18.4第四节--玻尔的原子模型.ppt

1、第四节 玻尔的原子模型,知识梳理图,【知识点】 1.玻尔原子模型的内容 2.玻尔理论对氢原子光谱的解释 3.玻尔原子模型的局限性,情景设置 我们在物理化学中都学过原子的结构模型,而且对原子的原子核电子有一定的认识,那么这么小的微观世界我们是如何认识的呢?人类对它的认识发展历程又是怎样的呢?,深化探究 一玻尔的原子模型 1.玻尔理论建立的背景和观点 (1)经典电磁理论的困惑: 原子是否稳定,电子绕原子核旋转,做的是一种变加速运动,因而就要向外辐射电磁波,由于能量不断地向外辐射,使得电子绕核的轨道半径要减小,这样的电子将沿螺旋线落在原子核上,因而原子是不稳定的,而事实上原子通常是稳定的.,原子发光

2、的光谱是连续谱还是线状谱 电子绕核运动辐射电磁波的频率对应于电子绕核运动的频率,当电子运动的轨道半径逐渐减小时,辐射电磁波的频率不断增大,这样大量原子发光时所发射的光应包含各种频率的光,是连续光谱,而事实上原子发光是不连续的,是线状谱 (2)玻尔的观点 玻尔接受了普朗克的黑体辐射的量子论和爱因斯坦的光子的概念,将能量取分立值的观念应用到原子系统.,2.玻尔的原子模型 玻尔认为:围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值,这种现象叫轨道量子化;不同的轨道对应着不同的原子状态,在这些状态尽管电子在做变速运动,却不辐射能量,因此这些状态原子是稳定的,原子在不同状态具有不同的能量,所以原子的能量

3、也是量子化的.,玻尔理论有三个要点: (1)原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽然绕核旋转,但并不向外辐射能量,这些状态叫做定态. (2)原子从一种定态(E1)跃迁到另外一个定态(E2)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=E2-E1 可见,电子从一个轨道到另一个轨道不是以螺旋线的形状改变半径的,而是从一个轨道“跳跃”到另一个轨道,玻尔将这种现象称为跃迁.,(3)原子的不同能量状态对应于电子不同的轨道,原子定态的不连续性,因而与之对应的电子轨道也是不连续的.这种轨道的不连续叫做轨道的量子化.,3.能级 在玻尔原子模型中,

4、原子的可能状态是不连续的,因此各状态对应的能量也是不连续的,这些能量值叫做能级. 各状态的标号123叫做量子数,通常用n表示,能量最低的状态叫做基态,其他状态叫做激发态.基态和激发态的能量分别用E1E2E3代表.,二玻尔原子模型对氢原子光谱的解释 对氢原子而言,核外一个电子绕核运行时,若半径不同,则对应着的原子能量也不同,若使原子电离,外界必须对原子做功,使电子摆脱它与原子核之间的库仑力的束缚,所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高,我们把原子电离后的能量记为0,则其他状态下的能量值就是负值.,原子各能级的关系为En= (n=1,2,3)对氢原子而言,基态能量:E1=-13.6 eV则其

5、他各激发态的能级为:E2=-3.4 eV E3=-1.5 eV,1.能级图:下图为氢原子的能级图,2.光子的发射和吸收 (1)能级的跃迁 根据玻尔原子模型,原子只能处于一系列的不连续的能量状态中,这些状态分基态和激发态两种.其中原子处于基态时是稳定的,原子处于激发态时是不稳定的.当原子处于激发态时会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到基态.,说明:原子能级跃迁时,处于激发态的原子可能经一次跃迁回到基态;也可能由较高能级的激发态跃迁到较低能级的激发态,最后回到基态.一个原子由较高能级回到基态,到底发生几次跃迁是不确定的. 物质中含有大量的原子,各个原子的跃迁方式也是不统一的,有些原子经一次

