粤教版选修35 第三章 第四节 原子的能级结构 学案.doc

第四节原子的能级结构学习目标1.了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念.2.了解能级跃迁伴随着能量变化，知道能级跃迁过程中吸收或放出光子.3.能通过能级跃迁解释巴耳末系.一、能级结构猜想导学探究为什么氢原子发出的光谱是不连续的？答案因为氢原子内部的能量是不连续的，因此氢原子由高能级向低能级跃迁时，只能放出一定频率的光，且光子的能量等于跃迁的能级差，即hemen.知识梳理1.由氢原子光谱是分立的，我们猜想原子内部的能量也是不连续的.2.原子内部不连续的能量称为原子的能级，原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫做跃迁.3.能级跃迁中的能量关系：hemen.由此可知原子在跃迁前、后的能级分别为em和en.即学即用判断下列说法的正误.(1)氢气放电过程，产生的光谱是连续的.()(2)氢原子内部的能量是不连续的.()(3)氢原子从高能级向低能级跃迁时，只能放出特定频率的光.()(4)氢原子从低能级向高能级跃迁时，吸收光子的频率是任意的.()二、氢原子的能级导学探究(1)氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出的光子的能量如何计算？(2)如图1所示是氢原子的能级图，一群处于n4的激发态的氢原子向低能级跃迁时能辐射出多少种频率不同的光子？图1答案(1)氢原子辐射光子的能量取决于两个能级的能量差hemen(mn).(2)氢原子能级跃迁图如图所示.从图中可以看出能辐射出6种频率不同的光子，它们分别是n4n3，n4n2，n4n1，n3n2，n3n1，n2n1.知识梳理1.氢原子能级表达式en，n1,2,3式中r为里德伯常量，h为普朗克常量，c为光速，n是正整数.2.能级状态(1)基态：在正常状态下氢原子处于最低的能级e1，这个最低能级对应的状态称为基态，氢原子在基态的能量为13.6 ev.(2)激发态：当电子受到外界激发时，可从基态跃迁到较高的能级e2、e3上，这些能级对应的状态称为激发态.且en.3.氢原子能级图(如图2所示)图24.氢光谱线系的形成能级间的跃迁产生不连续的谱线，从不同能级跃迁到某一特定能级就形成一个线系，如巴耳末系是氢原子从n3、4、5能级跃迁到n2的能级时辐射出的光谱.即学即用判断下列说法的正误.(1)玻尔理论能很好地解释氢原子的巴耳末系.()(2)处于基态的原子是不稳定的，会自发地向其他能级跃迁，放出光子.()(3)不同的原子具有相同的能级，原子跃迁时辐射的光子频率是相同的.()(4)玻尔认为原子的能量是量子化的，不能连续取值.()一、对能级结构(玻尔理论)的理解1.轨道量子化(1)轨道半径只能够是一些不连续的、某些分立的数值.(2)氢原子的电子最小轨道半径为r10.053nm，其余轨道半径满足rnn2r1，式中n称为量子数，对应不同的轨道，只能取正整数.2.能量量子化(1)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.(2)基态：原子最低的能量状态称为基态，对应的电子在离核最近的轨道上运动，氢原子基态能量e113.6ev.(3)激发态：除基态之外的其他能量状态称为激发态，对应的电子在离核较远的轨道上运动.氢原子各能级的关系为：ene1(e113.6ev，n1,2,3，)3.跃迁原子从一个能级跃迁到另一个能级时，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量差决定，即高能级em低能级en例1(多选)玻尔在他提出的原子模型中所作的假设有()a.原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做变速运动，但不向外辐射能量b.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的c.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子d.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率答案abc解析a、b、c三项都是玻尔提出来的假设，其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出，也就是“量子化”的概念.原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应，是经典理论与量子化概念的结合.原子辐射的能量与电子在某一可能轨道上绕核的运动无关.例2氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道的过程中()a.原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大b.原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小c.原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小d.原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大答案d解析根据玻尔理论，氢原子核外电子在离核较远的轨道上运动能量较大，必须吸收一定能量的光子后，电子才能从离核较近的轨道跃迁到离核较远的轨道，故b错误；氢原子核外电子绕核做圆周运动，由原子核对电子的库仑力提供向心力，即：km，又ekmv2，所以ek.由此式可知：电子离核越远，即r越大时，电子的动能越小，故a、c错误；r变大时，库仑力对核外电子做负功，因此电势能增大，从而判断d正确.针对训练1(多选)按照玻尔原子理论，下列表述正确的是()a.核外电子运动轨道半径可取任意值b.氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大c.电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hemen(mn)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eknmv电子轨道半径越大，电子绕核运动的动能越小.