四原子的能级结构

1附录：清新县第一中学集体备课教案专用纸（物理学科选修3-5第3单元（章节）第四节）上课时间：09年4月10日第9周星期五第节教案主备人尹伟洪课题原子的能级结构教学目标知识与技能：（1）了解玻尔原子理论的主要内容；（2）了解能级、能量量子化以及基态、激发态的概念。过程与方法：通过玻尔理论的学习，进一步了解氢光谱的产生。情感态度与价值观：培养我们对科学的探究精神，养成独立自主、勇于创新的精神。教材分析重点：玻尔原子理论的基本假设。难点：玻尔理论对氢光谱的解释。教学分析教法：教师启发、引导，学生讨论、交流。学法：实验、归纳，培养热爱物理的兴趣。教学手段实验、分析、归纳课时安排1课时教学过程（一）引入新课提问：（1）α粒子散射实验的现象是什么？（2）原子核式结构学说的内容是什么？（3）卢瑟福原子核式结构学说与经典电磁理论的矛盾？2为了解决上述矛盾，丹麦物理学家玻尔，在1913年提出了自己的原子结构假说。（二）进行新课1、玻尔的原子理论（1）能级（定态）假设：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，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。（本假设是针对原子稳定性提出的）（2）跃迁假设：原子从一种定态（设能量为En）跃迁到另一种定态（设能量为Em）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nmEEh（h为普朗克恒量）（本假设针对线状谱提出）（3）轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）2、玻尔根据经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式：轨道半径：12rnrnn=1，2，3……能量：121EnEnn=1，2，3……式中r1、E1、分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，rn、En分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是正整数，叫量子数。3、氢原子的能级图电子绕核运动（有加速度）辐射电磁波频率等于绕核运行的频率能量减少、轨道半径减少频率变化电子沿螺旋线轨道落入原子核原子光谱应为连续光谱（矛盾：实际上是不连续的亮线）原子是不稳定的（矛盾：实际上原子是稳定的）3从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量。（1）氢原子的大小：氢原子的电子的各条可能轨道的半径rn：rn=n2r1，r1代表第一条（离核最近的一条）可能轨道的半径r1=0.53×10-10m例如：n=2，r2=2.12×10-10m（2）氢原子的能级：原子在各个定态时的能量值En称为原子的能级。它对应电子在各条可能轨道上运动时的能量En（包括动能和势能）En=E1/n2n=1，2，3，······E1代表电子在第一条可能轨道上运动时的能量，E1=-13.6eV注意：计算能量时取离核无限远处的电势能为零，电子带负电，在正电荷的场中为负值，电子的动能为电势能绝对值的一半，总能量为负值。例如：n=2，E2=-3.4eV，n=3，E3=-1.51eV，n=4，E4=-0.85eV，……氢原子的能级图如图所示：4、玻尔理论对氢光谱的解释（1）基态和激发态基态：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，叫基态。激发态：原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态，叫激发态。（2）原子发光：原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程。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，这个能量以光子的形式辐射出去，吸收或辐射的能量恰等于发生跃迁的两能级之差。说明：氢原子中只有一个核外电子，这个电子在某个时刻只能在某个可能轨道上，或者说在某个时间内，由某轨道跃迁到另一轨道——可能情况只有一种。可是，通常容器盛有的氢气，总是千千万万个原子在一起，这些原子核外电子跃迁时，就会有各种情况出现了。4但是这些跃迁不外乎是能级图中表示出来的那些情况。（1）夫兰克—赫兹实验的历史背景及意义1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子核式结构模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间跃迁时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差。随着英国物理学家埃万斯对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在1914年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用电子与稀薄气体中原子碰撞的方法（与光谱研究相独立），简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。（2）夫兰克—赫兹实验的理论基础根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值En（n=1，2，3‥），这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差。nmEEh（h为普朗克恒量）本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则：nmEEeV（V为激发电位）夫兰克-赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞。电子由阴级K发出，K与栅极G之间有加速电场，G与接收极A之间有减速电场。当电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场，就成为电流计的电流。5（3）实验原理改进的夫兰克-赫兹管的基本结构如下图所示。电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A。