福建省长泰一中高三物理 第二章 第1讲 原子结构 氢原子光谱复习课件 新人教版选修35.ppt

第二章原子结构原子核第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 正电荷 质量 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 粒子散射实验 2 三种原子模型的对比 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 考点2氢原子光谱与玻尔理论 波长 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 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 10 107m 1 n为量子数 亮线 光带 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h h是普朗克常量 h 6 63 10 34j s 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h em en的说明原子跃迁条件h 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 en ekn epn 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 所以ekn 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 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 53 10 10m 考点3氢原子的能级 能级公式 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n 2 一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为 n 1 1 产生条件入射光的频率 金属的极限频率 考点4光电效应 大于 2 光电效应规律 1 每种金属都有一个极限频率 入射光的频率必须 这个极限频率才能产生光电效应 2 光电子的最大初动能与入射光的 无关 只随入射光频率的增大而 3 光电效应的发生 的 一般不超过10 9s 4 当入射光的频率大于极限频率时 饱和光电流的强度与入射光的强度成 大于 强度 增大 几乎是瞬时 正比 1 对光电效应现象的三点说明 1 光电效应的实质是光现象转化为电现象 2 光电效应中的照射光包括可见光和不可见光 3 照射光的频率决定着是否发生光电效应及光电子的最大初动能 2 对光电子的理解光电子是金属表面受光照射逸出的电子 光电子也是电子 与光子不同 光子的本质是光 1 基本物理量 1 光子的能量 其中h 6 63 10 34j s 称为普朗克常量 2 逸出功w0 使电子脱离某种金属所做功的 3 最大初动能 发生光电效应时 金属表面上的 吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值 考点5光电效应方程 h 最小值 电子 2 光电效应方程光电子的最大初动能ek与入射光光子的能量h 和逸出功w0之间的关系 ek h w0 1 对光电效应规律的解释 2 用图象表示光电效应方程 1 最大初动能ek与入射光频率 的关系图线如图 2 由图线可以得到的物理量 极限频率 图线与 轴交点的横坐标 0 逸出功 图线与ek轴交点的纵坐标的值w0 e e 普朗克常量 图线的斜率k h 1 光电效应说明光具有 性 同时光还具有 性 即光具有波粒二象性2 大量光子运动的规律表现出光的 性 单个光子的运动表现出光的 性3 光的波长越长 越明显 越容易看到光的干涉和衍射现象 光的频率越高 越明显 穿透本领越强 考点6光的波粒二象性 粒子 波动 波动 粒子 波动性 粒子性 对光的波粒二象性的进一步说明光既有波动性 又有粒子性 两者不是孤立的 而是有机的统一体 其表现规律为 1 从数量上看 个别光子的作用效果往往表现为粒子性 大量光子的作用效果往往表现为波动性 2 从频率上看 频率越低波动性越显著 越容易看到光的干涉和衍射现象 频率越高粒子性越显著 越不容易看到光的干涉和衍射现象 贯穿本领越强 3 从传播与作用上看 光在传播过程中往往表现出波动性 在与物质发生作用时往往表现为粒子性 4 波动性与粒子性的统一 由光子的能量e h 光子的动量p 表达式也可以看出 光的波动性和粒子性并不矛盾 表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量 频率 和波长 5 理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波 也不可把光当成宏观概念中的粒子 热点考向1原子结构与 粒子散射实验 例证1 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 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 热点考向2能级跃迁与光谱线 例证2 2012 厦门模拟 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长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 解题指南 解答本题可按下列思路分析 规范解答 选d 由e h h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错 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 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cn2 3 能级之间发生跃迁时放出 吸收 光子的频率由h em en求得 若求波长可由公式c 求得 4 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h 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h 大于或小于e末 e初时都不能被原子吸收 5 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 6 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 7 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 热点考向3光电效应规律的理解 例证3 2011 上海高考 用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应 可能使该金属产生光电效应的措施是 a 改用频率更小的紫外线照射b 改用x射线照射c 改用强度更大的原紫外线照射d 延长原紫外线的照射时间 解题指南 解答本题时应理解能否使某金属产生光电效应只由光的频率决定 