复习方略高考物理一轮复习原子结构氢原子光谱课件沪科版选修

1、第三章原子结构原子核第1讲原子结构氢原子光谱知识点知识点1 1 氢原子光谱氢原子光谱【思维激活思维激活1 1】( (多选多选) )如图甲所示是如图甲所示是a a、b b、c c、d d四种元素的线四种元素的线状谱状谱, ,图乙是某矿物的线状谱图乙是某矿物的线状谱, ,通过光谱分析可以了解该矿物中通过光谱分析可以了解该矿物中缺乏的是缺乏的是( () )A.aA.a元素元素B.bB.b元素元素C.cC.c元素元素D.dD.d元素元素【解析解析】选选B B、D D。将。将a a、b b、c c、d d四种元素的线状谱与乙图中对四种元素的线状谱与乙图中对照照, ,可知矿物中缺少可知矿物中缺少b b、d

2、 d元素元素, ,故选故选B B、D D。【知识梳理知识梳理】1.1.光谱：光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开用光栅或棱镜可以把光按波长展开, ,获得光的获得光的_(_(频率频率) )和强度分布的记录和强度分布的记录, ,即光谱。即光谱。2.2.光谱分类：光谱分类：有些光谱是一条条的有些光谱是一条条的_,_,这样的光谱叫作线状谱。这样的光谱叫作线状谱。有的光谱是连在一起的有的光谱是连在一起的_,_,这样的光谱叫作连续谱。这样的光谱叫作连续谱。3.3.光谱分析：光谱分析：利用每种原子都有自己的利用每种原子都有自己的_可以用来鉴别物质和确定可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分物质的组成成分, ,

3、且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。着重大的意义。波长波长亮线亮线光带光带特征谱线特征谱线知识点知识点2 2 氢原子的能级结构、能级公式氢原子的能级结构、能级公式【思维激活思维激活2 2】氢原子的基态能量为氢原子的基态能量为E E1 1, ,如图所示如图所示, ,四个能级图四个能级图能正确代表氢原子能级的是能正确代表氢原子能级的是( () )【解析解析】选选C C。根据氢原子能级图特点：上密下疏。根据氢原子能级图特点：上密下疏, ,再联系各激再联系各激发态与基态能级间关系发态与基态能级间关系E En n= = 故故C C正确。正确。121E

4、,n【知识梳理知识梳理】1.1.玻尔理论：玻尔理论：(1)(1)定态：原子只能处于一系列定态：原子只能处于一系列_的能量状态中的能量状态中, ,在这些在这些能量状态中原子是能量状态中原子是_的的, ,电子虽然绕核运动电子虽然绕核运动, ,但并不向外辐但并不向外辐射能量。射能量。(2)(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时, ,它辐射或吸它辐射或吸收一定频率的光子收一定频率的光子, ,光子的能量由这两个定态的能量差决定光子的能量由这两个定态的能量差决定, ,即即h=_h=_。(h(h是普朗克常量是普朗克常量,h=6.63,h=6.631010-34-3

5、4Js)Js)(3)(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。原子的定态是运动相对应。原子的定态是_,_,因此电子的可能轨道因此电子的可能轨道也是也是_。不连续不连续稳定稳定E Em m-E-En n不连续的不连续的不连续的不连续的2.2.能级：能级：原子量子化的原子量子化的_。3.3.基态和激发态：基态和激发态：原子能量最低的状态叫原子能量最低的状态叫_,_,其他能量较高的状态叫其他能量较高的状态叫_。能量值能量值基态基态激发态激发态4.4.氢原子的能级和轨道半径：氢原子的能级和轨道半径：(1)(1)氢原子的能级公式

6、：氢原子的能级公式：E En n=_(n=1,2,3,),=_(n=1,2,3,),其中其中E E1 1为基为基态能量态能量, ,其数值为其数值为E E1 1=_=_。(2)(2)氢原子的半径公式：氢原子的半径公式：r rn n=_(n=1,2,3,),=_(n=1,2,3,),其中其中r r1 1为基态为基态半径半径, ,又称玻尔半径又称玻尔半径, ,其数值为其数值为r r1 1=0.53=0.531010-10-10m m。121En-13.6eV-13.6eVn n2 2r r1 15.5.氢原子的能级图：氢原子的能级图：能级图如图所示。能级图如图所示。【微点拨微点拨】1.1.对玻尔理论

