《理化生选修》PPT课件.ppt

第1讲 原子结构 氢原子光谱,考点1 原子结构,1.电子的发现：英国物理学家_发现了电子. 2.粒子散射实验 19091911年，英国物理学家_和他的助手进行了用粒 子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数粒子穿过金箔后基本 上仍沿_方向前进，但有少数粒子发生了大角度偏转，偏 转的角度甚至大于90，也就是说它们几乎被“撞”了回来.,汤姆孙,卢瑟福,原来,3.原子的核式结构模型 在原子中心有一个很小的核，原子全部的_和几乎全部 _都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转.,质量,正电荷,1.认识原子结构的线索 气体放电的研究 阴极射线 发现电子 汤姆孙的“枣糕模型” 卢瑟福核式结构模 型 玻尔模型.,粒子散射实验,氢原子光谱的研究,2.三种原子模型的对比,实验基础,结构差异,成功和局限,“枣糕 模型”,电子的 发现,带正电物质均匀分 布在原子内，电子 镶嵌其中,解释了一些实验现 象，无法说明粒 子散射实验,核式结 构模型,粒子 散射实 验,全部正电荷和几乎全 部质量集中在核里， 电子绕核旋转,成功解释了粒子散射 实验，无法解释原子的 稳定性与原子光谱的分 立特征,玻尔的 原子 模型,氢原子光谱 的研究,在核式结构模型基础 上，引入量子化观点,成功解释了氢原子光 谱，无法解释较复杂 的原子光谱,考点2 氢原子光谱与玻尔理论,1.光谱 (1)光谱:用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的_ (频率)和强度分布的记录，即光谱. (2)光谱分类. 有些光谱是一条条的_，这样的光谱叫做线状谱. 有的光谱是连在一起的_，这样的光谱叫做连续谱.,波长,亮线,光带,(3)氢原子光谱的实验规律. 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式 _，(n=3,4,5,)，R是里德伯常量，R=1.10107 m-1， n为量子数.,2.玻尔理论 (1)定态：原子只能处于一系列_的能量状态中，在这些 能量状态中原子是_的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐 射能量. (2)跃迁：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，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即 hv=_.(h是普朗克常量，h=6.6310-34 Js) (3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运 动相对应.原子的定态是_，因此电子的可能轨道也是 _.,不连续,稳定,Em-En,不连续的,不连续的,1.对原子跃迁条件hv=Em-En的说明 原子跃迁条件hv=Em-En只适用于光子和原子作用而使原子在各 定态之间跃迁的情况.对于光子和原子作用而使氢原子电离时， 只要入射光的能量E13.6 eV，氢原子就能吸收光子的能量， 对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时，实物粒子的能量大 于或等于能级差即可.,2.氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化 (1)原子能量: 随n增大而增大，其中 E1=-13.6 eV. (2)电子动能:电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力,即 随r增大而减小. (3)电势能:通过库仑力做功判断电势能的增减. 当轨道半径减小时,库仑力做正功,电势能减小;反之,轨道半径 增大时,电势能增加.,考点3 氢原子的能级、能级公式,1.氢原子的能级和轨道半径 (1)氢原子的能级公式：En= _(n=1,2,3，)，其中E1为基 态能量，其数值为E1= _. (2)氢原子的半径公式：rn= _(n=1,2,3，)，其中r1为基 态半径，又称玻尔半径，其数值为r1=0.5310-10m.,-13.6 eV,n2r1,2.氢原子的能级图 能级图如图所示.,1.能级图中相关量意义的说明,2.关于光谱线条数的两点说明 (1)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为 (2)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1).,原子结构与粒子散射实验 【例证1】(1)卢瑟福和他的助手做粒子轰击金箔实验，获得 了重要发现.关于粒子散射实验的结果，下列说法正确的是 ( ) 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.证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小 的核里 D.说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动,(2)英国物理学家卢瑟福用粒子轰击金箔，发现了粒子的散 射现象.下列图中，O表示金原子核的位置，则能正确表示该实 验中经过金原子核附近的粒子的运动轨迹的是图中的( ),【解题指南】解答本题时，应把握以下两点： (1)明确粒子散射实验的结果与结论. (2)了解粒子散射实验的分析图. 【自主解答】(1)选C.粒子散射实验发现了原子内存在一个集中 了全部正电荷和几乎全部质量的核.C对，A、B错.玻尔发现了电子 轨道量子化，D错. (2)选B.粒子散射的原因是原子核对其有库仑斥力的作用，离核 越近，斥力越大，偏转越明显，当正好击中原子核时，由于粒 子质量较小而反弹.B图正确.,【总结提升】解答本题的关键在于弄清粒子散射实验结果与所得结论及实验时粒子的可能轨迹.对易错选项及错误原因具体分析如下:,能级跃迁与光谱线 【例证2】如图所示为氢原子最低的四个能级，当氢原子在这些能 级间跃迁时： (1)有可能放出多少种能量的光子？ (2)在哪两个能级间跃迁时，所放出光子波长最长？