6、跃迁到基态;有些原子可能经几次跃迁才回到基态.,(2)光子的发射 原子从较高的能级跃迁到较低能级要辐射能量,该能量以光子的形式放出,而光子的频率由下式决定 h=Em-En 由上式可以看出,能级差越大,放出光子的频率就越高,而原子的能级值是不连续的.所以两个定态的能级差也是不连续的,从而原子发光形成的光谱也是不连续的,只能发出一系列不连续的光谱线,这与事实是相吻合的.,(3)光子吸收 光子的吸收是光子发射的逆过程,原子从低能级跃迁到高能级要吸收光子.吸收光子的频率也是由h=Em-En决定.所以吸收光子的频率也是不连续的,与原子发光时的辐射光子的频率是一一对应的.,说明:原子若是吸收光子的能量而被

7、激发,其光子的能量必须等于两个能级的能量差,否则不能被吸收,不存在激发到n=2时,能量有余,而被激发到n=3时能量不足,则可激发到n=2的问题.即吸收光子是选择性吸收. 原子还可以吸收电子(自由电子)的能量而被激发,只要入射电子的能量大于或等于两能级的差值(E=Em-En),均可使原子能级发生跃迁.,三玻尔理论的局限性 玻尔理论只能解释氢原子光谱,而对外层电子较多的原子,理论和实际相差很多,玻尔理论不再成立,取而代之的是量子力学.量子力学是彻底的量子理论.这不但能解释玻尔理论所能解释的现象,而且能够解释大量玻尔理论所不能解释的现象.玻尔理论的三点假设,在量子力学中也变成了从理论上推导出来的直接

8、结果,建立在量子力学的原子理论认为,核外电子的运动规律服从统计规律,而没有固定的轨道,我们只能知道它们在核外某处出现的概率大小.,结果发现电子在某些地方出现的概率较大,在另一些地方出现的概率较小,电子频繁地出现在这些概率大的地方,我们可以想象那里有一团“电子云”包围着原子核,这些电子云形成许多层,在不同层中运动的电子具有不同的能量,因而形成了原子的定态和能级.这样量子力学就根本抛弃了从经典物理引用来的电子轨道的概念,所谓玻尔理论中的电子轨道,只不过是电子云中电子出现概率最大的地方.,从而我们就清楚的知道玻尔理论的成功之处在于引入了“量子”的观念;不成功的原因是过多地保留了经典的物理理论.,典例

9、分析 一有关玻尔的原子模型的问题,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,虽然电子做加速运动,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.电子跃迁时辐射光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率 答案:ABC,解析:在玻尔的原子模型中,玻尔提出了的假设:1.电子的轨道是一些不连续的某些分立的值,不同的轨道对应不同的能量值.2.电子在可能的轨道上虽做加速运动,但不向外辐射能量,状态稳定,原子只能处于一系列不连续的能量状态

10、.3.原子从一种定态跃迁到另一种定态时要吸收或辐射一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定,所以ABC选项正确.,巩固练习1:关于玻尔的原子模型下列说法正确的是( ) A.原子可以处于连续的能量状态中 B.原子的能量状态是不连续的 C.原子中的核外电子绕原子核做加速运动一定向外辐射能量 D.原子中的电子绕核转动的半径是连续的 答案:B,二、原子的能级跃迁问题 例2:如图所示,氢原子从n2的某一能级跃迁到n=2的能级,辐射出能量为2.55 eV的光子.问最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量,才能使它辐射上述能量的光子?请在图中画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图.,解析:氢原

11、子从n2的某一能级跃迁到n=2的能级, 满足:h=En-E2=2.55 eV, En=h+E2=-0.85 eV. 所以n=4. 基态氢原子要跃迁到n=4的能级,应提供: E=E4-E1=12.75 eV. 跃迁图如图所示.,答案:见解析 点评:处理氢原子辐射和吸收的问题时,切记辐射或吸收的光子的能量必须等于两个定态的能级差,不可能辐射或吸收两个能级差之外能量的光子;处于高能态的氢原子可能向各个低能态跃迁,而辐射出若干可能频率的光子.因此画辐射跃迁图时要注意不要漏掉.,例3:(2007全国高考)用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子,观测到了一定数目的光谱线.调高电子能量再次进行观测