7、的四点提醒：对玻尔理论的四点提醒：(1)(1)电子绕核运动的半径是不连续的电子绕核运动的半径是不连续的; ;(2)(2)电子跃迁辐射光子的频率不等于电子绕核圆周运动的频电子跃迁辐射光子的频率不等于电子绕核圆周运动的频率率; ;(3)(3)实物粒子也能使原子发生能级跃迁实物粒子也能使原子发生能级跃迁; ;(4)(4)一个处于激发态的氢原子一个处于激发态的氢原子, ,辐射光谱线条数可能为辐射光谱线条数可能为1 1。一。一群处于激发态群处于激发态(n3)(n3)的氢原子的氢原子, ,可能辐射出多条光谱线。可能辐射出多条光谱线。2.2.关于光谱的三个易混点：关于光谱的三个易混点：(1)(1)太阳光谱是

8、吸收光谱太阳光谱是吸收光谱, ,不是连续光谱不是连续光谱; ;(2)(2)原子光谱是线状光谱原子光谱是线状光谱, ,不是连续光谱不是连续光谱; ;(3)(3)研究太阳光谱可了解太阳大气层的成分研究太阳光谱可了解太阳大气层的成分, ,不能了解地球不能了解地球大气层的成分。大气层的成分。考点考点1 1 氢原子能级图及原子跃迁氢原子能级图及原子跃迁1.1.能级图中相关量意义的说明：能级图中相关量意义的说明： 深化深化理解理解 相关量相关量意义意义能级图中的横线能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态表示氢原子可能的能量状态定态定态横线左端的数字横线左端的数字“1,2,3”1,2,3”表示量子数表示量子

9、数横线右端的数字横线右端的数字“-13.6,-3.4”-13.6,-3.4”表示氢原子的能量表示氢原子的能量相邻横线间的距离相邻横线间的距离表示相邻的能量差表示相邻的能量差, ,量子数越大相邻量子数越大相邻的能量差越小的能量差越小, ,距离越小距离越小带箭头的竖线带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁表示原子由较高能级向较低能级跃迁, ,原子跃迁的条件为原子跃迁的条件为h=Eh=Em m-E-En n2.2.对原子跃迁条件对原子跃迁条件h=Eh=Em m-E-En n的说明：的说明：(1)(1)原子跃迁条件原子跃迁条件h=Eh=Em m-E-En n只适用于光子和原子作用而使原子只适用于

10、光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。在各定态之间跃迁的情况。(2)(2)当光子能量大于或等于当光子能量大于或等于13.6eV13.6eV时时, ,也可以被处于基态的氢原也可以被处于基态的氢原子吸收子吸收, ,使氢原子电离使氢原子电离; ;当处于基态的氢原子吸收的光子能量大当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于于13.6eV13.6eV时时, ,氢原子电离后氢原子电离后, ,电子具有一定的初动能。电子具有一定的初动能。(3)(3)原子还可吸收外来实物粒子原子还可吸收外来实物粒子( (例如自由电子例如自由电子) )的能量而被激的能量而被激发。由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收发。由于

11、实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收, ,所以只要所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E=E(E=Em m-E-En n),),均可均可使原子发生能级跃迁。使原子发生能级跃迁。3.3.跃迁中两个易混问题：跃迁中两个易混问题：(1)(1)一群原子和一个原子：氢原子核外只有一个电子一群原子和一个原子：氢原子核外只有一个电子, ,这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个时刻只能处在某一个可能的轨道上, ,在某段时间内在某段时间内, ,由某由某一轨道跃迁到另一个轨道时一轨道跃迁到另一个轨道时, ,可能的情况只有一种可能的情况只有一

