高中物理 18.4 玻尔的原子模型课件 新人教版选修35.ppt

4玻尔的原子模型 1 知道玻尔原子理论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 3 能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型 4 了解玻尔模型的不足之处及其原因 重点 1 玻尔理论的基本假设 2 能级 跃迁 氢原子能级图和有关计算 难点 用玻尔理论解释氢原子光谱 一 玻尔原子理论的基本假设1 玻尔原子模型 1 原子中的电子在 的作用下 绕 做圆周运动 2 电子绕核运动的轨道是 a 连续变化b 量子化 的 3 电子在这些轨道上绕核的转动是 的 不产生 库仑引力 原子核 b 稳定 电磁辐射 2 定态 1 当电子在不同轨道上运动时 原子处于不同的状态中 具有不同的能量 即原子的能量是 的 这些量子化的能量值叫做 2 原子中这些具有确定能量的稳定状态 称为 能量最低的状态叫做 其他的能量状态叫做 量子化 能级 定态 基态 激发态 3 跃迁 当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 能量记为en m n 时 会放出能量为h 的光子 该光子的能量h 该式被称为频率条件 又称辐射条件 em en 判一判 1 玻尔的原子结构假说认为电子的轨道是量子化的 2 电子吸收某种频率条件的光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态 3 电子能吸收任意频率的光子发生跃迁 提示 1 玻尔提出了电子轨道是量子化的 1 正确 2 电子吸收某种频率条件的光子会从低能级跃迁到高能级 2 正确 3 电子只能吸收符合某种频率条件的光子 3 错误 二 玻尔理论对氢光谱的解释1 解释巴耳末公式 1 按照玻尔理论 从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量为h 2 巴耳末公式中的正整数n和2正好代表能级跃迁之前和之后所处的 的量子数n和2 并且理论上的计算和实验测量的 符合得很好 em en 定态轨道 里德伯常量 2 解释氢原子光谱的不连续性 原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后 由于原子的能级是 的 所以放出的光子的能量也是 的 因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线 两能级差 分立 分立 想一想 根据巴耳末公式计算出的氢原子光谱线是玻尔模型中电子怎样跃迁发出的 提示 巴耳末公式代表的是电子从量子数n 3 4 5 的能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线 三 玻尔理论的局限性1 玻尔理论的成功之处 玻尔理论第一次将 引入原子领域 提出了定态和跃迁的概念 成功地解释了 光谱的实验规律 2 玻尔理论的局限性 过多地保留了 即保留经典粒子的观念 把电子的运动看做经典力学描述下的轨道运动 量子观念 氢原子 经典理论 3 电子云 原子中的电子没有确定的坐标值 我们只能描述电子在某个位置出现 的大小 把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时 这种图象就像 一样分布在原子核周围 故称 概率 云雾 电子云 想一想 电子在核外的运动真的有固定轨道吗 玻尔理论中的轨道量子化又如何解释 提示 在原子内部 电子绕核运动并没有固定的轨道 只不过当原子处于不同的定态时 电子出现在rn n2r1处的几率大 玻尔理论的理解 探究导引 玻尔是丹麦物理学家 他于1913年在原子结构问题上迈出了革命性的一步 提出了自己的原子结构假说 请思考以下问题 1 电子的轨道半径是连续的吗 2 氢原子的能量是连续的吗 3 电子发生跃迁时 一定吸收光子吗 要点整合 1 轨道量子化 轨道半径只能够是一些不连续的 某些分立的数值 例如 氢原子的电子最小轨道半径为r1 0 053nm 其余可能的轨道半径还有0 212nm 0 477nm 不可能出现介于这些轨道半径之间的其他值 这样的轨道形式称为轨道量子化 2 能量量子化 与轨道量子化对应的能量不连续的现象 1 电子在可能轨道上运动时 尽管是变速运动 但它并不释放能量 原子是稳定的 这样的状态也称之为定态 2 由于原子的可能状态 定态 是不连续的 