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原子结构能级原子光谱基础知识梳理一、原子结构1．电子的发现：1897年，英国物理学家发现了电子，明确电子是原子的组成部分，揭开了研究原子结构的序幕．2．原子的核式结构模型在原子中心有一个很小的核叫原子核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在上，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转．汤姆生原子核基础知识梳理二、玻尔理论、能级1．玻尔原子模型(1)轨道假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的轨道是的．(2)定态假设：电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，因而具有不同的能量，即原子的能量是的．这些不同的状态叫定态．在各个定态中，原子是的，不向外辐射能量．量子化量子化稳定基础知识梳理(3)跃迁假设：原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要或一定频率的光子，该光子的能量等于两个状态的，即hν＝.2．能级：在玻尔理论中，原子的各个可能状态对应的叫能级．吸收放出能量值Em－En能量差基础知识梳理3．基态与激发态：能量的状态叫基态；其他能量状态叫激发态．4．量子数：现代物理学认为原子的可能状态是不连续的，各状态的标号1,2,3…叫做量子数，一般用n表示．最低基础知识梳理三、原子光谱1．定义：稀薄气体放电所发出的光谱是的，它只发出几种确定频率的光，因此光谱线是的，这种分立的线状谱叫原子光谱．不连续分离基础知识梳理2．形成的原因：不同原子的结构不同，能级不同，因此在辐射光子时，光子的不同．3.光谱分析：每种元素光谱中的谱线分布都与其他元素不同，因此我们可以通过对光谱的分析知道发光的是什么元素，利用光谱分析可以确定样品中的元素组成．频率基础知识梳理四、氢原子的电子云1．定义：用疏密不同的点表示电子在各个位置出现的，画出图来，就像云雾一样．2．应用：通过可以知道电子在原子核附近出现的概率．概率电子云一、对氢原子能级的理解1．氢原子能级对氢原子而言，核外的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，即选取电子离核无穷远处时氢原子的能量为零，则其他状态下的能量值就是负的．课堂互动讲练课堂互动讲练对于氢原子而言，基态能量：E1＝－13.6eV.其他各激发态的能量为：E2＝－3.4eV，E3＝－1.51eV……原子各能级的关系为：En＝E1n2(n＝1,2,3，…)．课堂互动讲练2．能级图氢原子的能级图如图15－2－1所示．图15－2－11.按照玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是()A．第m个定态和第n个定态的轨道半径rm和rn之比为rm∶rn＝m2∶n2B．第m个定态和第n个定态的能量Em和En之比为Em∶En＝n2∶m2课堂互动讲练即时应用课堂互动讲练C．电子沿某一轨道绕核运动，若其圆周运动的频率为ν，则其发光频率也是νD．若氢原子处于能量为E的定态，则其发光频率为ν＝E/h课堂互动讲练解析：选AB.由氢原子核外电子轨道半径公式：rn＝n2r1知，rm∶rn＝m2∶n2，A正1,2,3，…)，所以Em∶En＝n2∶m2，B正确．根据玻尔理论，只有核外电子发生能级跃迁时，才可能发射某一频率的光，所以C、D错．确．氢原子的能量公式：En＝1n2E1(n＝课堂互动讲练二、对氢原子跃迁的理解1．原子从低能级向高能级跃迁：吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足hν＝E末－E初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级E初向高能级E末跃迁，而当光子能量hν大于或小于E末－E初时都不能被原子吸收．课堂互动讲练2．原子从高能级向低能级跃迁时，以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差．3．当光子能量大于或等于13.6eV时，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离；当氢原子吸收的光子能量大于13.6eV，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．课堂互动讲练一群氢原子处于量子数为n的激发态4．原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发．由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E＝Em－En)，均可使原子发生能级跃迁．时，可能辐射出的光谱线条数为N＝n(n－1)2＝Cn2.课堂互动讲练5．跃迁时电子动能、原子势能与原子能量的变化当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能Ep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．课堂互动讲练原子在各能级间跃迁时，所吸收的光子的能量只能等于两能级间的能级差．原子电离时所吸收的光子的能量可以大于或等于某一能级的能量绝对值，即ΔE≥E∞－En.特别提醒氢原子的能级如图15－2－2所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62eV～3.11eV.