12、,发现光谱线的数目比原来增加了5条.用n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差,E表示调高后电子的能量.根据氢原子的能级图可以判断,n和E的可能值为( ),A.n=1,13.22 eVE13.32 eV B.n=2,13.22 eVE13.32 eV C.n=1,12.75 eVE13.06 eV D.n=2,12.75 eVE13.06 eV 答案:AD,解析:解法一:由于是利用电子碰撞使氢原子从基态跃迁,电子能量E大于或等于两个定态的能量差就可以使电子跃迁该能级,本题讨论起来比较复杂,首先应从选项中的电子调高以后的能量入手,来判断电子调高后能量的范围从而确定使氢原子从基态跃迁到第n激发态,

13、如A选项,13.22 eVE13.32 eV .可以使电子从基态跃迁到n=6的激发态,E17=13.32 eV,E16=13.22 eV,n=6的激发态能发出15种频率的光,n处于n=5能级时能发出10种频率,的光,n=1故A选项正确.同理12.75 eVE13.06 eV时,可以使基态的氢原子跃迁到n=4的能级.E14=12.75 eV,E15=13.06 eV,当氢原子处于n=4的激发态,发光可以产生6种不同频率的光,比没有调高电子能量的氢原子多5条谱线,即原来氢原子所处激发态可以发出1种频率的光.即处于n=2的能级,则n=2,故D选项正确.,解法二:当n=1时,调节前最高激发态的量子数n

14、,调节后最高激发态的量子数为n+1由C2n+1-C2n=5 这时利用数学上组合来求解即解得n=5 n+1=6所以E6-E1EE7-E1 即13.22 eVE13.32 eV当n=2时,则有C2n+2-C2n=5,即解得n=2所以E4-E1EE5-E1 即12.75 eVE13.06 eV,故选AD.,点评:氢原子跃迁吸收能量,如果是由于电子的碰撞,使氢原子跃迁,那么电子的能量只要大于或等于两个状态的能量差就可以.而如果氢原子吸收光子跃迁,则该光子的能量必须等于两个定态的能量差,否则氢原子不吸收光子的能量.解此类问题可能运用相关的数学知识来帮助你解题,这样往往事半功倍.,巩固练习2:已知氢原子的

15、基态能量为-13.6 eV,核外电子的第一轨道半径为0.5310-10 m,电子质量me=9.110-31 kg,电量e=1.610-19 C,求电子跃迁到第三轨道时,氢原子的能量,电子的动能和电子的电势能各多大?,解析:由氢原子能级公式En= ,得第三轨道时E3= eV=-1.51 eVrn=n2r1,得r3=320.5310-10 m=4.7710-10 m.电子绕原子核转动,库仑力提供向心力,则则Ek3=1.51 eV由于E3=Ek3+Ep3 Ep3=E3-Ek3=-1.51 eV-1.51 eV=-3.02 eV.,答案:E3=-1.51 eV Ek3=1.51 eV Ep3=-3.0

16、2 eV,梯度练习 基础强化 1.氢原子中的电子从高能级轨道向低能级轨道跃迁时,下列说法正确的是( ) A.电子离核的距离变近 B.电子的动能变小 C.原子要辐射一定能量的光子 D.电子和原子核组成系统的电势能减小 答案:ACD,解析:氢原子中的电子从高能级轨道向低能级轨道跃迁时,是由离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道,在这个过程中原子核对电子的库仑引力做正功,电子动能增加,而电势能减小;原子的能级值减小,辐射一定频率的光子,故ACD选项正确.,2.根据玻尔理论,下列关于氢原子的论述正确的是( ) A.若氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,氢原子要辐射光子的能量为h=En B.电子沿某一轨

