高二物理原子结构ppt课件.ppt

高中物理新人教版选修-5系列课件,第十八章原子结构,18.1电子的发现,教学目标,1、知识与技能（1）了解阴极射线及电子发现的过程；（2）知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导。2、过程与方法：培养学生对问题的分析和解决能力，初步了解原子不是最小不可分割的粒子。3、情感、态度与价值观：理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程，根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说。人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识原子的。教学重点：阴极射线的研究。教学难点：汤姆孙发现电子的理论推导。教学方法：实验演示和启发式综合教学法。教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备。,19世纪是电磁学大发展的时期,到七、八十年代电气工业开始有了发展,其中电气照明也吸引了许多科学家的注意，问题涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。,阴极射线是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象，德国物理学家J.普吕克尔在1858年利用低压气体放电管研究气体放电时发现的.从低压气体放电管阴极发出一种射线。,阴极射线,对其本性的研究形成了英国学派的微粒说和德国学派的以太说。,1876年，戈德斯坦的研究。,阴极射线,对其本性的研究导致了英国学派的微粒说和德国学派的以太。,粒子和电磁波有什么区别？,实验,实验该怎么做？,J.J.汤姆孙对阴极射线进行了一系列的实验研究。他确认阴极射线是带电的粒子。自1890年起开始研究。,M,N,气体放电管,-,+,进一步做实验：确定荷质比,经检验为负电荷,M,N,一个质量为m,电量为e的带电粒子,以速度v垂直进入磁场B中,在平行板MN间产生竖直向上的电场E,在垂直电场向外的方向上加一磁场B,适当地调节电场和磁场的强度,可以测出速度大小V=,E/B,+,-,1897年得到实验结果：荷质比约为质子的2000倍,实验结果：荷质比约为质子的2000倍,进一步分析实验结果：是电荷比质子大？还是质量比质子小？（测量）,进一步拓展研究对象：用不同的材料做阴极做实验，光电效应、热离子发射效应、射线（研究对象普遍化）。,实验结论：电子是原子的组成部分，是比原子跟基本的物质单元。,美国科学家密立根又精确地测定了电子的电量：e=1.60221019 C 根据荷质比，可以精确地计算出电子的质量为：m=9.10941031 kg,回顾：公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为：万物是由大量的不可分割的微粒构成的，即原子。,19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体,物质由原子组成,原子不能被创造,也不能被毁灭,在化学变化中原子不可分割,他们的性质在化学反应中保持不变。,电子的发现具有伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门,人们开始研究原子的结构.他被科学界誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”,J.J.汤姆生对电子的研究过程和方法,定性研究：J.J.汤姆生还改进了赫兹的静电场偏转实验，他进一步提高了真空度，并且减小极间电压，以防止气体电离，终于获得了稳定的静电偏转。得出阴极射线带负电。定量研究：计算出阴极射线的荷质比e/m。普遍性证明,习题1：如图，在两平行板间有平行的均匀电场E，匀强磁场B。MN是荧光屏，中心为O，OO=L，在荧光屏上建立一个坐标系，原点是O，y轴向上，x轴垂直纸面向外，一束速度、荷质比相同的粒子沿OO方向从O射入，打在屏上P（-）点，求：（1）粒子带何种电荷？（2）B的方向？（3）粒子的荷质比？,O,O,MN,思考与研讨,习题2：示波管中电子枪的原理图如图。管内为空，A为发射热电子的阴极，K为接在高电势点的加速阳极，A、K间电压为U。电子离开阴极是速度可以忽略，电子经加速后从K的小孔中射出时的速度大小为v，下面说法正确的是：()A、如果A、K间距离减半，电压U、不变，则离开时速率变为2v B、如果A、K间距离减半，电压U、不变，则离开时速率变为v/2 C、如果A、K间距离不变，电压U减半，则离开时速率变为2v D、如果A、K间距离不变，电压U减半，则离开时速率变为0.707v,A,K,U,18.2原子的核式结构模型,教学目标,1、知识与技能（1）了解原子结构模型建立的历史过程及各种模型建立的依据；（2）知道粒子散射实验的实验方法和实验现象，及原子核式结构模型的主要内容。2、过程与方法（1）通过对粒子散射实验结果的讨论与交流，培养学生对现象的分析中归纳中得出结论的逻辑推理能力；（2）通过核式结构模型的建立，体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化及其在物理学发展过程中的作用；（3）了解研究微观现象。3、情感、态度与价值观（1）通过对原子模型演变的历史的学习，感受科学家们细致、敏锐的科学态度和不畏权威、尊重事实、尊重科学的科学精神；（2）通过对原子结构的认识的不断深入，使学生认识到人类对微观世界的认识是不断扩大和加深的，领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义。,教学重点：（1）引导学生自主思考讨论在于对粒子散射实验的结果分析从而否定葡萄干布丁模型，得出原子的核式结构；（2）在教学中渗透和让学生体会物理学研究方法，渗透三个物理学方法：模型方法，黑箱方法和微观粒子的碰撞方法。教学难点：引导学生小组自主思考讨论在于对粒子散射实验的结果分析从而否定葡萄干布丁模型，得出原子的核式结构教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备。,汤姆生的原子模型,十九世纪末，汤姆生发现了电子，并知道电子是原子的组成部分由于电子是带负电的，而原子又是中性的，因此推断出原子中还有带正电的物质那么这两种物质是怎样构成原子的呢？,汤姆生的原子模型,在汤姆生的原子模型中，原子是一个球体；正电核均匀分布在整个球内，而电子都象布丁中的葡萄干那样镶嵌在内。,粒子散射实验,卢瑟福,著名的 粒子散射实验,著名的 粒子散射实验,粒子散射实验的结果,绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但少数 粒子发生了较大的偏转，并且有极少数 粒子的偏转超过了90，有的甚至几乎达到180。,葡萄干布丁模型能否解释？