:阴极射线的粒子带负电,由左手定则判断管内磁场方向为垂直于纸面向里。

第十八章原子核**放射性元素的衰变【教学目标】1．知道α和β衰变的规律及实质。

2．理解半衰期的概念。

重点：α和β衰变的规律难点：半衰期【自主预习】1.原子核放出________或________的变化称为原子核的衰变。

原子核衰变时________和________都守恒。

2．β衰变的实质在于核内的________转化成了一个________和一个________。

其转化方程是________，这种转化产生的________发射到核外，就是β粒子。

3．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的________。

放射性元素衰变的快慢是由________的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________关系。

4．原子核的衰变原子核放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核，我们把这种变化叫做原子核的衰变。

(1)衰变规律原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。

(2)两种衰变—α衰变和β衰变①原子核放出一个α粒子就说它发生了一次α衰变，新核的质量数比原来的减少4，而电荷数减少2，用通式表示为：AZX→A－4Z－2Y＋42He。

②原子核放出一个β粒子就说它发生了一次β衰变，新核的质量数不变，而电荷数增加了1，用通式表示为：AZX→AZ＋1Y＋ 0－1e。

5．半衰期放射性同位素衰变的快慢有一定的规律，我们通常用“半衰期”来表示放射性元素衰变的快慢。

放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期。

(1)半衰期的计算公式为：式中的N原和m原表示衰变前的放射性元素的原子核数和质量，N余和m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子核数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期。

(2)半衰期是对大量原子核衰变进行统计的结果，对个别的或少量的原子核，没有半衰期可言。

(3)半衰期的长短与原子所处的物理状态(压强、强度等)和化学状态(单质或是各种化合物等)无关，是由原子核内部本身的因素决定的。

4 玻尔的原子模型
5 激光
一览众山小
诱学导入
材料：按照经典电磁理论，电子绕原子核运行时，辐射电磁波的频率应等于电子绕核运行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率不断变化，原子辐射电磁波的频率也应不断变化.这样大量原子发光的频率应当是连续光谱.而通过氢原子光谱的学习我们知道它是不连续的.
问题：这是为什么，怎样解释呢？
导入:玻尔把能量量子化观念引入到原子理论中去，提出了不能用经典概念解释的假设——轨道量子化假设和跃迁假设，进而解释氢原子光谱.本节主要学习玻尔原子理论，并用它来解释氢原子光谱.同时学习弗兰克-赫兹实验，它从另一个角度证明了能量量子化的正确性. 温故·知新
1.光子的能量取决于什么因素？
答：光子的频率.
2.谈谈普朗克对带电粒子辐射或吸收能量时的观点.
答：以最小能量值(能量子)为单位一份份地辐射或吸收的.。

