原子的能级结构(4)

1、第四节第四节 19 19世纪末世纪末2020世纪初，人类叩开了微观世界的大门，世纪初，人类叩开了微观世界的大门，物理学家根据研究提出了关于原子结构的各种模型，物理学家根据研究提出了关于原子结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释实验现象，得卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释实验现象，得到了多数人的支持，但是与经典的电磁理论发生了矛到了多数人的支持，但是与经典的电磁理论发生了矛盾盾著名的著名的 粒子散射实验粒子散射实验知识回顾及问题的提出知识回顾及问题的提出 根据经典电磁理论，电子绕根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁

2、波的电子将不断向外辐射电磁波 . . vFree+ + 原子不断地向外辐射能量，原子不断地向外辐射能量，能量逐渐减小，电子绕核旋转的能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，发射光谱应是频率也逐渐改变，发射光谱应是连续谱连续谱. . 由于原子总能量减小，电子由于原子总能量减小，电子将逐渐的接近原子核而后相遇，将逐渐的接近原子核而后相遇，原子不稳定原子不稳定 . .e+ +e 矛盾表明矛盾表明: :从宏观现象总结出来的从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。物体产生的微观现象。原子光谱的分立性原子光谱的分立性：发射电磁波的频率等于

3、发射电磁波的频率等于电子绕核转动的频率电子绕核转动的频率电子作螺旋运动的频率电子作螺旋运动的频率连续变化连续变化光谱为连续光谱。光谱为连续光谱。提出问题提出问题: :氢原子光谱的各谱线波长之间的规氢原子光谱的各谱线波长之间的规律是找到了，但为什么氢原子发出的光谱是不律是找到了，但为什么氢原子发出的光谱是不连续的？形成原子光谱的原因又是什么呢？连续的？形成原子光谱的原因又是什么呢？一、能级结构猜想一、能级结构猜想猜想猜想：因氢原子光谱是分立的，我们猜想原子内部：因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。的能量也是不连续的。能级：能级：原子内部不连续的能量称为原子的能级。原子内部不

4、连续的能量称为原子的能级。跃迁跃迁：原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫：原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫做跃迁。做跃迁。 hv= Em En说明：说明：处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁，处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁，并且在这个过程中辐射光子并且在这个过程中辐射光子 。反之，原子吸收了特。反之，原子吸收了特定频率的光子或者通过其他途径获得能量时便可以定频率的光子或者通过其他途径获得能量时便可以从低能级向高能级跃迁。从低能级向高能级跃迁。 二、氢原子的能级二、氢原子的能级)()(1nTmT 由由 知道，氢原子辐射光谱的知道，氢原子辐射光谱的波长取决于两光谱项之差；而波长取决于

5、两光谱项之差；而 式则揭式则揭示出氢原子辐射光的频率取决于两能级之差。能级与示出氢原子辐射光的频率取决于两能级之差。能级与光谱项之间会有什么关系吗？光谱项之间会有什么关系吗？ hv= EmEn 最先得出氢原子能级表达式的，是丹麦物最先得出氢原子能级表达式的，是丹麦物理学家玻尔，他在吸取前人思想的基础上，通理学家玻尔，他在吸取前人思想的基础上，通过大胆假设，推导出氢原子的能级满足：过大胆假设，推导出氢原子的能级满足：En = -Rhc/n2，n=1，2，3 式子表明，氢原子的能量式子表明，氢原子的能量是不连续是不连续的，只能取的，只能取一些定值，也就是说氢原子的能量是量子化的，因一些定值，也就是

6、说氢原子的能量是量子化的，因此此n n也被称为能量量子数。也被称为能量量子数。（以无穷远作为零电势参考位置的能量关系）（以无穷远作为零电势参考位置的能量关系）补充公式补充公式原子各定态的能量值叫做原子的能级。对原子各定态的能量值叫做原子的能级。对于氢原子，其于氢原子，其能级公式为：能级公式为：对应的对应的轨道半径关系轨道半径关系为：为： n n = n= n2 2 r r1 1其中，其中，n n称为量子数称为量子数，只能取正整数，只能取正整数E E1 1= =13.6eV13.6eV，r r1 1=0.53=0.5310101010m m21nEEn-13.6-13.6-3.4-3.4-1.5

7、1-1.51-0.85-0.85-0.54-0.540 eV0 eVn nE E以无穷远处为参考位置以无穷远处为参考位置0eV0eV10.2eV10.2eV12.1eV12.1eV12.8eV12.8eV吸收能量吸收能量放出能量放出能量氢原子能级结构氢原子能级结构10.4eV的能量能否使氢原子从基态的能量能否使氢原子从基态-13.6eV跃迁到第跃迁到第2能级？能级？思考：思考：一群氢原子处于量子数为一群氢原子处于量子数为n n的激发态时，的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为：可能辐射出的光谱线条数为：22) 1(nCnnN-13.6eV-13.6eV-3.4eV-3.4eV-1.51eV-1.