自主解答 选b 每一种金属对应一个极限频率 低于极限频率的光 无论照射时间有多长 光的强度有多大 都不能使金属产生光电效应 只要照射光的频率大于极限频率 就能产生光电效应 因为x射线的频率高于紫外线的频率 所以改用x射线照射可能发生光电效应 b选项正确 总结提升 解答关键在于理解光电效应的规律 掌握光电效应发生的条件 对易错选项及错误原因具体分析如下 热点考向4能级跃迁与光电效应的综合 例证4 2012 龙岩模拟 如图所示为氢原子的能级图 当氢原子从n 4的能级跃迁到n 2的能级时 辐射出光子a 当氢原子从n 3的能级跃迁到n 1的能级时 辐射出光子b 则下列判断正确的是 a 光子a的能量大于光子b的能量b 光子a的波长小于光子b的波长c b光比a光更容易发生衍射现象d 若光子a能使某金属发生光电效应 则光子b也一定能使该金属发生光电效应 解题指南 解答本题应明确以下两个方面 1 由能级图判断两个能级间跃迁的能量大小关系 2 由光子说来判断波长或频率的大小 从而判断衍射情况及光电效应的问题 自主解答 选d 根据跃迁规律可知 高能级向低能级跃迁时 辐射光子的能量等于这两个能级差 由氢原子的能级图可知从n 4的能级向n 2的能级跃迁时辐射出的光子能量小于从n 3的能级向n 1的能级跃迁时的能量 因此光子a的能量小于光子b的能量 a错 由光电效应的产生条件知d对 由e 知 光子a的波长大于光子b的波长 b错 a光比b光更容易发生衍射现象 c错 总结提升 关于能级跃迁与光电效应综合问题解题技巧 1 由能级跃迁的能量差来比较两种粒子的波长和频率的大小关系 2 由波长情况来判断干涉与衍射的相关问题 3 由频率情况判断光电效应的发生条件 利用光电效应方程分析计算光电子的最大初动能 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 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h 1 h 2b 辐射光子的能量为h 1 h 2c 吸收光子的能量为h 2 h 1d 辐射光子的能量为h 2 h 1 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 2大于红光频率 1 所以h 2 h 1 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 h 2 h 1 故d正确 2 2013 南平模拟 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 电子的动能增加 原子的电势能增加 原子的能量增加b 原子要放出光子 电子的动能减少 原子的电势能减少 原子的能量减少c 原子要吸收光子 电子的动能减少 原子的电势能减少 原子的能量不变d 原子要吸收光子 电子的动能减少 原子的电势能增加 原子的能量增加 解析 选d 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 向高能级跃迁 要吸收光子 电子运动半径变大 据得 可知电子的动能减少 电场力做负功 电势能增加 故选d 3 用频率为 0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 1 2 3的三条谱线 且 3 2 1 则 a 0 1b 3 2 1c 0 1 2 3d 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 h 0 h 3 h 2 h 1 解得 0 3 2 1 故选项b正确 4 2013 厦门模拟 用一束单色光照射处于基态的一群氢原子 这些氢原子吸收光子后处于激发态 并能发射光子 现测得这些氢原子发射的光子波长仅有三种 分别为 1 2和 3 且 1 2 3 则入射光子的能量应为 a b c d 解析 选a 一群氢原子发射的光子波长仅有三种 因此氢原子吸收光子后处于n 3的激发态 则入射光子的能量应等于从n 3的激发态跃迁到基态放出的光子能量 即e 故选a 5 2011 广东高考 光电效应实验中 下列表述正确的是 a 光照时间越长光电流越大b 入射光足够强就可以有光电流c 遏止电压与入射光的频率无关d 入射光频率大于极限频率才能产生光电子 解析 选d 要产生光电效应入射光的频率必须大于最小频率 即极限频率 当入射光的频率小于极限频率时 不管光的强度多大都不会产生光电效应 与光照时间无关 故d正确 a b错误 对同一种金属 入射光的频率越大 光电子的最大初动能越大 需要的遏止电压越大 c错误 6 2013 福州模拟 1905年是爱因斯坦的 奇迹 之年 这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文 其中关于光量子的理论成功地解释了光电效应现象 关于光电效应 下列说法正确的是 a 当入射光的频率高于极限频率时 不能发生光电效应b 当入射光的波长小于极限波长时 能发生光电效应c 光电子的最大初动能与入射光的强度成正比d 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 解析 选b 发生光电效应的条件是入射光光子能量应大于金属表面的逸出功 则入射光频率大于极限频率 波长小于极限波长 a错b对 由爱因斯坦光电效应方程可知光电子的最大初动能与入射光的强度无关 随入射光频率的增大而增大 而不是成正比 c d错 故选b 7 在光电效应实验中 飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线 甲光 乙光 丙光 如图所示 则可判断出 a 甲光的频率大于乙光的频率b 乙光的波长大于丙光的波长c 乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率d 甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 解析 选b 由图象知甲光 乙光对应的遏止电压uc2相等 且小于丙光对应的遏止电压uc1 所以甲光和乙光对应的光电子最大初动能相等且小于丙光的光电子最大初动能 故d项错误 根据爱因斯坦光电效应方程ek h w0知甲光和乙光的频率相等 且小于丙光的频率 故a错误 b正确 而截止频率是由金属决定的 与入射光无关 故c错误 8 用波长为2 0 10 7m的紫外线照射钨的表面 释放出来的光电子中最大的动能是4 7 10 19j 由此可知 钨的极限频率是 普朗克常量h 6 63 10 34j s 光速c 3 0 108m s 结果取两位有效数字 a 5 5 1014hzb 7 9 1014hzc 9 8 1014hzd 1 2 1015hz 解析 选b 根据光电效应方程ekm h w0 在恰好发生光电效应时最大初动能为0 有h 0 w0 且c 化简得 0 7 9 1014hz 故b正确 9 用极微弱的可见光做双缝干涉实验 随着时间的增加 在屏上先后出现如图甲 乙 丙所示的图像 则以下说法错误的是 a 图像甲表明光具有粒子性b 图像丙表明光具有波动性c 用紫外光观察不到类似的图像d 实验表明光是一种概率波 解析 选c 少数光子的行为表现出光的粒子性 a正确 大量光子的行