下列说法错误的是()课堂互动讲练即时应用图15－2－2课堂互动讲练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种不同频率的光课堂互动讲练解析：选D.大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，由N＝Cn2可知，共可发出6种频率的光，故选D，不选C.n＝3能级的能量为－1.51eV，因紫外线能量大于1.51eV，故紫外线可使处于n＝3能级的氢原子电离，故A项不选．从高能级跃迁到n＝3能级释放能量最多为1.51eV＜1.62eV，此光为红外线具有显著热效应，故B项不选．故选D.课堂互动讲练三、与玻尔理论有关的分析与计算在氢原子中，电子绕核运动，可将电子运动的轨道看做半径为r的圆周，则原子核与电子之间的库仑力为电子做匀速圆周运动所需的向心力．有：ke2rn2＝mvn2rn课堂互动讲练1．电子速度vn＝ke2mrn.2．电子运动周期Tn＝2πrnvn＝2πmrn3ke2.3．电子的动能Ekn＝12mvn2＝ke22rn.4．电子的电势能Epn＝－ke2r(Ep∞＝0)．课堂互动讲练5．氢原子在各个不同的能量状态对应不同的电子轨道，电子绕核做圆周运动的动能和系统的电势能之和即为原子的能量，即En＝Ek＋Ep＝－ke22r.课堂互动讲练6．系统的电势能变化根据库仑力做功来判断：靠近核，库仑力对电子做正功，系统电势能减小；远离核，库仑力对电子做负功，系统电势能增加．3.氢原子辐射出一个光子后()A．电子绕核旋转半径增大B．电子的动能增大C．氢原子的电势能增大D．原子的能级值增大课堂互动讲练即时应用课堂互动讲练解析：选B.放出光子后，原子能量减小，电子轨道半径减小，速度增大，动能增大，而电势能减小，故只有B正确．高频考点例析(1)关于原子结构理论与α粒子散射实验的关系，下列说法正确的是()A．卢瑟福做α粒子散射实验是为了验证汤姆生的枣糕模型是错误的B．卢瑟福认识到汤姆生“枣糕模型”的错误后提出了“核式结构”理论题型一原子结构与α粒子散射实验例1高频考点例析C．卢瑟福的α粒子散射实验是为了验证核式结构理论的正确性D．卢瑟福依据α粒子散射实验的现象提出了原子的“核式结构”理论高频考点例析(2)在α粒子散射实验中，α粒子的偏转是由于受到原子内正电荷的库仑力而发生的．实验中即使1mm厚的金箔也大约有3300层原子，但绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，只有少数发生了大角度偏转，这说明了什么？高频考点例析【解析】(1)由于卢瑟福设计的α粒子散射实验是为了探究原子内电荷的分布，并非为了验证汤姆生模型是错误的，A错误；卢瑟福并不是认识到“枣糕模型”的错误而提出“核式结构”理论的，B错误；卢瑟福做了α粒子散射实验后，由实验现象提出了“核式结构”理论，C错误，D正确．高频考点例析(2)α粒子穿过金箔后绝大多数仍沿原来的方向前进，说明它们距正电荷部分较远，库仑力很小；尽管经过若干层原子，但靠近正电荷部分的机会很小，这说明原子内带正电荷部分在整个原子中占的空间非常小．【答案】(1)D(2)见解析(2009年高考全国卷Ⅱ)氢原子的部分能级如图15－2－3所示，已知可见光的光子能量在1.62eV到3.11eV之间．由此可推知，氢原子()高频考点例析题型二氢原子能级跃迁例2图15－2－3高频考点例析A．从高能级向n＝1能级跃迁时发出的光的波长比可见光的短B．从高能级向n＝2能级跃迁时发出的光均为可见光C．从高能级向n＝3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高D．从n＝3能级向n＝2能级跃迁时发出的光为可见光高频考点例析能量越大时光的频率越高、波长越短．从高能级向n＝1能级跃迁时光子能量为E≥E2－E1＝10.2eV，A正确．从高能级向n＝2的能级跃迁时发出的光子能量为E3－E2≤E≤－【解析】由E＝hν＝hcλ知，光子高频考点例析E2，即1.89eV≤E≤3.40eV，可见有一部分光处于紫外线区域，B错误．从高能级向n＝3的能级跃迁时，光子能量最高E＝－E3＝1.51eV，比可见光光子能量小，C错误．从n＝3能级向n＝2能级跃迁时光子能量E＝E3－E2＝1.89eV，D正确．【答案】AD高频考点例析氢原子基态能量E1＝－13.6eV，电子绕核做圆周运动的半径r1＝0.53×10－10m．求氢原子处于n＝4激发态时：(1)原子系统具有的能量；题型三电子运动与电离例1高频考点例析(2)电子在n＝4轨道上运动的动能；(已＝9.0×109N·m2/C2，e＝1.6×10－19C)(3)若要使处于n＝2的氢原子电离，至少要用频率多大的电磁波照射氢原子？(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s)知能量关系En＝1n2E1，半径关系rn＝n2r1，k高频考点例析【思路点拨】由玻尔的能级理论可求得(1)，玻尔的原子模型(轨道理论)和圆周运动相结合可求得(2)，使原子电离与两能级间的跃迁有所区别，不要将二者混淆，理解电离的实质：电子获得足够能量从而脱离原子束缚．高频考点例析(2)因为rn＝n2r1，所以r4＝42r1，由圆周运动知识得【解析】(1)由En＝1n2E1得E4＝E142＝－0.85eV.ke2r42＝mv2r4所以Ek4＝12mv2＝ke232r1＝9.0×109×(1.6×10－19)232×0.53×10－10J≈0.85eV.高频考点例析(3)要使处于n＝2的氢原子电离，照射光的光子能量应能使电子从第2能级跃迁到无限远处，最小频率的电磁波的光子能量应为：hν＝0－E14得ν≈8.21×1014Hz.【答案】(1)－0.85eV(2)0.85eV(3)8.21×1014Hz高频考点例析【规律总结】求解电子在某条轨道上的动能时要将玻尔的轨道理论与电子绕核做圆周运动的向心力结合起来．