8、51eV-0.85eV-0.85eV1 12 23 34 41E1n2n3n4n2E3E4E（1 1）正确地指出正确地指出原子能级原子能级的存在（原子能量量子化）的存在（原子能量量子化）（2 2）正确地指出正确地指出定态定态和和角动量量子化角动量量子化的概念；的概念；（3 3）正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；四、氢原子玻尔理论的意义和困难四、氢原子玻尔理论的意义和困难（4 4）无法解释无法解释比氢原子更复杂的原子；比氢原子更复杂的原子；（5 5）把微观粒子的运动视为有确定的把微观粒子的运动视为有确定的轨道轨道是不正确的是不正确的（6 6）是是半半经典经典半半

9、量子量子理论，存在逻辑上的缺点，即把理论，存在逻辑上的缺点，即把 微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又 赋予它们量子化的特征赋予它们量子化的特征 . .4 4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象原子发光现象。总结：总结：能级特点能级特点1 1、能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级能级。（从能

10、级图中总结各定态的能量特点）（从能级图中总结各定态的能量特点）2 2、基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电基态：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，这种定态叫子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态基态。3 3、激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做做激发态激发态。5 5、能级间的跃迁产生不连续的谱线，从不同能级跃迁、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；比如：巴耳末系就到某一特定能级就形成一个线系；比如：巴耳末系就是氢原子从是氢原子从n=3,4,5n=3,4,5等能级跃迁到

11、等能级跃迁到n=2n=2的能级时辐射出的能级时辐射出的光谱。的光谱。五、思考与研讨五、思考与研讨 1 1、能级间发生跃迁时，所需能量是从哪些、能级间发生跃迁时，所需能量是从哪些方面可以获得？若是吸收（辐射）光子的频率方面可以获得？若是吸收（辐射）光子的频率能是任意的吗？若吸收的能量超过能是任意的吗？若吸收的能量超过13.6ev13.6ev（如：（如：16.6ev)16.6ev)，电子会处于何种状态？，电子会处于何种状态？特别说明：特别说明：hh=E=E初初E E终终适用于光子和原子适用于光子和原子作用而使原子在作用而使原子在各定态之间跃迁各定态之间跃迁的情况，对于的情况，对于光子和原子作用而光

12、子和原子作用而使原子电离使原子电离和实物粒子与原和实物粒子与原子作用而子作用而使原子激发使原子激发的情况，则不受此条件的的情况，则不受此条件的限制。限制。2 2、对玻尔理论的下列说法中，正确的是（、对玻尔理论的下列说法中，正确的是（ ） A A、继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量、继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设和电子轨道引入了量子化假设 B B、对经典电磁理论中关于、对经典电磁理论中关于“做加速运动的电做加速运动的电荷要辐射电磁波荷要辐射电磁波”的观点提出了异议的观点提出了异议 C C、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与

13、原子能量变化之间的定量关系原子能量变化之间的定量关系 D D、玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用、玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用经典电磁理论和牛顿力学计算出来的经典电磁理论和牛顿力学计算出来的ABCDABCD五、思考与研讨五、思考与研讨3 3、下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法、下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是（是（ ） A A、原子只能处于一系列不连续的状态中，、原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量每个状态都对应一定的能量 B B、原子中，虽然核外电子不断做加速运动，、原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变，就会向外辐射能量但只要能

14、量状态不改变，就会向外辐射能量 C C、原子从一种定态跃迁到另一种定态时，、原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子一定要辐射一定频率的光子 D D、原子的每一个能量状态都对应一个电子、原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的轨道，并且这些轨道是不连续的 BC BC五、思考与研讨五、思考与研讨4 4、根据玻尔理论，氢原子中，量子数、根据玻尔理论，氢原子中，量子数N N越大，则下列越大，则下列说法中正确的是（说法中正确的是（ ）A A、电子轨道半径越大、电子轨道半径越大 B B、核外电子的速率越大、核外电子的速率越大C C、氢原子能级的能量越大、氢原子能级

15、的能量越大 D D、核外电子的电势能越大、核外电子的电势能越大5 5、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半径（径（ ）A A、可以取任意值、可以取任意值 B B、可以在某一范围内取任意值、可以在某一范围内取任意值C C、可以取一系列不连续的任意值、可以取一系列不连续的任意值D D、是一系列不连续的特定值、是一系列不连续的特定值D DACDACD五、思考与研讨五、思考与研讨5 5、按照玻尔理论，一个氢原子中的电、按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为子从一半径为r ra a的圆轨道自发地直接跃的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为迁到一半径为r r

16、b b的圆轨道上，已知的圆轨道上，已知r ra a r rb b，则在此过程中（，则在此过程中（ ） A A、原子要发出一系列频率的光子、原子要发出一系列频率的光子 B B、原子要吸收一系列频率的光子、原子要吸收一系列频率的光子 C C、原子要发出某一频率的光子、原子要发出某一频率的光子 D D、原子要吸收某一频率的光子、原子要吸收某一频率的光子C C五、思考与研讨五、思考与研讨六、玻尔简介六、玻尔简介尼尔斯尼尔斯 玻尔丹麦玻尔丹麦（1885-19621885-1962年）年） 1885 1885 年，玻尔年，玻尔(Bohr) (Bohr) 出生于丹出生于丹麦哥本哈根。他的父亲是哥本哈根大学一

17、麦哥本哈根。他的父亲是哥本哈根大学一名杰出的生理学教授，。父母从小便很关心名杰出的生理学教授，。父母从小便很关心玻尔，使他的天赋得以充分发挥。玻尔，使他的天赋得以充分发挥。 1903 1903 年，年，玻尔入读哥本哈根大学，主修物理学。玻尔玻尔入读哥本哈根大学，主修物理学。玻尔尚未毕业时，便巳经锋芒毕露，他通过观察尚未毕业时，便巳经锋芒毕露，他通过观察喷射的水流就能精密测量出水的表面张力。喷射的水流就能精密测量出水的表面张力。 1909 1909 年，玻尔获理科硕士学位，年，玻尔获理科硕士学位，1911 1911 年获年获哲学博士学位。哲学博士学位。 爱因斯坦对量子力学的概率解释感到不满，爱因斯坦对量子力学的概率解释感到不满，他曾在写给玻尔他曾在写给玻尔 的信中提到的信中提到: : 量子力