2017-2018学年高中物理第二章原子结构第4节玻尔的原子模型能级教学案教科版选修3-

1、第 4 节玻尔的原子模型能级、波尔的原子结构理论(1)电子围绕原子核运动的轨道不是任意的，而是一系列分立的、特定的轨道，当电子在这些轨道上运动时， 原子是稳定的，不向外辐射能量，也不吸收能量，这些状态称为定态。(2) 当原子中的电子从一定态跃迁到另一定态时，才发射或吸收一个光子，其光子的能量 hV= En Em,其中 En、Em分别是原子的高能级和低能级。(3) 以上两点说明玻尔的原子结构模型主要是指轨道量子化和能量量子化。特别提醒“跃迁”可以理解为电子从一种能量状态到另一种能量状态的瞬间过渡。二、用玻尔的原子结构理论解释氢光谱1 玻尔的氢原子能级公式EiVAEn=2(n = 1,2,3，)，

2、其中 Ei= 13.6 eV，称基态。2 玻尔的氢原子中电子轨道半径公式rn= n2r1(n = 1,2,3，)，其中 门=0.53X10*m。3.玻尔理论对氢光谱解释按照玻尔理论，从理论上求出里德伯常量FH的值，且与实验符合得很好。同样，玻尔理论也很好地解释甚至预言了氢原子的其他谱线系。二、玻尔原子结构理论的意义1.玻尔理论的成功之处第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念， 成功地解释了氢原子光谱的实验规律。2 玻尔理论的局限性不能说明谱线的强度和偏振情况；不能解释有两个以上电子的原子的复杂光谱。、:判斷与思月1 判断：(1)玻尔的原子结构假说认为电子的轨道是量子化的。()(2

3、)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。()(4)玻尔理论只能解释氢光谱的巴尔末系。()答案：(1)V(2)V(3)XX之窗卡Vf已纂些杜识(对应学生用书页码P26)22思考：卢瑟福的原子模型与玻尔的原子模型有哪些相同点和不同点?提示：(1)相同点：31原子有带正电的核，原子质量几乎全部集中在核上。2带负电的电子在核外运转。不同点：卢瑟福模型：库仑力提供向心力，r 的取值是连续的。玻尔模型：轨道 r 是分立的、量子化的，原子能量也是量子化的。_| 对玻尔理论的理解1.轨道量子化kJ轨道半径只能够是一些不连续的、某些分立的数值

4、。氢原子各条可能轨道上的半径rn=n1 2ri(n = 1,2,3)其中 n 是正整数，r1是离核最近的可能轨道的半径，r1= 0.53x10-1m其余可能的轨道半径还有0.212 nm、0.477 nm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(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。这样的能量值，称为能级，能量最低的状态称为基态，其他的状态叫做激发态，对氢原子，以无穷远处为势/ W1能零点时，其能级公式 En=2Ei

5、(n = 1,2,3)其中 已代表氢原子的基态的能级，即电子在离n核最近的可能轨道上运动时原子的能量值，已=13.6 eV。n 是正整数，称为量子数。量子数 n 越大，表示能级越高。(3) 原子的能量包括：原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。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，高能级E 吸收光光子 hV= E：En低能级曰。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。=偿试应

6、用1原子吸收光子能量是有条件的，只有等于某两个能级差时才被吸收发生跃迁。2如果入射光的能量 E 13.6 eV ,原子也能吸收，则原子电离。之说旨匸(对应学生用书页码P26)41.对于基态氢原子，下列说法中正确的是（A.它能吸收 10.2 eV 的光子B.它能吸收 11 eV 的光子C. 它能吸收 14 eV 的光子D. 它能吸收具有 11 eV 动能的电子的部分动能E1解析：选 ACD 由吐 n2知，氢原子从基态跃迁到n= 2、3、4、5,A E=10.2eV,A已=12.09 eV,AE3= 12.75 eV,A =13.06 eV，因此，它能吸收 10.2 eV 的光子发生跃迁,A 正确

7、；它能吸收 14 eV 的光子使其电离，C 正确；电子可以通过碰撞使其部分能量被原子吸收，D 正确。氢原子能级图及能级跃迁问题1.能级图（如图 2-4-1 所示）图 2-4-12氢原子能级跃迁规律跃迁是指电子从某一轨道跳到另一轨道，而电子从某一轨道跃迁到另一轨道对应着原子就从一个能量状态（定态）跃迁到另一个能量状态（定态）。3氢原子能级跃迁的可能情况氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态，因此处于 n 能级的电子向低能级跃迁时就有很多可能性，其可能的值为 G2即II种可能情况。4. 实物粒子的碰撞使氢原子发生跃迁实物粒子与氢原子碰