疱丁巧解牛知识·巧学一、阴极射线1.通常情况下，气体是不导电的，但在强电场中，气体能够被电离而导电.联想发散平时我们在空气中看到的放电火花，就是气体电离导电的结果，在研究气体放电时一般都用玻璃管中的稀薄气体.2.阴极射线电性的发现检测阴极射线带电性为了研究阴极射线的带电性质，他设计了如图18-1-1所示的装置，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.图18-1-1检测阴极射线带电性3.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.4.阴极射线的特点：碰到荧光物质能使其发光.二、电子的发现1.不同的放电气体或者用不同的金属材料制作电极，都测得相同的荷质比，可从不同物体中击出这种带电粒子，说明它是构成物质的共同成分.汤姆生直接测量出粒子的电荷与氢离子的电荷大小基本相同，说明它的质量比任何一种分子和原子的质量都小得多.2.美国科学家密立根精确地测定了电子的电量：e=1.602 2×10-19C,根据荷质比，计算出电子的质量为：m=9.109 4×10-31 kg.3.电子发现的重大意义以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒，现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子的质量比最轻的氢原子质量小得多，这说明电子是原子的组成部分.电子带负电，而原子是电中性的，可见原子内还有带正电的物质，这些带正电的物质和带负电的电子如何构成原子呢？电子的发现大大激发了人们研究原子内部结构的热情，拉开了人们研究原子结构的序幕.典题·热题知识点一阴极射线例1 汤姆生是通过怎样的实验和推理过程发现电子的？解析：汤姆生通过测定阴极射线的电性实验，测得阴极射线中含有带负电的粒子，然后通过带电粒子在磁场或电场中的运动实验测定阴极射线中负粒子的比荷的大小从而推理得到阴极射线中粒子是电子.方法归纳做好模拟实验，认真观察实验现象，理解实验过程，体会汤姆生在发现电子时的研究方法.知识点二 电子在电场和磁场中的运动例2 汤姆生用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图1812所示.真空管内的阴极K 发出的电子(不计初速、阻力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过A′中心的小孔沿中心轴O 1O 的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P 和P′间的区域.当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O 点处，形成了一个亮点；加上偏转电压U 后，亮点偏离到O′点，O′与O 点的竖直间距为d ，水平间距可忽略不计.此时，在P 和P′间的区域，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场.调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B 时，亮点重新回到O 点.已知极板水平方向的长度为L 1，极板间距为b ，极板右端到荧光屏间的距离为L 2(如图18-1-2所示).图18-1-2(1)求打在荧光屏O 点的电子速度的大小；(2)推导出电子的比荷的表达式.解析：电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动；仅有偏转电场时，做类平抛运动，利用运动的分解计算.(1)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回复到中心O 点.设电子的速度为v ，则evB=Ee,得v=BE 即v=Bb U . (2)当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v 进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为a=mb eU ，电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间为t 1=vL 1 这样，电子在竖直方向偏转距离为d 1=212a 21t =bm v U eL 2212 离开电场时竖直向上的分速度为v ⊥=at 1=m vbU eL 1 电子离开电场后做匀速直线运动，经t 2时间到达荧光屏t 2=v L 2 在t 2时间内向上运动的距离为d 2=v ⊥t 2=bm v L eUL 221 这样，电子向上的总偏转距离为d=d 1+d 2=b mv eU 2L 1(L 2+21L )可解得m e =)2/(1212L L bL B Ud +. 巧解提示如图18-1-3所示，由类平抛运动的推论知物体任一时刻的瞬时速度的反向延长线一定通过此时水平位移的中点，即将粒子射出的速度BC 方向反向延长交于AD 于O 点，则AO=OD ，由几何知识图18-1-3 tanθ=''OO C O =212L L d +=2122LL d +① 电子做匀速直线运动，亮点重新回复到中心O 点.设电子的速度为v ，则evB=Eq v=BE 即v=Bb U ② 当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v 进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为a=mb eU 电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间为t=v L 1 则v y =at v x =v由速度的偏转角 tanθ=x yv v =21m bveUL ③ 联立①②③ 得m e =)2/(1212L L bL B Ud +. 问题·探究方案设计探究问题 卢瑟福用α粒子轰击氮原子核的实验中发现了一种新粒子，这种粒子带一个单位的正电荷，你能设计实验确定新核的“身份”吗？探究过程:利用带电粒子在磁场中的偏转，可以将新粒子通过质谱仪，如图18-1-4所示，需要测出磁场的磁感应强度B 、新粒子的速度(可通过速度选择器测量)v 、轨道半径r ，即可根据公式qvB=m rv 2，即m q =rB v 求出新粒子的荷质比，进一步求出其质量从而确定新粒子为质子.图18-1-4也可以利用带电粒子在电场中的偏转，求新粒子的荷质比.如图1-8-15所示，使新核垂直电场方向进入电场，只要测定新粒子的速度(可通过速度选择器测量)v 0，偏转电场的电压U 、板间距离d 和长度l 和偏转最大竖直位移y 1，即可求出新粒子的荷质比.推导：图18-1-5电子在偏转电场的飞行时间t 1=l / v 0电子在偏转电场的加速度a=m qE =mdqU 要使电子从下极板边缘出来，应有y 1=21a 21t =2022mdv qUl 即荷质比m q =21202Uly dv .。