2018-19版高中物理第3章原子世界探秘3.3量子论视野下的原子模型学案沪科版.docx

3.3量子论视野下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数值，而卫星的轨道半径理论上可按需要任意取值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h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hEmEn(mn)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上式决定知识梳理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r10.053nm，轨道半径满足rnn2r1，n为量子数，n1,2,3，.2能级(1)能级：在玻尔模型中，原子的能量状态是不连续的，因而各定态的能量只能取一些分立值，我们把原子在各定态的能量值叫做原子的能级(2)基态和激发态基态：在正常状态下，原子处于能量最低的状态，这时电子在离核最近的轨道上运动，这一定态叫做基态激发态：电子在其他轨道上运动时的定态叫做激发态(3)能量量子化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原子各能级：EnE1(E113.6eV，n1,2,3，)3光子的发射和吸收(1)光子的发射：原子从高能级(Em)向低能级(En)跃迁时会发射光子，放出光子的能量h与始末两能级Em、En之间的关系为：hEmEn.(2)光子的吸收：原子吸收光子后可以从低能级跃迁到高能级高能级Em低能级En即学即用判断下列说法的正误(1)玻尔认为电子运行轨道半径是任意的，就像人造地球卫星，能量大一些，轨道半径就会大点()(2)玻尔认为原子的能量是量子化的，不能连续取值()(3)当电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出任意能量的光子()(4)处于能级越高的氢原子，向低能级跃迁时释放的光子能量越大()二、原子的能级跃迁问题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，发出的光子的频率如何计算？答案氢原子辐射光子的能量决定于两个能级差hEmEn(nn)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一些确定的值，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，应辐射能量，D错误原子的能量及变化规律1原子的能量：EnEknEpn.2电子绕氢原子核运动时：km，故Eknmvn2，而Epnk，两者之和即为轨道能量EEknEpnk，所以氢原子的定态能量为负，基态的半径为r10.053nm，E113.6eV是其定态能量的最低值3当电子的轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子的电势能增大，反之，电势能减小4电子的轨道半径增大时，说明原子吸收了光子，从能量较低的轨道跃迁到了能量较高的轨道上即电子轨道半径越大，原子的能量越大二、氢原子的跃迁规律分析1对能级图的理解由En知，量子数越大，能级差越小，能级横线间的距离越小n1是原子的基态，n是原子电离时对应的状态2跃迁过程中吸收或辐射光子的频率和波长满足h|EmEn|，h|EmEn|.3大量处于n激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射种不同频率的光，一个处于n激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射(n1)种频率的光子例3(多选)氢原子能级图如图3所示，当氢原子从n3跃迁到n2的能级时，辐射光的波长为656nm.以下判断正确的是()图3A氢原子从n2跃迁到n1的能级时，辐射光的波长大于656nmB用波长为325nm的光照射，可使氢原子从n1跃迁到n2的能级C一群处于n3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线D用波长为633nm的光照射，不能使氢原子从n2跃迁到n3的能级答案CD解析能级间跃迁辐射(吸收)的光子能量等于两能级间的能级差，能级差越大，辐射(吸收)的光子频率越大，波长越小，A错误；由EmEnh可知，B错误，D正确；根据C3可知，C正确针对训练2如图4所示为氢原子的能级图用光子能量为13.06eV的光照射一群处于基态的氢原子，则可能观测到氢原子发射的不同波长的光有()图4A15种B10种C4种D1种答案B解析基态的氢原子的能级值为13.6eV，吸收13.06eV的能量后变成0.54eV，原子跃迁到n5能级，由于氢原子是大量的，故辐射的光子种类是种10种原子跃迁时需要注意的两个问题：(1)注意一群原子和一个原子：氢原子核外只有一个电子，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，只能出现所有可能情况中的一种，但是如果有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现(2)注意跃迁与电离：hEmEn只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用使原子电离的情况，则不受此条件的限制如基态氢原子的电离能为13.6eV，只要大于或等于13.6eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大.1(对玻尔理论的理解)(多选)关于玻尔原子理论的基本假设，下列说法中正确的是()A原子中的电子绕原子核做圆周运动，库仑力提供向心力B氢原子光谱的不连续性，表明了氢原子的能级是不连续的C原子的能量包括电子的动能和势能，电子动能可取任意值，势能只能取某些分立值D电子由一条轨道跃迁到另一条轨道上时，辐射(或吸收)的光子频率等于电子绕核运动的频率答案AB2(氢原子跃迁规律的应用)(多选)如图5所示为氢原子的能级图，A、B、C分别表示电子在三种不同能级跃迁时放出的光子，则下列判断中正确的是()图5A能量和频率最大、波长最短的是B光子B能量和频率最小、波长最长的是C光子C频率关系为BACD波长关系为BAC答案ABC解析从题图中可以看出电子在三种不同能级之间跃迁