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，相邻能级差越小，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)如图3所示是氢原子的能级图，大量处于n4激发态的氢原子向低能级跃迁时，一共可以辐射出6种不同频率的光子，其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n2能级跃迁时释放的光子，则()图3a.6种光子中波长最长的是n4激发态跃迁到基态时产生的b.6种光子中有2种属于巴耳末系c.使n4能级的氢原子电离至少要0.85ev的能量d.若从n2能级跃迁到基态释放的光子能使某金属板发生光电效应，则从n3能级跃迁到n2能级释放的光子也一定能使该板发生光电效应答案bc解析n4激发态跃迁到基态时产生光子的能量最大，根据eh知，波长最短，故a错误；其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n2能级跃迁时释放的光子，6种光子中从n42与n32的属于巴耳末系，即2种，故b正确；n4能级的氢原子具有的能量为0.85ev，故要使其发生电离能量变为0，至少需要0.85ev的能量，故c正确；从n2能级跃迁到基态释放的光子能量为13.6ev3.4ev10.2ev，若能使某金属板发生光电效应，从n3能级跃迁到n2能级释放的光子能量3.4ev1.51ev1.89ev10.2ev，不一定能使该板发生光电效应，故d错误.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4a.15种b.10种c.4种d.1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.(玻尔理论中的能量量子化的理解)根据玻尔理论，关于氢原子的能量，下列说法中正确的是()a.是一系列不连续的任意值b.是一系列不连续的特定值c.可以取任意值d.可以在某一范围内取任意值答案b2.(对玻尔理论的理解)氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下列判断正确的是()a.电子绕核旋转的轨道半径增大b.电子的动能减少c.氢原子的电势能增大d.氢原子的能级减小答案d解析氢原子辐射出光子后，由高能级跃迁到低能级，轨道半径减小，电子动能增大，此过程中库仑力做正功，电势能减小.3.(能级跃迁规律及应用)(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bac，所以b的粒子性最强d.波长关系为bac答案abc解析从图中可以看出电子在三种不同能级跃迁时，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ba2.25ev，从n2跃迁到n1辐射的光子能量为13.6ev3.4ev10.2ev2.25ev，从n3跃迁到n2辐射的光子能量为3.4ev1.51ev1.89ev2.25ev，所以能发生光电效应的光有两种，故b错误；从n3跃迁到n1辐射的光子能量最大，发生光电效应时，产生的光电子最大初动能最大，根据光电效应方程得，ekmhw012.09ev2.25ev9.84ev，故c、d正确.8.如图3所示是氢原子的能级图，大量处于n5激发态的氢原子向低能级跃迁时，一共可以辐射出10种不同频率的光子.其中莱曼系是指氢原子由高能级向n1能级跃迁时释放的光子，则()图3a.10种光子中波长最短的是从n5激发态跃迁基态时产生的b.10种光子中有4种属于莱曼系c.使n5能级的氢原子电离至少要0.85ev的能量d.从n2能级跃迁到基态释放光子的能量等于从n3能级跃迁到n2能级释放光子的能量答案ab解析由n5激发态跃迁到基态时产生的光子能量最大，频率最高，波长最短，a项正确.51、41、31和21跃迁时释放的4种光子属于莱曼系，b项正确.使n5能级的氢原子电离至少要0.54 ev的能量，c项错误.从n2能级跃迁到基态释放光子的能量为3.4 ev(13.6 ev)10.2 ev，从n3能级跃迁到n2能级释放光子的能量为1.51 ev(3.4 ev)1.89 ev，d项错误.9.氢原子能级图如图4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4a.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的光子能量等于两能级间的能级差，能级差越大，辐射的光子频率越大，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.10.如图5所示，用光子能量为e的单色光照射容器中大量处于基态的氢原子，发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为1、2、3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为()图5a.h1b.h3c.h1h2d.h1h2h3答案bc解析氢原子吸收光子能向外辐射三种不同频率的光子，可知氢原子被单色光照射后跃迁到第3能级，吸收的光子能量等于两能级间的能级差，即单色光的能量eh3，又h3h1h2，故b、c正确，a、d错误.二、非选择题11.如图6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，图6(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(已知普朗克常量h6.631034js，电子电荷量e1.61016c，真空中光速c3.0108m/s)?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he4e30.85(1.51) ev0.66 ev，m1.88106 m.12.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7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7(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)发生光电效应时，光电子的最大初动能最大是多少？答案(1)3种(2)