,根据汤姆生模型计算的结果：电子质量很小，对 粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正电荷均匀分布，粒子所受库仑力也很小，故 粒子偏转角度不会很大,原子的核式结构的提出,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空间绕着核旋转,根据卢瑟福的原子结构模型，原子内部是十分“空旷”的，举一个简单的例子：,原子核的电荷和大小,根据卢瑟福的原子核式模型和粒子散射的实验数据，可以推算出各种元素原子核的电荷数，还可以估计出原子核的大小。（1）原子的半径约为10-10米、原子核半径约是10-14米，原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一。（2）原子核所带正电荷数与核外电子数以及该元素在周期表内的原子序数相等。（3）电子绕核旋转所需向心力就是核对它的库仑力。,【反馈练习】,1、在用粒子轰击金箔的实验中，卢瑟福观察到的粒子的运动情况是 A、全部粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进 B、绝大多数粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被弹回 C、少数粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进，绝大多数发生较大偏转，甚至被弹回 D、全部粒子都发生很大偏转,答案：B,2、卢瑟福粒子散射实验的结果A、证明了质子的存在B、证明了原子核是由质子和中子组成的C、说明原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上D、说明原子的电子只能在某些不连续的轨道上运动,答案：C,3、当粒子被重核散射时，如图所示的运动轨迹哪些是不可能存在的,答案：BC,18.3氢原子光谱,教学目标,1、知识与技能（1）了解光谱的定义和分类；（2）了解氢原子光谱的实验规律，知道巴耳末系；（3）了解经典原子理论的困难。2、过程与方法：通过本节的学习，感受科学发展与进步的坎坷。3、情感、态度与价值观：培养我们探究科学、认识科学的能力，提高自主学习的意识。教学重点：氢原子光谱的实验规律。教学难点：经典理论的困难。教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备。,早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱,一、光谱,光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。,发射光谱可分为两类：连续光谱和明线光谱。,1.发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。,平行光管,标度管,三棱镜,观察管,分光镜,分光镜原理分析,标度管,（1）连续光谱 例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。,炽热的固体、液体及高压气体的光谱，是由连续分布的一切波长的光组成的，这种光谱叫做连续光谱。,2）明线光谱（原子光谱）只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，也叫原子光谱。,高压电源,光谱管,各种元素都只能发出具有本身特征的某些波长的光，明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。,吸 收 光 谱,钠蒸气,光谱中产生的一组暗线，每条暗线的波长都跟那种气体原子的特征谱线相对应。,（3）吸收光谱,高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线与明线相对应，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。,各种光谱连续光谱H的发射光谱钠的发射光谱钠的吸收光谱太阳的吸收光谱,光 谱,发射光谱,定义：由发光体直接产生的光谱,连续光谱,产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发 光形成的,光谱的形式：连续分布，一切波长的光都有,线状光谱,（原子光谱）,产生条件：稀薄气体发光形成的光谱,光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）,吸收光谱,定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱,产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的,光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应）,各种光谱的特点及成因：,（4）光谱分析,由于每种原子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的化学组成。这种方法叫做光谱分析。原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。,研究太阳高层大气层所含元素,氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。,二、氢原子光谱,三、卢瑟福模型的困难,原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾,核外电子绕核运动,卢瑟福原子核式模型无法解释氢原子光谱的规律。,氢 气 的 吸 收 光 谱,氢气,18.4玻尔的原子模型,教学目标,1、知识与技能（1）了解玻尔原子理论的主要内容；（2）了解能级、能量量子化以及基态、激发态的概念。2、过程与方法：通过玻尔理论的学习，进一步了解氢光谱的产生。3、情感、态度与价值观：培养我们对科学的探究精神，养成独立自主、勇于创新的精神。教学重点：玻尔原子理论的基本假设。教学难点：玻尔理论对氢光谱的解释。教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。,一、玻尔原子理论的基本假设：,1、能级（定态）假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。（本假设是针对原子稳定性提出的）,2、跃迁假设：原子从一种定态（设能量为E初）跃迁到另一种定态（设能量为E终）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（本假设针对线状谱提出）,E初 E终,h v,3、轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）,二、玻尔根据经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式：,rn=n r1,2,轨道半径：,（n=1,2,3),能 量：,En,n,2,1,E1,（n=1,2,3),式中r1、E1、分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，rn、En 分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是正整数，叫量子数。