时，能级差由大到小依次是B、A、C，所以B光子的能量和频率最大，波长最短，能量和频率最小、波长最长的是C光子，所以频率关系是BAC，波长关系是BAEcEb，又Eh，可知b光的能量最小，波长最长，a光的能量最大，波长最短，C项正确5氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为2，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h1h2B辐射光子的能量为h1h2C吸收光子的能量为h2h1D辐射光子的能量为h2h1答案D解析由于氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为2，可知能级k最高、n最低，所以氢原子从能级k跃迁到能级m，要辐射光子的能量为h2h1，选项D正确，A、B、C错误6氢原子部分能级的示意图如图2所示，不同色光的光子能量如下表所示：图2色光红橙黄绿蓝靛紫光子能量范围(eV)1.612.001.612.071.612.141.612.531.612.761.613.10处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条，其颜色分别为()A红、蓝靛B黄、绿C红、紫D蓝靛、紫答案A解析根据玻尔理论，如果激发态的氢原子处于n2能级，只能够发出10.2eV的光子，不属于可见光范围；如果激发态的氢原子处于n3能级，能够发出12.09eV、10.2eV、1.89eV的三种光子，只有1.89eV的光子属于可见光；如果激发态的氢原子处于n4能级，能够发出12.75eV、12.09eV、10.2eV、2.55eV、1.89eV、0.66eV的六种光子，1.89eV和2.55eV的光子属于可见光，1.89eV的光子为红光，2.55eV的光子为蓝靛光，所以选项A正确7(多选)如图3为玻尔为解释氢原子光谱画出的氢原子能级示意图，一群氢原子处于n4的激发态，当它们自发地跃迁到较低能级时，以下说法符合玻尔理论的有()图3A电子轨道半径减小，动能增大B氢原子跃迁时，可发出连续不断的光谱线C由n4跃迁到n1时发出光子的频率最小D金属钾的逸出功为2.25eV，能使金属钾发生光电效应的光谱线有4条答案AD解析当原子从第4能级向低能级跃迁时，原子的能量减小，电子的轨道半径减小，动能增大，电势能减小，故A正确；能级间跃迁辐射或吸收的光子能量必须等于两能级间的能级差，氢原子跃迁时，可发出不连续的光谱线，故B错误；由n4跃迁到n1时辐射的光子能量最大，发出光子的频率最大，故C错误；n4能级的氢原子可以放出6条光谱线，其放出的光子能量分别为：E10.85(1.51) eV0.66 eV；E20.85(3.4) eV2.55 eV、E30.85(13.6) eV12.75 eV、E41.51(3.4) eV1.89 eV、E51.51(13.6) eV12.09 eV、E63.4(13.6) eV10.20 eV，故大于2.25 eV的光谱线有4条，故D正确8(多选)已知氢原子的能级图如图4所示，现用光子能量介于1012.9eV范围内的光去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是()图4A在照射光中可能被吸收的光子能量有无数种B在照射光中可能被吸收的光子能量只有3种C照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有6种D照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有3种答案BC解析根据跃迁规律hEmEn和能级图，可知A错，B对；氢原子吸收光子后能跃迁到最高为n4的能级，能发射的光子的波长有C6种，故C对，D错9(多选)如图5所示为氢原子的能级图用光子能量为13.06eV的光照射一群处于基态的氢原子，下列说法正确的是()图5A氢原子可以辐射出连续的各种波长的光B氢原子从n4的能级向n3的能级跃迁时辐射光的波长最短C辐射光中，光子能量为0.31eV的光波长最长D用光子能量为14.2eV的光照射基态的氢原子，能够使其电离答案CD解析因为13.6 eV13.06 eV0.54 eV，知氢原子跃迁到第5能级，选项A错误；从n5跃迁到n1辐射的光子能量最大，波长最短，从n5跃迁到n4辐射的光子能量为0.31 eV，波长最长，选项B错误，C正确；用光子能量为14.2 eV的光照射基态的氢原子，能够使其电离，选项D正确10(多选)如图6所示是氢原子能级示意图的一部分，则下列说法正确的是()图6A用波长为600nm的X射线照射，可以使稳定的氢原子电离B用能量是10.2eV的光子可以激发处于基态的氢原子C用能量是2.5eV的光子入射，可以使基态的氢原子激发D用能量是11.0eV的外来电子，可以使处于基态的氢原子激发答案BD解析“稳定的氢原子”指处于基态的氢原子，要使其电离，光子的能量必须大于或等于13.6 eV，而波长为600 nm的X射线的能量为Eh6.631034eV2.07 eV13.6 eV，A错误因EE2E1(3.4 eV)(13.6 eV)10.2 eV，故10.2 eV的光子可以使氢原子从基态跃迁到n2的激发态，B正确；2.5 eV的光子能量不等于任何其他能级与基态的能级差，因此不能使氢原子发生跃迁，C错误；外来电子可以将10.2 eV的能量传递给氢原子，使它激发，外来电子还剩余11.0 eV10.2 eV0.8 eV的能量，D正确二、非选择题11(氢原子跃迁规律的应用)如图7所示为氢原子最低的四个能级，当大量氢原子在这些能级间跃迁时，图7(1)最多有可能放出几种能量的光子？(2)在哪两个能级间跃迁时，所发出的光子波长最长？最长波长是多少？答案(1)6种(2)第4能级向第3能级1.88106m解析(1)由NC，可得NC6种(2)氢原子由第4能级向第3能级跃迁时，能级差最小，辐射的光子能量最小，波长最长，根据hhE4E30.85 eV(1.51) eV0.66 eV，m1.88106m.12(氢原子跃迁规律的应用)氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子已知基态的氦离子能量为E154.4eV，氦离子能级的示意图如图8所示，用一群处于第4能级的氦离子发出的光照射处于基态的氢原子求：图8(1)氦离子发出的光子中，有几种能使氢原子发生光电效应？(2)发生上述光电效应时，光电子的最大动能最大是多少？答案(1)3种(2)37.4eV解析(1