12、种, ,但是如果容但是如果容器中盛有大量的氢原子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这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。种情况出现了。(2)(2)直接跃迁与间接跃迁：原子从一种能量状态跃迁到另一种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能量状态时, ,有时可能是直接跃迁有时可能是直接跃迁, ,有时可能是间接跃迁。两种有时可能是间接跃迁。两种情况下辐射情况下辐射( (或吸收或吸收) )光子的能量是不同的。直接跃迁时辐射光子的能量是不同的。直接跃迁时辐射( (或吸收或吸收) )光子的能量等于间接跃迁时辐射光子的能量等于间接跃迁时辐射( (或吸收或

13、吸收) )的所有光子的所有光子的能量和。的能量和。【题组通关方案题组通关方案】【典题典题1 1】(2012(2012四川高考四川高考) )如图为氢原子能级示意图的一部如图为氢原子能级示意图的一部分分, ,则氢原子则氢原子( () )A.A.从从n=4n=4能级跃迁到能级跃迁到n=3n=3能级比从能级比从n=3n=3能级跃迁到能级跃迁到n=2n=2能级辐射出能级辐射出电磁波的波长长电磁波的波长长B.B.从从n=5n=5能级跃迁到能级跃迁到n=1n=1能级比从能级比从n=5n=5能级跃迁到能级跃迁到n=4n=4能级辐射出能级辐射出电磁波的速度大电磁波的速度大C.C.处于不同能级时处于不同能级时,

14、,核外电子在各处出现的概率是一样的核外电子在各处出现的概率是一样的D.D.从高能级向低能级跃迁时从高能级向低能级跃迁时, ,氢原子核一定向外放出能量氢原子核一定向外放出能量【典题解析典题解析】选选A A。由题图可知。由题图可知E E4343EE3232, ,根据公式根据公式E=hE=h可得可得43433232,A,A对对; ;若是在真空中若是在真空中, ,任何任何电磁波的速度都是电磁波的速度都是3.03.010108 8m/s,Bm/s,B错错; ;处于不同能级时处于不同能级时, ,核外电核外电子出现的概率对应不同的电子云子出现的概率对应不同的电子云, ,可知可知C C错错; ;应该是应该是“

15、氢原子氢原子”向外放出能量向外放出能量, ,而非而非“氢原子核氢原子核”,D,D错。错。c【典题典题2 2】如图所示为氢原子最低的四个能级，当氢原子在这如图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：些能级间跃迁时：(1)(1)有可能放出多少种能量的光子有可能放出多少种能量的光子? ?(2)(2)在哪两个能级间跃迁时在哪两个能级间跃迁时, ,所放出光子波长最长所放出光子波长最长? ?最长波长是最长波长是多少多少? ?【典题解析典题解析】(1)N= (1)N= 种种=6=6种。种。(2)(2)氢原子由第氢原子由第4 4能级向第能级向第3 3能级跃迁时能级跃迁时, ,能量差最小能量差最

16、小, ,辐射的光辐射的光子波长最长。子波长最长。由由h=Eh=E4 4-E-E3 3得：得： =E =E4 4-E-E3 3所以最长波长所以最长波长1.881.881010-6-6m m。答案：答案：(1)6(1)6种种(2)(2)第第4 4能级向第能级向第3 3能级跃迁能级跃迁 1.881.881010-6-6m mn n 144 122ch3481943hc6.63 103 10 mEE0.851.511.6 10 【加固训练加固训练】1.1.如图所示为氢原子的四个能级如图所示为氢原子的四个能级, ,其中其中E E1 1为为基态基态, ,若氢原子若氢原子A A处于激发态处于激发态E E2

17、2, ,氢原子氢原子B B处于处于激发态激发态E E3 3, ,则下列说法正确的是则下列说法正确的是( () )A.A.原子原子A A可能辐射出可能辐射出3 3种频率的光子种频率的光子B.B.原子原子B B可能辐射出可能辐射出3 3种频率的光子种频率的光子C.C.原子原子A A能够吸收原子能够吸收原子B B发出的光子并跃迁到能级发出的光子并跃迁到能级E E4 4D.D.原子原子B B能够吸收原子能够吸收原子A A发出的光子并跃迁到能级发出的光子并跃迁到能级E E4 4【解析解析】选选B B。原子。原子A A从激发态从激发态E E2 2跃迁到跃迁到E E1 1, ,只能辐射出只能辐射出1 1种频