波长是多少？,【解题指南】求解此题应把握以下两点： (1)根据辐射出的光谱线条数，可知能放出多少种能量的光子. (2)用hv=Em-En和c=v求波长.,【自主解答】(1) (2)氢原子由第4能级向第3能级跃迁时，能量差最小，辐射的光 子波长最长. 由hv=E4-E3得： 所以 1.8810-6 m. 答案：(1)6种 (2)第4能级向第3能级跃迁 1.8810-6 m,【总结提升】解答能级跃迁与光谱线问题的注意事项 (1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的. (2)一个氢原子，向低能级跃迁时可能发出的光子种数最多为 n-1,而一群氢原子向低能级跃迁时可能发出的光子种数最多为 (3)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hv=Em-En求 得.若求波长可由公式c=v求得.,与能级有关的能量问题 【例证3】(10分)(1)能量为Ei的光子照射基态氢原子，刚好可 使该原子中的电子成为自由电子.这一能量Ei称为氢的电离能. 现用一频率为v的光子从基态氢原子中击出了一电子，该电子 在远离核以后速度的大小为_(用光子频率v、电子质量m、 氢原子的电离能Ei和普朗克常量h表示).,(2)氢原子在基态时轨道半径r1=0.5310-10 m，能量 E1=-13.6 eV，求氢原子处于基态时： 电子的动能； 原子的电势能； 用波长是多少的光照射可使其电离？,【解题指南】根据能量守恒求(1). 求解(2)可关注以下三点： (1)由库仑力提供向心力求电子的动能； (2)由氢原子的能量为电子的动能和电势能之和求电势能； (3)照射光的能量大于基态能量即可使基态的氢原子电离.,【规范解答】(1)由能量守恒得 (2分) 解得电子速度为 (2分) (2)设处于基态的氢原子核外电子速度为v1，则： (1分) 所以电子动能 (1分),因为 所以 (2分) 设用波长为的光照射可使氢原子电离： (1分) 所以 (1分) 答案：(1) (2)13.6 eV -27.2 eV 9.1410-8 m,【总结提升】与能级有关的能量问题的规范求解 1.一般解题步骤 (1)分析已知量，根据库仑力提供核外电子做圆周运动的向心力 列圆周运动动力学方程. (2)根据处于某定态原子的能量等于电子动能与电子电势能之和 列方程，求电势能. (3)原子发生能级跃迁时能量与吸收或放出光子(或实物粒子)的 能量相等，可列方程求光子的频率或相关物理量.,2.对氢原子能级跃迁的进一步理解 (1)原子从低能级向高能级跃迁：吸收一定能量的光子，当一个 光子的能量满足hv=E末-E初时，才能被某一个原子吸收，使原 子从低能级E初向高能级E末跃迁，而当光子能量hv大于或小于 E末-E初时都不能被原子吸收. (2)原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量， 所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差. (3)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被处于基态的氢 原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能 量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能.,(4)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发. 由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收，所以只要入射 粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E=Em-En)，均可使原 子发生能级跃迁. (5)跃迁时电子动能、原子势能与原子能量的变化当轨道半径减 小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小，电子动能增大， 原子能量减小.反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子 动能减小，原子能量增大.,1.(2011四川高考)氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的 频率为v1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为v2，已 知普朗克常量为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则( ) A.吸收光子的能量为hv1+ hv2 B.辐射光子的能量为hv1+ hv2 C.吸收光子的能量为hv2-hv1 D.辐射光子的能量为hv2-hv1,【解析】选D.氢原子从能级m跃迁到n时辐射红光，说明能级m高 于能级n，而从能级n跃迁到能级k时吸收紫光，说明能级k也高 于能级n，由于紫光频率v2大于红光频率v1,所以hv2hv1,因 此能级k要高于能级m，氢原子从能级k跃迁到m时应当向外辐射 光子，光子的能量为E=hv2-hv1,故D正确.,2.用频率为v0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光 谱中仅能观测到频率分别为v1、v2、v3的三条谱线，且v3v2v1,则( ) A.v0v1 B.v3=v2+v1 C.v0=v1+v2+v3 D. 【解析】选B.大量氢原子发生跃迁时只有三条谱线，这说明氢 原子受激发跃迁到n=3的激发态，然后从n=3能级向低能级跃迁 产生三个频率的谱线，根据能量守恒有：hv0=hv3=hv2+hv1, 解得:v0=v3=v2+v1，故选项B正确.,3.(2011大纲版全国卷)已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量En=E1/n2，其中n=2,3.用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速.