具有的能量也是不连续的 这样的能量形式称为能量量子化 3 跃迁 原子从一种定态 设能量为e2 跃迁到另一种定态 设能量为e1 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h e2 e1 或e1 e2 可见 电子如果从一个轨道到另一个轨道 不是以螺旋线的形式改变半径大小的 而是从一个轨道上 跳跃 到另一个轨道上 玻尔将这种现象叫做电子的跃迁 特别提醒 1 根据玻尔的原子理论假设 电子只能在某些可能的轨道上运动 电子在这些轨道上运动时不辐射能量 2 电子从低能级向高能级跃迁时 吸收一定频率的光子 从高能级向低能级跃迁时 辐射一定频率的光子 典例1 2012 烟台高二检测 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 思路点拨 解答该题应把握以下三点 关键点 1 电子向高能级跃迁时 需要吸收光子 向低能级跃迁时 放出光子 2 电子绕核运动是匀速圆周运动 库仑力提供向心力 3 电子跃迁时 库仑力做正功 电势能减小 库仑力做负功 电势能增大 规范解答 选d 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 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 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 由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 总结提升 巧解氢原子的结构问题 1 求解电子在某条轨道上的运动动能时 要将玻尔的轨道理论与电子绕核做圆周运动的向心力结合起来 即用两公式结合判定 2 求解氢原子要吸收一定频率的光子跃迁时 原子在各定态之间跃迁时原子跃迁条件h em en 一次跃迁只能吸收一个光子的能量 且光子能量恰好等于两能级之差 当原子向电离态跃迁时 吸收的能量大于或等于原子所处能级的能量的绝对值 即h e em 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 变式训练 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 核外电子受力变小b 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 解析 选b d 由玻尔理论知 当电子由离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时 要放出能量 故要放出一定频率的光子 电子的轨道半径减小了 由库仑定律知 它与原子核之间的库仑力增大了 故a c错 b d正确 变式备选 按照玻尔理论 当氢原子中电子由半径为ra的圆轨道跃迁到半径为rb的圆轨道上时 若rb ra 则在跃迁过程中 a 氢原子要吸收一系列频率的光子b 氢原子要辐射一系列频率的光子c 氢原子要吸收一定频率的光子d 氢原子要辐射一定频率的光子 解析 选d 因为是从高能级向低能级跃迁 所以应放出光子 因此可排除a c 直接 从一能级跃迁至另一能级 只对应某一能级差 故只能辐射某一频率的光子 故选d 原子能级和能级跃迁的理解 探究导引 如图是氢原子的能级图 根据能级图思考以下问题 1 左边的1 2 3 是什么数 2 右边的一组负数的物理意义是什么 单位是什么 3 能级图的横线和有箭头的竖线的物理意义是什么 要点整合 1 能级图中n称为量子数 e1代表氢原子的基态能量 即量子数n 1时对应的能量 其值为 13 6ev en代表电子在第n个轨道上运动时的能量 2 能级跃迁 处于激发态的原子是不稳定的 它会自发地向较低能级跃迁 经过一次或几次跃迁到达基态 所以一群氢原子处于量子数为n的激发态时 可能辐射出的光谱线条数为 3 光子的发射 原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量 发射光子的频率由下式决定 h em en em en是始末两个能级且m n 能级差越大 放出光子的频率就越高 4 使原子能级跃迁的两种粒子 光子与实物粒子 1 原子若是吸收光子的能量而被激发 其光子的能量必须等于两能级的能量差 否则不被吸收 不存在激发到n能级时能量有余 而激发到n 1时能量不足 则可激发到n能级的问题 2 