设汞原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零的电子在电位差为V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量eVE1-E0时，电子能量几乎不损失。如果eV≥E1-E0=ΔE，则汞原子从电子中取得能量ΔE，而由基态跃迁到第一激发态，ΔE=eVC。相应的电位差VC即为汞原子的第一激发电位。在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下图所示的变化曲线：（4）实验结论6夫兰克—赫兹实验证明了原子被激发到不同的状态时，吸收的能量是不连续的，进而说明原子能量是量子化的。6、玻尔理论的局限性玻尔理论虽然把量子理论引入原子领域，提出定态和跃迁概念，成功解释了氢原子光谱，但对多电子原子光谱无法解释，因为玻尔理论仍然以经典理论为基础。如粒子的观念和轨道。量子化条件的引进没有适当的理论解释。7、电子在某处单位体积内出现的概率——电子云课堂练习（1）对玻尔理论的下列说法中，正确的是（ACD）A.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B.对经典电磁理论中关于“做加速运动的电荷要辐射电磁波”的观点表示赞同C.用能量转化与守恒建立了原子发光频率与原子能量变化之间的定量关系D.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（2）下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是（C）A.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B.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，就不会向外辐射能量C.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D.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（3）根据玻尔理论，氢原子中，量子数N越大，则下列说法中正确的是（ACD）A.电子轨道半径越大B.核外电子的速率越大C.氢原子能级的能量越大D.核外电子的电势能越大（4）根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半径（D）A.可以取任意值B.可以在某一范围内取任意值C.可以取一系列不连续的任意值D.是一系列不连续的特定值（5）按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知rarb，则在此过程中（C）A.原子要发出一系列频率的光子B.原子要吸收一系列频率的光子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课后练习1、根据玻尔的理论，电子在不同轨道上运动时能量是____________的，轨道的量子化势必对应着____________的量子化。这些具有确定能量的稳定状态称为________________，能量最低的状态叫___________，也就是说，原子只能处于一系列___________的能量状态中。2、玻尔对氢原子光谱的解释是：原子从较高的能级向较低的能级跃迁时__________光子的能量等于前后___________________________，由于原子的能级是____________的，所以放出的光子能量也是_____________的，因此原子的发射光谱只有一些____________的亮线。3、玻尔理论成功地解释了氢原子发光，他的成功之处在于引入了_______________观念，而对复杂的原子发光，玻尔理论却无法解释，它的不足之处在于过多地保留了_______________。4、氢原子第二能级的能量为()A．-13.6eVB．-10.2eVC．-7.8eVD．-3.4eV5、欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是()7A．用10.2eV的光子照射B．用11eV的光子照射C．用14eV的光子照射D．用13eV的电子碰撞6、处于第四能级的氢原子跃迁基态的过程中，可能发出的不同光的种数有()A．一种B．三种C．四种D．六种7、处于基态的氢原子在某单色光照射下，只能发出频率分别为ν1、ν2、ν3的三种光，且ν1＜ν2＜ν3，则该照射光的光子能量为()A．hν1B．hν2C．hν3D．h(ν1＋ν2＋ν3)8、氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动时的动能，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时()A．电子的动能增加，氢原子系统的电势能增加B．电子的动能增加，氢原子系统的电势能减少C．电子的动能减少，氢原子系统的电势能增加D．电子的动能减少，氢原子系统的电势能减少9、原子的能量量子化是指()A．原子的能量是不可以改变的B．原子的能量与电子的轨道无关C．原子的能量状态是不连续的D．原子具有分立的能级10、光的发射和吸收过程是()A．原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出的光子的能量等于原子在初、末两个能级的能量差B．原子不可能从低能级跃迁到高能级C．原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁，放出光子后从高能级向低能级跃迁D．只要原子吸收了光子就一定能从低能级跃迁到高能级11、氢原子从能量为E1的较高能级跃迁到能量为E2的较低能级，真空中光速为c，则()A．吸收的光子的波长为hEEc)(21B．吸收的光子的波长为hEEc)(21C．辐射的光子的波长为)(21EEchD．辐射的光子的波长为21EEhc12、如图所示为氢原子的四个能级，其中E1为基态，若氢原子A处于激发态E2，氢原子B处于激发态E3，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通够吸收原子B辐射出的光子并跃迁到能级E4D．原子B能够吸收原子A辐射出的光子并跃迁到能级E413、氢原子中核外电子从第二能级跃迁到基态时，辐射出的光照射在某金属表面上能产生光电效应。那么处于第三能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射出的各种频率的光可能使此