(能量级模拟演示）,三、氢原子的能级图（演示）,-13.6,-3.4,-1.51,-0.85,-0.54,0 eV,n,E/eV,氢原子的能级图,赖曼系,巴耳末系,帕邢系,1、能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。2、基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。3、激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。,四、能级：,夫兰克赫兹实验的历史背景及意义：,1911年，卢瑟福根据粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子核式结构模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间跃迁时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差。随着英国物理学家埃万斯对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在1914年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用电子与稀薄气体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。,1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。,(JAMES FRANCK),(GUSTAV HERTZ),夫兰克赫兹实验的理论基础,根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3)，这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差。,(h为普朗克常数),本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则：,(为激发电位),夫兰克-赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞。电子由阴级K发出，K与栅极G之间有加速电场，G与接收极A之间有减速电场。当电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场，就成为电流计的电流。,实验原理：,改进的夫兰克-赫兹管的基本结构见右图。电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A。,设汞原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零的电子在电位差为V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量eVE1-E0时，电子能量几乎不损失。如果eVE1-E0=E，则汞原子从电子中取得能量E，而由基态跃迁到第一激发态，E=eVC。相应的电位差VC即为汞原子的第一激发电位。在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下图所示的变化曲线.,4.玻尔理论的局限性,5.电子在某处单位体积内出现的概率电子云(演示1.演示2),练习：,1、对玻尔理论的下列说法中，正确的是（）A、继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设 B、对经典电磁理论中关于“做加速运动的电荷要辐射电磁波”的观点表示赞同 C、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与原子能量变化之间的定量关系 D、玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用经典电磁理论和牛顿力学计算出来的,ACD,2、下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是（）A、原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量 B、原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变，就不会向外辐射能量 C、原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子 D、原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的,C,3、根据玻尔理论，氢原子中，量子数N越大，则下列说法中正确的是（）A、电子轨道半径越大 B、核外电子的速率越大C、氢原子能级的能量越大 D、核外电子的电势能越大,4、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半径（）A、可以取任意值 B、可以在某一范围内取任意值C、可以取一系列不连续的任意值D、是一系列不连续的特定值,D,ACD,5、按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知rarb，则在此过程中（）A、原子要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、原子要发出某一频率的光子 D、原子要吸收某一频率的光子,C,18.5激光,教学目标,1、知识与技能（1）了解激光产生的机理；（2）通过阅读，收集整理相关资料，认识激光器的构成和常见激光器。2、过程与方法（1）通过课外阅读，收集整理有关激光应用的资料，培养加工处理信息的能力；（2）通过对激光的特点及应用的学习，培养应用物理知识解决实际问题的能力。3、情感、态度与价值观：通过对激光应用的学习，使学生感受到科学知识的无究力量，培养热爱科学的品质。教学重点：激光产生的机理。教学难点：激光产生的机理。教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备。,一、激光,1、概念：激光准确内涵是“来自受激辐射的放大、增强的光”。,英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,缩写为Laser，中文也常音译为“镭射”。,2、产生机理：,激光的产生原理是利用了物质原子受激辐射后发生跃迁的特性。,二。激光产生的机理,（抽运装置）,激活介质,铬离子经过两次跃迁处于E2能级,波长694.3nm,激光工作物质,全反射镜,半反射镜,激光工作原理：,out,光放大原理,（谐振腔有选频作用）,再见,