高考物理一轮复习 第十六章 原子结构与原子核 第1讲 原子结构课件.ppt

第1讲原子结构 知识梳理一 卢瑟福核式结构学说 1 粒子散射现象绝大多数 粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进 少数 粒子发生了较大角度的偏转 并且有 极少数 粒子偏转角超过了90 有的甚至被 撞了回来 偏转角几乎达到180 2 原子的核式结构卢瑟福对 粒子散射实验结果进行了分析 于1911年提出了原子的 核式结构学说 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 几乎所有的质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外空间绕核旋转 1 玻尔假说的内容 1 轨道量子化 原子核外电子的可能轨道是某些 分立的数值 2 能量状态量子化 原子只能处于与轨道量子化对应的 不连续的能量状态中 在这些状态中 原子是 稳定的 不辐射能量 3 跃迁假说 原子从一个能级向另一个能级跃迁时 吸收 或辐射 一定频率的光子 光子能量e h em en 2 氢原子能级 1 能级 原子在各个定态时的 能量值称为原子的能级 2 氢原子的能级公式和轨道半径公式 en e1 e1 13 6evrn n2r1 r1 0 53 3 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的定态称为基态 4 激发态 原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级 这时电子在离核 较远的轨道上运动的定态称为激发态 3 光子的发射与接收原子从一种定态 能量为e初 跃迁到另一种定态 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级差决定 即h e初 e终 若e初 e终 则辐射光子 若e初 e终 则吸收光子 1 卢瑟福提出了原子的核式结构模型 这一模型建立的基础是 a 对阴极射线的研究b 天然放射现象的发现c 粒子散射实验d 氢原子光谱的发现 答案c卢瑟福提出原子的核式结构模型的基础是 粒子散射实验 c 2 如图所示为玻尔理论中氢原子能级图 当氢原子从n 4的激发态向较低能级跃迁时 放出光子的能量可能是 b a 13 6evb 10 2evc 3 4evd 1 51ev 答案b原子能级跃迁的时候放出的光子能量只能等于相应两能级差 3 按照玻尔理论 大量氢原子从n 3的激发态向低能级跃迁时 最多能向外辐射 a 2种不同频率的光子b 3种不同频率的光子c 4种不同频率的光子d 5种不同频率的光子 答案b由n 3能级向n 2能级跃迁放出一种频率的光子 由n 3能级向n 1能级跃迁放出一种频率的光子 由n 2能级向n 1能级跃迁放出一种频率的光子 共三种 b正确 b 4 根据玻尔理论 氢原子的电子由n 2轨道跃迁到n 1轨道 a 原子的能量减少 电子的动能增加b 原子的能量增加 电子的动能减少c 原子要放出一系列频率不同的光子d 原子要吸收某一频率的光子 a 答案a根据玻尔理论 氢原子的电子从n 2轨道跃迁到n 1轨道时要放出一种特定频率的光子 故原子的能量减少 但电子在跃迁过程中 静电力对其做正功 故电子的动能增加 故a正确 深化拓展 考点一原子结构的探究 粒子散射实验结论分析 考点二氢原子能级跃迁的确定 考点三应用玻尔理论综合分析氢原子的能级 轨道和光谱问题 深化拓展考点一原子结构的探究 粒子散射实验结论分析1 原子中有电子 但电子质量很小 不及 粒子质量的七千分之一 粒子碰到它 就像飞行的子弹碰到一粒尘埃一样 运动方向不会发生明显改变 粒子散射现象表明 原子内部非常空旷 带正电的部分体积很小 但集中了几乎全部质量 当 粒子接近原子核时 就会受到很大的库仑斥力 发生较大角度的偏转 由于原子核体积小 粒子穿过金箔时接近原子核的机会很小 所以只有少数 粒子发生大角度偏转 2 卢瑟福核式结构内容原子 1 1如图所示为卢瑟福和他的同事们做 粒子散射实验的装置示意图 荧光屏和显微镜一起分别放在图中的a b c三个位置时 关于观察到的现象 下列说法中正确的是 a 相同时间内放在a位置时观察到屏上的闪光次数最多b 相同时间内放在b位置时观察到屏上的闪光次数最少c 相同时间内放在c位置时观察到屏上的闪光次数最少d 放在c位置时观察不到屏上有闪光 答案a由 粒子散射实验的结果可知a正确 b c d均错 a 1 2卢瑟福利用 粒子轰击金箔的实验研究原子结构 正确反映实验结果的示意图是 答案d 粒子轰击金箔时 越靠近金原子核 偏转的角度越大 所以a b c错误 d正确 d 考点二氢原子能级跃迁的确定1 氢原子的能级图如图所示 2 氢原子的能级和轨道半径 氢原子的能级公式 en e1 n 1 2 3 其中e1为基态能量 其数值为e1 13 6ev 氢原子的轨道半径公式 rn n2r1 n 1 2 3 其中r1为基态半径 又称玻尔半径 其数值为r1 0 53 10 10m 3 能级跃迁的规律 1 定态间的跃迁 满足能级差 h em en m n 2 电离与电离能电离态 n e 0 电离能 使电子电离所需吸收的最小能量 如 基态 电离态 e吸 0 13 6ev 13 6evn 2 电离态 e吸 0 e2 3 4ev如吸收能量足够大 克服电离能后 获得自由的电子还有动能 3 跃迁时电子动能 原子电势能与总能量变化 