18、率种频率的光子的光子,A,A错。原子错。原子B B从激发态从激发态E E3 3跃迁到基态跃迁到基态E E1 1能辐射出能辐射出3 3种频率种频率的光子的光子,B,B对。由原子能级跃迁理论可知对。由原子能级跃迁理论可知, ,原子原子A A可能吸收原子可能吸收原子B B由由E E3 3跃迁到跃迁到E E2 2时放出的光子并跃迁到时放出的光子并跃迁到E E3 3, ,但不能跃迁到但不能跃迁到E E4 4,C,C错。错。A A原子发出的光子能量原子发出的光子能量E=EE=E2 2-E-E1 1大于大于E E4 4-E-E3 3, ,故原子故原子B B吸收原子吸收原子A A发出的光子不可能跃迁到能级发出

19、的光子不可能跃迁到能级E E4 4,D,D错。错。2.(20122.(2012山东高考山东高考) )氢原子第氢原子第n n能级的能量为能级的能量为E En n= = 其中其中E E1 1为为基态能量。当氢原子由第基态能量。当氢原子由第4 4能级跃迁到第能级跃迁到第2 2能级时能级时, ,发出光子的发出光子的频率为频率为1 1; ;若氢原子由第若氢原子由第2 2能级跃迁到基态能级跃迁到基态, ,发出光子的频率为发出光子的频率为2 2, ,则则 = =。【解析解析】当氢原子由第当氢原子由第4 4能级跃迁到第能级跃迁到第2 2能级时：能级时：hh1 1=E=E4 4-E-E2 2, ,当氢原子由第当

20、氢原子由第2 2能级跃迁到基态时：能级跃迁到基态时：hh2 2=E=E2 2-E-E1 1, ,而而E E4 4= =E E2 2= = 联立以上各式解得：联立以上各式解得： 答案：答案：12En，1212E4，12E2，1214。14【学科素养升华学科素养升华】解答氢原子能级图与原子跃迁问题解答氢原子能级图与原子跃迁问题的注意事项的注意事项(1)(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。(2)(2)能级之间发生跃迁时放出能级之间发生跃迁时放出( (吸收吸收) )光子的频率由光子的频率由h=Eh=Em m-E-En n求求得。若求波长可由公式得。若求

21、波长可由公式c=c=求得。求得。(3)(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)(n-1)。(4)(4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。用数学中的组合知识求解：用数学中的组合知识求解： 利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出可能情况一一画出, ,然后相加。然后相加。2nn n 1N C2。考点考点2 2与能级有关的能量问题与能级有关的能量问题 1.1.原子从低能级向高能级跃迁的能量情况：吸收一定能

22、量的光原子从低能级向高能级跃迁的能量情况：吸收一定能量的光子子, ,当一个光子的能量满足当一个光子的能量满足h=Eh=E末末-E-E初初时时, ,才能被某一个原子吸才能被某一个原子吸收收, ,使原子从低能级使原子从低能级E E初初向高能级向高能级E E末末跃迁跃迁, ,而当光子能量而当光子能量hh大于大于或小于或小于E E末末-E-E初初时都不能被原子吸收。时都不能被原子吸收。2.2.原子从高能级向低能级跃迁的能量情况：以光子的形式向外原子从高能级向低能级跃迁的能量情况：以光子的形式向外辐射能量辐射能量, ,所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间

23、的能量差。能量差。3.3.电离时的能量：当光子能量大于或等于原子所处的能级绝对电离时的能量：当光子能量大于或等于原子所处的能级绝对值时值时, ,可以被氢原子吸收可以被氢原子吸收, ,使氢原子电离使氢原子电离, ,多余的能量作为电子多余的能量作为电子的初动能。的初动能。拓展拓展延伸延伸4.4.氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化规律：氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化规律：(1)(1)原子能量变化规律：原子能量变化规律：E En n=E=Eknkn+E+Epnpn= = 随随n n增大而增大增大而增大, ,随随n n的的减小而减小减小而减小, ,其中其中E E1 1=-13.6

