原子的结构与光谱 · AtomLab

α 粒子散射实验

汤姆孙认为，原子是一团均匀的正电荷，电子像枣一样嵌在里面（“枣糕”模型）。如果真是这样，α 粒子穿过金箔时只会偏转一点点。

盖革和马斯登用放射源射出的 α 粒子轰击极薄的金箔，用显微镜数硫化锌荧光屏上的闪光：绝大多数 α 粒子几乎沿原方向前进，少数发生大角度偏转，极少数（约八千分之一）偏转超过 90°，有的几乎被弹回。卢瑟福由此提出核式结构模型。

转动荧光屏，在不同角度各数一分钟；再穿越到原子尺度，等一次正面相撞。电子在电场中的偏转见 FieldLab。

氢原子光谱

氢气在放电管里发出玫紫色的辉光。经过光栅，它不是连成一片的彩虹，而是几条分立的亮线——线状谱。每种元素都有自己的谱线，像指纹一样。

光栅每毫米 600 条刻线，一级亮线满足 d sin θ = λ。转动望远镜，让谱线对准目镜里的十字丝，记录角度，就能算出波长。巴耳末发现，氢的四条可见谱线满足 1/λ = R(1/2² − 1/n²)，R 叫里德伯常量。

光栅的原理见 OpticsLab；一个光子的能量 hν 见 PhotonLab。

玻尔模型与能级跃迁

玻尔提出：电子只能在一些特定的轨道上运动，原子处于这些定态时不辐射；氢原子的能量 Eₙ = −13.6 eV / n²，轨道半径 rₙ = n²r₁。

原子从高能级 m 跃迁到低能级 n 时放出一个光子，hν = Eₘ − Eₙ；反过来，只有能量恰好等于能级差的光子才会被吸收。落到 n = 2 的那些跃迁，正是第 2 课的巴耳末线。能量超过 13.6 eV，电子被打出原子（电离）。

点右侧能级图上的能级，发射恰好的光子。玻尔模型说不清多电子原子，电子的真实样子见 OrbitalLab 的电子云。

弗兰克—赫兹实验

灯丝（阴极）发出的电子被加速电压 U 加速，穿过栅极后还要克服一个小的拒斥电压才能到达板极。管里充有汞蒸气（或氖气）。

电子的动能小于汞原子的第一激发能 4.9 eV 时，与汞原子只发生弹性碰撞，几乎不损失能量；一旦达到 4.9 eV，就会把能量整份交给汞原子，自己几乎停下来，到不了板极，电流跌落。所以电流每隔约 4.9 V 跌落一次。被激发的汞原子放出 253.7 nm 的紫外线（4.9 eV 的光子）。

换成氖管，激发能约 18.7 eV，被激发的氖原子发出橙色的光，管里能直接看到一层层光带。光子的能量见 PhotonLab。

随堂检测

回顾四个课题，完成下面的选择题。