17、道绕核运动,若圆周运动的频率为,则其发光的频率也为 C.一个氢原子中的电子从一个半径为ra的轨道自发地直接跃迁到另一半径为rb的轨道,已知rarb,则此过程原子要辐射一定频率的光子 D.氢原子吸收光子后,将从高能级向低能级跃迁 答案:C,解析:原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,辐射的光子能量等于能级差,与En不同,故A选项错误;电子沿某一轨道绕核运动,处于某一定态,不向外辐射能量,故B选项错误;电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道,能级降低,因而要辐射一定频率的光子,故C选项正确;原子吸收光子后能量增加、能级升高,故D选项错误.,3.氢原子放出一个光子后电子由外轨道跃迁到内轨道,根据玻尔理

18、论氢原子的( ) A.核外电子的电势能增大 B.氢原子的能量增大 C.核外电子的动能增大 D.核外电子的转动周期变大 答案:C,解析:当电子由外轨进入到内轨时,库仑力做正功,电势能减小,故A选项错误;由于电子绕核做匀速圆周运动,满足 则,由此可知C选项正确;由 得 可知,D选项错误,由于放出光子能量减少,故B选项错误.,4.欲使处于基态的氢原子激发,下列措施可行的是( ) A.用10.2 eV的光子照射 B.用11 eV的光子照射 C.用14 eV的光子照射 D.用10 eV的光子照射 解析:由氢原子的能级图可算出,只有10.2 eV为第2能级与基态之间的能级差,而大于13.6 eV的光能使氢

19、原子电离,故AC选项正确. 答案:AC,5.如图所示为氢原子的能级图,A、B、C分别表示电子在三种不同能级跃迁时放出的光子,其中( ),A.频率最大的是B B.波长最长的是C C.频率最大的是A D.波长最长的是B 解析:由图可知,B光的能量最大,根据E=h得B光的频率最大,故A选项正确;同理可知C光的能量最低,其波长最长,故B选项正确. 答案:AB,6.(2008广东高考)有关氢原子光谱的说法正确的是( ) A.氢原子的发射光谱是连续谱 B.氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光 C.氢原子光谱说明氢原子能级是分立的 D.氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关 答案:BC,解析:氢原子光

20、谱是线状谱,故A选项错误,B选项正确;氢原子发光的频率由两种定态的能量差决定,氢原子光谱是线状谱,则说明氢原子的能级是不连续的,是分立的,故C选项正确,D选项错误.,能力提升7.氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时,可发出三种不同波长的辐射光,已知其中的两个波长分别为1和2,且12,则另一个波长可能是( ),答案:CD,8.氢原子的能级如图所示,已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV3.11 eV.下列说法错误的是( ),A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并发生电离 B.大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光具有显著的热效应 C.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁

21、时,可能发出6种不同频率的光 D.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出3种不同频率的可见光 答案:D,解析:紫外线的频率比可见光高,因此,紫外线光子的能量应大于3.11 eV,而处于n=3能级的氢原子其电离能仅为1.51 eV3.11 eV,所以处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并发生电离;大量氢原子从高能级向n=3的能级跃迁时,发出的光子的能量小于1.51 eV,且1.51 eV1.62 eV,即所发出的光子为显著热效应的红外光子;大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁可以辐射出光子种类为6种,由此可知,ABC正确,故选D.,9.如图为氢原子的能级图,用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子,可能观测到氢原子发射的不同波长的光有多少种( ),A.15 B.10 C.4 D.1 答案:B,解析:基态氢原子的能级是-13.6 eV,吸收13.06 eV的能量后,变为-0.54 eV原子跃迁到n=5的能级,由于原子是大量的,故辐射的光子种类是 =10种.,10.对于基态氢原子,下列说法正确的