24、eV=-13.6eV。(2)(2)电子动能变化规律。电子动能变化规律。从公式上判断电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力从公式上判断电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力, ,即即 所以所以E Eknkn= = 随随r r增大而减小。增大而减小。从库仑力做功上判断从库仑力做功上判断, ,当轨道半径增大时当轨道半径增大时, ,库仑引力做负功库仑引力做负功, ,故电子动能减小。反之故电子动能减小。反之, ,当轨道半径减小时当轨道半径减小时, ,库仑引力做正功库仑引力做正功, ,故电子的动能增大。故电子的动能增大。12E,n222evkm,rr2nke,2r(3)(3)原子的电势能的变化规律。原子的电势

25、能的变化规律。通过库仑力做功判断通过库仑力做功判断, ,当轨道半径增大时当轨道半径增大时, ,库仑引力做负功库仑引力做负功, ,原子的电势能增大。反之原子的电势能增大。反之, ,当轨道半径减小时当轨道半径减小时, ,库仑引力做正功库仑引力做正功, ,原子的电势能减小。原子的电势能减小。利用原子能量公式利用原子能量公式E En n=E=Eknkn+E+Epnpn判断判断, ,当轨道半径增大时当轨道半径增大时, ,原子能原子能量增大量增大, ,电子动能减小电子动能减小, ,故原子的电势能增大。反之故原子的电势能增大。反之, ,当轨道半当轨道半径减小时径减小时, ,原子能量减小原子能量减小, ,电子

26、动能增大电子动能增大, ,故原子的电势能减小。故原子的电势能减小。【题组通关方案题组通关方案】【典题典题3 3】(2014(2014苏州模拟苏州模拟) )若要使处于基态的氢原子电离若要使处于基态的氢原子电离, ,可可以采用两种方法以采用两种方法, ,一是用能量为一是用能量为13.6eV13.6eV的电子撞击氢原子的电子撞击氢原子, ,二是二是用能量为用能量为13.6eV13.6eV的光子照射氢原子的光子照射氢原子, ,则则( () )A.A.两种方法都可能使氢原子电离两种方法都可能使氢原子电离B.B.两种方法都不可能使氢原子电离两种方法都不可能使氢原子电离C.C.前者可使氢原子电离前者可使氢原

27、子电离D.D.后者可使氢原子电离后者可使氢原子电离【典题解析典题解析】选选D D。电子是有质量的。电子是有质量的, ,撞击氢原子时发生弹性碰撞击氢原子时发生弹性碰撞。由于电子和氢原子质量不同撞。由于电子和氢原子质量不同, ,故电子不能把故电子不能把13.6eV13.6eV的能量的能量完全传递给氢原子完全传递给氢原子, ,因此不能使氢原子完全电离因此不能使氢原子完全电离, ,而光子的能量而光子的能量可以完全被氢原子吸收可以完全被氢原子吸收, ,故故D D对。对。【典题典题4 4】(1)(2011(1)(2011江苏高考江苏高考) )按照玻尔原子理论按照玻尔原子理论, ,氢原子中氢原子中的电子离原

28、子核越远的电子离原子核越远, ,氢原子的能量氢原子的能量( (选填选填“越大越大”或或“越小越小”) )。已知氢原子的基态能量为。已知氢原子的基态能量为E E1 1(E(E1 10),0),电子质量为电子质量为m,m,基态氢原子中的电子吸收一频率为基态氢原子中的电子吸收一频率为的光子被电离后的光子被电离后, ,电子速电子速度大小为度大小为( (普朗克常量为普朗克常量为h)h)。(2)(2)氢原子在基态时轨道半径氢原子在基态时轨道半径r r1 1=0.53=0.531010-10-10m,m,能量能量E E1 1=-13.6eV,=-13.6eV,求氢原子处于基态时：求氢原子处于基态时：电子的动能电子的动能; ;原子的电势能原子的电势能; ;用波长是多少的光