8、撞时，实物粒子的动能可以全部或部分地被氢原子吸收，因此只要实物粒子的能量大于等于两个能级的能级差，均可能使原子从低能级向高能级跃迁。5. 氢原子不同状态的电离能从某一状态跃迁到 n =s时所需吸收的能量。其数值等于各定态时的能级值的绝对值。如基态氢原子的电离能是13.6 eV，氢原子第一激发态（n = 2）的电离能为 3.4 eV。56 氢原子能级跃迁时的能量变化情况当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能E）减小，电子动能增大，原子能量减小。反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大。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

9、现多种情况。22.已知氢原子的基态能量为曰，激发态能量En=Ei/n，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（4hc2hcA.3E1B.E1coC14hc9hcVJC.E1D.E1解析:选 C从 n= 2 跃迁到g.hcEg E2=E-4，4hc所以 入=E1。EX3对玻尔原子结构理论的理解L一厶 7.例 1玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有（）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

10、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不同的圆轨 道相对应，是经典理论与量子化概念的结合。电子跃迁辐射的能量为 核做的圆周运动无关，故 D 错。故AB、C 选项正确。（对应学生用书页码P27)hV= En Em与电子绕6答案ABC氢原子的能级跃迁与电离例 2（山东高考）氢原子能级如图 2-4-2，当氢原子从 n = 3 跃迁到 n= 2 的能级时,辐射光的波长为 656 nm

11、。以下判断正确的是 _。（双选，填正确答案标号）7r/rVaa=亠=亠-八0才0a853 - T.512 -观1-13.6图 2-4-2A.氢原子从 n= 2 跃迁到 n = 1的能级时，辐射光的波长大于656 nmB.用波长为 325 nm 的光照射，可使氢原子从n= 1 跃迁到 n = 2 的能级C.一群处于 n= 3 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 633 nm 的光照射，不能使氢原子从n = 2 跃迁到 n = 3 的能级解析 由于 n= 3 与 n= 2 间的能量差为一 1.51 （ 3.4） = 1.89 eV,而 n= 1 与 n = 2间的能量差为一

12、 3.4 （一 13.6） = 10.2 eV，根据 E= hv=可知，氢原子从n= 2 跃迁到 n= 1 的能级时辐射的波长 入=121.6 nm 小于 656 nm, A 错误； 同样从 n= 1 跃迁至 n = 2 能级需要的光子的波长也恰好为121.6 nm , B 错误；一群处于 n= 3 能级的氢原子向低能级跃迁时可能会出现 3 种可能，因此会放出 3 种不同频率的光子，C 正确；电子发生跃迁时， 吸收或放出的能量一定等于这两个能级间的能量差，为一特定值，大于或小于这个特定的值都不能使之发生跃迁。因此 D 正确。答案CD所谓电离，就是使处于基态或激发态的原子的核外电子跃迁到n=s的

13、轨道，n =s时，Ea= 0,所以要使处于基态的原子电离，电离能为 E= Ea E1= 13.6 eV。1.关于原子结构的认识历程，下列说法正确的有（）A.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内B.a粒子散射实验中少数a粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据C. 对原子光谱的研究开辟了深入探索原子结构的道路D. 玻尔原子理论无法解释较复杂原子的光谱现象，说明玻尔提出的原子定态概念是错 误的解析：选 BC 汤姆孙发现电子后猜想原子是枣糕式结构模型，即正电荷均匀地分布在（对应学生用书页码P28)8原子内，电子就像枣糕一样镶嵌在原子内，A 错误；a粒子散射实验结果是卢

14、瑟福建立原子核式结构模型的依据，B 正确；对原子光谱的研究， 使人们认识了原子结构的特点，C 正确;玻尔原子理论只能解释氢原子光谱， 不能解释复杂的原子光谱， 只能说明玻尔理论的局限性，9它在一定范围内是正确的，D 错误。2关于玻尔的原子模型，下述说法中正确的是（）A. 它彻底否定了卢瑟福的核式结构学说B. 它发展了卢瑟福的核式结构学说C. 它完全抛弃了经典的电磁理论D. 它引入了普朗克的量子理论解析：选 BD 玻尔的原子模型在核式结构模型的前提下提出轨道量子化、能量量子化 及能级跃迁，故 A 错，B 正确，它的成功就在于引入了量子化理论，缺点是被过多的引入经 典力学所困，故 C 错，D 正确