当轨道半径减小时 库仑引力做正功 原子电势能减小 电子动能增大 原子总能量减小 反之 轨道半径增大时 原子电势能增大 电子动能减小 原子总能量增大 情景素材 教师备用 2 1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 答案c处于第一激发态时n 2 故其能量e2 电离时释放的能量 e 0 e2 而光子能量 e 则解得 故c正确 a b d均错 c 2 2已知氦离子 he 的能级图如图所示 根据能级跃迁理论可知 a 氦离子 he 从n 4能级跃迁到n 3能级比从n 3能级跃迁到n 2能级辐射出光子的频率低b 大量处在n 3能级的氦离子 he 向低能级跃迁 只能发出2种不同频率的光子 c 氦离子 he 处于n 1能级时 能吸收45ev的能量跃迁到n 2能级d 氦离子 he 从n 4能级跃迁到n 3能级 需要吸收能量 a 答案a氦离子由高能级向低能级跃迁 辐射光子的能量等于两能级的能量差 对应光子频率 满足 h en em n m a正确 大量处于n 3能级的氦离子向低能级跃迁 能发出3种不同频率的光子 b错误 离子只能吸收能量等于能级差的光子才能跃迁到高能级 c错误 离子从高能级跃迁到低能级 以光子的形式辐射能量 d错误 考点三应用玻尔理论综合分析氢原子的能级 轨道和光谱问题一 应用玻尔理论分析氢原子的能级 轨道的方法玻尔理论的成功之处在于引入了量子化的概念 但因保留了经典的原子轨道 故有关氢原子的计算仍应用经典物理的理论 对电子绕核运动的轨道半径 速度 周期 动能 电势能等的计算 是牛顿运动定律 库仑定律 匀速圆周运动等知识的综合应用 氢原子各定态的能量值为电子绕核运动的动能ek和电势能ep的代数和 当取无穷远处电势能为零时 各定态的电势能均为负值 某定态时 核外电子的动能ek总是等于该定态总能量的绝对值 原子系统的电势能ep总是等于该定态总能量值的两倍 运用这一数值关系可以巧妙地进行几种能量变化分析 规定无穷远处原子系统的电势能为零 则原子各能级的能量为负值 即e1 13 6ev r1 0 53 10 10m en rn n2r1 随电子轨道半径的增大 能量增大 另外由经典理论 m知 其动能ekn mv2 即ekn 随n的增大 电子的动能减小 其电势能epn en ekn 随n的增大 原子的电势能增大 3 1一个氢原子从n 3能级跃迁到n 2能级 该氢原子 a 放出光子 能量增加b 放出光子 能量减少c 吸收光子 能量增加d 吸收光子 能量减少 答案b根据玻尔原子理论知 氢原子从高能级n 3向低能级n 2跃迁时 将以光子形式放出能量 放出光子后原子能量减少 故b选项正确 b 3 2 2017北京海淀一模 24 20分 微观世界与宏观世界往往存在奇妙的相似性 对于氢原子模型 因为原子核的质量远大于电子的质量 可以忽略原子核的运动 形成类似天文学中的恒星 行星系统 记为模型 另一种模型认为氢原子的核外电子并非绕核旋转 而是类似天文学中的双星系统 核外电子和原子核依靠库仑力作用使它们同时绕彼此连线上某一点做匀速圆周运动 记为模型 已知核外电子的质量为m 氢原子核的质量为m 二者相距为r 静电力常量为k 电子和氢原子核的电荷量大小均为e 模型 中系统的总动能分别用ek ek 表示 请推理分析 比较ek ek 的大小关系 模型 中核外电子做匀速圆周运动的周期分别用t t 表示 通常情况下氢原子的研究采用模型 的方案 请从周期的角度分析这样简化处理的合理性 答案见解析解析 模型 中 设电子的速度为v 对于电子绕核的运动 根据库仑定律和牛顿第二定律有 1分 解得 ek mv2 2分 模型 中 设电子和原子核的速度分别为v1 v2 电子的轨道半径为r1 原子核的轨道半径为r2 根据库仑定律和牛顿第二定律对电子有 解得ek1 m r1对原子核有 解得ek2 m r2 系统的总动能 ek ek1 ek2 r1 r2 即在这两种模型中 系统的总动能相等 模型 中 根据库仑定律和牛顿第二定律有 mr 解得 模型 中 电子和原子核的周期相同 均为t 根据库仑定律和牛顿第二定律对电子有 m r1 解得 r1 对原子核有 m r2 解得 r2 因r1 r2 r 将以上两式代入 可解得 所以有 因为m m 可得t t 所以采用模型 更简单方便 1 一群氢原子处于量子数为n的激发态时 可能辐射的光谱线条数n 或几种光子的能量 二 氢原子光谱问题分析方法 2 一个原子在一次跃迁时只发出 或吸收 一个光子 3 3氢原子部分能级的示意图如图所示 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原子发光时光子的能量等于原子能级差 先分别计算各相邻的能级差 再由小到大排序 结合可见光的光子能量图可知 有两个能量分别为1 89ev和2 55ev的光子属于可见光 并且属于红光和蓝 靛光的范围 故答案为a a 3 41885年瑞士的中学教师巴耳末发现 氢原子光谱中可见光部分的四条谱线的波长可归纳成一个简单的经验公式 r n为大于2的整数 r为里德伯常量 1913年 丹麦物理学家玻尔受到巴耳末公式的启发 同时还吸取了普朗克的量子假说 爱因斯坦的光子假说和卢瑟福的核式结构原子模型 提出了自己的原子理论 根据玻尔理论 推导出了氢原子光谱谱线的波长公式 r m与n都是正整数 且n m 当m取定一个数值时 不同数值的n得出的谱线属于同一个线系 如 m 1 n 2 3 4 组成的线系叫赖曼系 m 2 n 3 4 5 组成的线系叫巴耳末系