高中物理 2.1原子结构　氢原子光谱课件 教科版选修35.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1909 1911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 粒子穿过金箔后仍沿 的方向前进或只发生很小的偏转 但有些 粒子发生较大的偏转 偏转角度超过了90 个别的甚至接近180 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 光谱复色光通过分光后 分解为一系列由单色光按 长短的顺序排列的光带 2 光谱分类 有些光谱是一条条 的谱线 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 分立 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 2 玻尔理论 1 定态 电子在特定轨道上运动时 原子是 的 不向外辐射能量 也不吸收能量 这些状态称为定态 2 跃迁 原子中的电子从一定态跃迁到另一定态时 才发射或吸收一个光子 光子的能量h 3 轨道 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是一系列 的 特定的轨道 稳定 en em 分立 1 对原子跃迁条件h en em的说明原子跃迁条件h en em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e 13 6ev 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 6ev 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 其数值为r1 0 53 10 10m 13 6ev 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 en em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 88 10 6m 答案 1 6种 2 第4能级向第3能级跃迁1 88 10 6m 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 en em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 53 10 10m 能量e1 13 6ev 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 6ev 27 2ev 9 14 10 8m 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 6ev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 6ev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 en em 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 hv2b 辐射光子的能量为hv1 hv2c 吸收光子的能量为hv2 hv1d 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hv2 hv1 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v3 v2 v1 则 a v0 v1b v3 v2 v1c v0 v1 v2 v3d 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 2ev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 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第四能级 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 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 62ev到3 11ev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 89ev 10 2ev 12 09ev 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 6ev 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e e2 e1 10 2ev 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 e2 e e2 即1 89ev e 3 40ev 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 51ev 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 89ev 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 51ev 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n 2的某一能级跃迁到n 2的能级 辐射出能量为2 55ev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n 2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 55even hv e2 0 85ev 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 75ev 2 辐射跃迁图如图所示 答案 1 12 75ev 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 62 3 11ev 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 62 3 11ev 紫外线的光子能量一定大于3 11ev 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 51ev 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e 1 62ev 由能级图可知 n 3 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 6ev 电子绕核做圆周运动的半径r1 0 53 10 10m 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 0 109n m2 c2 e 1 6 10 19c 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 63 10 34j s 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从第2能级跃迁到无限远处 最小频率的电磁