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部分地被原子吸收 所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值 e en ek 就可使原子发生能级跃迁 特别提醒 1 当一个氢原子从某一轨道向另一轨道跃迁时 可能的情况只有一种 但大量的氢原子就会出现多种情况 2 使处于基态或激发态的原子的核外电子跃迁到n 时 称为电离 所需能量称为电离能 典例2 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 思路点拨 解答此题应注意以下三点 关键点 1 红光的频率小于紫光的频率 频率大的光子能量较大 2 判断能级k和能级m能量的大小 3 计算能级k和能级m 能级m和能级n 能级k和能级n的能级差 规范解答 选d 由跃迁假设及题意可知 h 1 em en h 2 ek en 红光的频率 1小于紫光的频率 2 所以能级k能量大于能级m能量 所以从能级k到能级m需要辐射光子 a c项错 h 3 ek em 解三式得 h 3 h 2 h 1 d项正确 变式训练 2012 江苏高考 如图所示是某原子的能级图 a b c为原子跃迁所发出的三种波长的光 在下列该原子光谱的各选项中 谱线从左向右的波长依次增大 则正确的是 解析 选c 根据 e h 能级差越大 波长越小 所以a的波长最小 b的波长最大 答案选c 变式备选 已知氢原子基态的电子轨道半径为r1 0 53 10 10m 基态的能级值为e1 13 6ev 1 有一群氢原子处于量子数n 3的激发态 画一能级图 在图上用箭头标明这些氢原子能发出几条光谱线 2 计算这几条光谱线中最长的波长 解析 1 这群氢原子的自发跃迁辐射会得到三条光谱线 如图所示 2 波长最长的光谱线是从n 3的能级向n 2的能级跃迁产生的 则有 所以 6 58 10 7m答案 1 见解析 2 6 58 10 7m 温馨提示 能级跃迁问题是近几年高考的热点 解答这类问题要注意区分跃迁的原因是光子照射还是电子碰撞 还要领悟什么是跃迁 什么是电离等 典例 1 欲使处于基态的氢原子激发 下列措施可行的是 a 用12 09ev的光子照射b 用13ev的光子照射c 用14ev的光子照射d 用13ev的电子碰撞 2 欲使处于基态的氢原子电离 下列措施可行的是 a 用13 6ev的光子照射b 用15ev的光子照射c 用13 6ev的电子碰撞d 用15ev的电子碰撞 解题流程 解答本题可按以下思路分析 光子照射氢原子 跃迁时 光子的能量等于能级差 电离时 光子的能量大于等于电离能 电子碰撞氢原子 跃迁时 电子能量大于或等于能级差 电离时 电子能量大于电离能 规范解答 1 选a c d 由跃迁条件知氢原子受激发跃迁时 只能吸收能量值刚好等于某两能级之差的光子 根据氢原子能级图不难算出12 09ev刚好为氢原子n 1和n 3的两能级差 而13ev则不是氢原子基态和任一激发态的能量之差 因此氢原子只能吸收前者 而不能吸收后者 对于14ev的光子则足以使氢原子电离 电离后的自由电子还具有0 4ev的动能 至于13ev的电子 它的能量通过碰撞可以全部或部分地被氢原子吸收 综上所述 选项a c d正确 2 选a b d 基态氢原子的电离能为13 6ev 则13 6ev的光子被氢原子吸收刚好电离 同理 15ev的光子和15ev的电子均可供氢原子电离 至于13 6ev的电子 由于电子和氢原子的质量不同 因此两者碰撞时电子不可能把13 6ev的能量全部传递给氢原子 因此用13 6ev的电子碰撞氢原子时 氢原子不能电离 通过以上分析可知选项a b d正确 解答原子跃迁问题应注意的三个方面 1 注意一群原子和一个原子 氢原子核外只有一个电子 这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上 在某段时间内 由某一轨道跃迁到另一个轨道时 可能的情况只有一种 但是如果容器中盛有大量的氢原子 这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现 2 注意直接跃迁与间接跃迁 原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时 有时可能是直接跃迁 有时可能是间接跃迁 两种情况辐射 或吸收 光子的频率不同 3 注意跃迁与电离 h em en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