15、。3.如图 2-4-3 所示为氢原子的四个能级，其中Ei为基态，若氢原子 A 处于激发态 E2，氢原子 B 处于激发态 已，则下列说法正确的是（）A. 原子 A 可能辐射出 3 种频率的光子B. 原子 B 可能辐射出 3 种频率的光子C.原子 A 能够吸收原子 B 发出的光子并跃迁到能级 E4D.原子 B 能够吸收原子 A 发出的光子并跃迁到能级 E4解析：选 B 原子 A 处于激发态 Ez,因此其辐射光子频率数目只能有1 种，A 错，原子B 处于 n= 3 的能级 Cn2= 3 种，B 正确。由氢原子能级的量子性及吸收光子必须满足hv=EmEn,可知 C D 错。TL4 氢原子辐射出一个光子

16、后，则（）A. 电子绕核旋转半径增大B. 电子的动能增大C. 氢原子电势能增大D. 原子的能级值增大解析：选 B 由玻尔理论可知，氢原子辐射光子后，应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道，在此跃迁过程中，电场力对电子做了正功，因而电势能应减小。2 2e vky=，所以keJ=2?可见, 电子运动半径越小，其动能越大。再结合能量转化与守恒定律，氢原子放出B选项正确。10光子，辐射出一定的能量，所以原子的总能量减少，只有115.氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子。已知基态氦离子能量为54.4 eV，氦离子能级的示意图如图 氦离子吸收而发生跃迁的是（）r- 0-3.1曲-6,0 eV-1

17、3.&eVAi-5,4 rV图 2-4-4B.43.2 eVD.54.4 eV解析：选 B 由于 E2 Ei= 40.8 eV，能被基态氦离子吸收而发生跃迁，A 对。E4 Ei=51.0 eV 能被基态氦离子吸收而发生跃迁，C 对；乐Ei= 54.4 eV ,能被基态氦离子吸收而发生跃迁（电离），D 对；而 Es Ei= 48.4 eV丰43.2 eV ,故不能被基态氦离子吸收而发生跃 迁，故选B。6氢原子的能级如图2-4-5 所示，已知可见光的光子能量范围约为1.623.11 eV。F 列说法正确的是（）/；/ b，在此过程中( )A.原子要发出一系列频率的光子13B. 原子要吸收一

18、系列频率的光子C. 原子要发出某一频率的光子D. 原子要吸收某一频率的光子解析：选 C 原子从高能级向低能级跃迁时，能量减小，以光子的形式辐射出去，辐射光子的频率由两能级的能量差决定即h v = En-巳，所以原子发出某一频率的光子。故C 正确。10.氢原子第 n 能级的能量为 Ei =斤，其中 Ei为基态能量。当氢原子由第4 能级跃迁到 第 2 能级时，发出光子的频率为vi;若氢原子由第 2 能级跃迁到基态，发出光子的频率为v1v 2，贝y =_ 。V2Ei解析：解答本题的关键是掌握玻尔原子理论中的公式hv= En- En。根据曰=看及hv=EiEiEivi1En- En可得 hvi= 孑一

19、 22, hv2= 牙 Ei, 两式联立解得=答案：4ii如图 2-4-9 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：B - 04 -053- 2 - -3.40-13.6图 2-4-9(2)在哪两个能级间跃迁时，所放出光子波长最长，波长是多少? 解析:(i)N = 一1氢原子由第 4 能级向第 3 能级跃迁时，能级差最小，辐射的光子波长最长。c由 hv=巳一 E3得：h = E4 E3入有可能放出种能量的光子。种=6 种。所以入=hcE414一348_6.63xiox3Xio_=0.85 MlXI.BX1()i9 n一6i.88xio n。答案：(i)6(2)第 4 能级向第 3 能级跃迁i.88xio6n1512.如图 2-4-10 所示，现有一群处于n= 4 能级上的氢原子，已知氢原子的基态能量E=-13.6 eV,氢原子处于基态时电子绕核运动的轨道半径为r，静电力常量为 k，普朗克常量 h = 6.63X10-34J s。则：6 种，所以它们的光谱线共有6 条。ke2答案：32 一(2