能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为( ) A. B. C. D. 【解题指南】解答本题要把握以下思路:,由E=E末-E初 求出E,根据E= 求 出波长,【解析】选C.从第一激发态到电离状态吸收的能量E= 根据 所以 因此正确答案为C.,4.氢原子的能级示意图如图所示，不同色光的光子能量如表所 示.,处于某激发态的氢原子，发射光的谱线在可见光范围内仅有两 条，其颜色分别为( ) A.红、蓝靛 B.黄、绿 C.红、紫 D.蓝靛、紫,【解析】选A.如果激发态的氢原子处于第二能级，能够发出 10.2 eV的光子，不属于可见光；如果激发态的氢原子处于第三 能级，能够发出12.09 eV、10.2 eV、1.89 eV 的三种光子，只 有1.89 eV的光子属于可见光；如果激发态的氢原子处于第四能 级，能够发出12.75 eV、12.09 eV、10.2 eV、2.55 eV、 1.89 eV、0.66 eV的六种光子，1.89 eV 和2.55 eV的光子属于 可见光，1.89 eV的光子为红光，2.55 eV的光子为蓝靛光，A 正确.,5.(1)氢原子的部分能级如图所示,已知 可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV 之间.由此可推知,氢原子( ) A.从高能级向n=1能级跃迁时发出的光的 波长比可见光的短 B.从高能级向n=2能级跃迁时发出的光均为可见光 C.从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高 D.从n=3能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光,(2)大量氢原子处于不同能量激发态，发生跃迁时放出三种不同 能量的光子，其能量值分别是：1.89 eV，10.2 eV,12.09 eV. 跃迁发生前这些原子分布在_个激发态能级上，其中最高能 级的能量值是_eV (基态能量为-13.6 eV).,【解析】(1)选A、D.由 知,光子能量越大时，光的频 率越高，波长越短.从高能级向n=1能级跃迁时光子能量为 EE2-E1=10.2 eV,A正确.从高能级向n=2的能级跃迁时发出的 光子能量为E3-E2E-E2,即1.89 eVE3.40 eV,可见有一部 分光处于紫外线区域,B错误.从高能级向n=3的能级跃迁时,光子 能量最高E=-E3=1.51 eV,比可见光光子能量小,C错误.从n=3能 级向n=2能级跃迁时，光子能量E=E3-E2=1.89 eV,D正确.,(2)由于大量氢原子在处于不同能量激发态发生跃迁时放出三种 不同能量的光子，可知氢原子所处的最高能级是n=3，跃迁发生 前这些原子分布在2个激发态能级上；其中最高能级的能量值是 E3=-1.51 eV. 答案：(1)A、D (2)2 -1.51,6.(1)氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近 的轨道上时,下列说法中正确的是( ) A.氢原子的能量增加 B.氢原子的能量减少 C.氢原子要吸收一定频率的光子 D.氢原子要放出一定频率的光子,(2)在氢原子光谱中，电子从较高能级跃迁到n=2能级发出的谱 线属于巴耳末线系，若一群氢原子自发跃迁时发出的谱线中只 有2条属于巴耳末线系，则这群氢原子自发跃迁时最多发出 _条不同频率的谱线.,【解析】(1)选B、D.氢原子的核外电子离原子核越远,氢原子的 能量(包括动能和势能)越大.当氢原子的核外电子由离原子核较 远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时,原子的能量减少,氢原子 要放出一定频率的光子.显然,选项B、D正确. (2)氢原子发出的光谱线中有2条属于巴耳末线系，说明电子是 从n=4能级向低能级跃迁的，因此可发出的谱线条数为 6(条). 答案：(1)B、D (2)6,7.如图所示,氢原子从n2的某一能级跃迁 到n=2的能级,辐射出能量为2.55 eV的光 子.问： (1)最少要给基态的氢原子提供多少电子 伏特的能量,才能使它辐射出上述能量的 光子? (2)请在图中画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图.,【解析】(1)氢原子从n2的某一能级跃迁到n=2的能级,辐射光 子的频率应满足 hv=En-E2=2.55 eV En=hv+E2=-0.85 eV,所以n=4 基态氢原子要跃迁到n=4的能级,应提供的能量: E=E4-E1=12.75 eV.,(2)辐射跃迁图如图所示. 答案：(1)12.75 eV (2)见解析图,8.氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为 1.623.11 eV，则,(1)若用任意频率的紫外线照射处于n=3能级的氢原子，氢原子 能否电离？ (2)大量氢原子从高能级向n能级跃迁时，发出的光具有显著的 热效应，则n至少等于多少？,【解析】(1)可见光能量范围为1.623.11 eV，紫外线的光子 能量一定大于3.11 eV，而处于n=3激发态的氢原子发生电离需 要的能量大于等于1.51 eV，所以任意频率的紫外线均可使n=3 能级的氢原子电离. (2)发出的光具有显著的热效应，其光子能量E1.62 eV，由能 级图可知，n3,即n至少等于3. 答案：(1)能电离 (2)3,9.氢原子基态能量E1=-13.6 eV，电子绕核做圆周运动的半径 r1=0.5310-10 m.求氢原子处于n=4激发态时： (1)原子系统具有的能量； (2)电子在n=4轨道上运动的动能；(已知能量关系 半 径关系rn=n2r1,k=9.0109 Nm2/C2,e=1.610-19 C) (3)若要使处于n=2的氢原子电离，至少要用频率多大的电磁波 照射氢原子？(普朗克常量h=6.6310-34 Js),【解题指南】本题解题思路如下： (1)根据玻尔理论求原子能量； (2)结合圆周运动知识求电子动能； (3)根据电离能求光子频率.,【解析】(1)由 得 (2)因为rn=n2r1，所以r4=42r1,由圆周运动知识得 所以 (3)要使处于n=2能级的氢原子电离，照射光光子的能量应能使 电子