原子结构氢原子光谱

第二节原子结构氢原子光谱课堂互动讲练经典题型探究知能优化演练第二节原子结构氢原子光谱基础知识梳理基础知识梳理一、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(1)1909～1911年，英国物理学家_______进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型．(2)α粒子散射实验汤姆孙卢瑟福图13－2－1②实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数沿_____前进，少数发生_______偏转，极少数偏转角度大于90°，甚至被弹回．(3)核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部_______和几乎全部_____都集中在原子核里，带负电的_____在核外空间绕核旋转．直线大角度正电荷质量电子①实验装置：如图13－2－1所示．二、氢原子光谱与玻尔理论1．光谱的分类2．氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式1λ＝R(122－1n2)(n＝3,4,5…，R是里德伯常量，R＝1.10×107m－1)．3．玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列_______的能量状态中，在这些能量状态中原子是_____的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．不连续稳定(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它______或______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hν＝________.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)(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运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是________的．三、氢原子的能级、能级公式1．氢原子的能级和轨道半径辐射吸收Em－En不连续(1)氢原子的能级公式：En＝E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量E1＝－13.6eV.(2)氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，r1＝0.53×10－10m.2．氢原子的能级图：如图13－2－2.1n2图13－2－2课堂互动讲练一、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．2．原子从高能级向低能级跃迁，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．一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N＝＝C4．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．nn－122n.特别提醒：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满足ΔE≥E∞－En.即时应用(即时突破，小试牛刀)1.氢原子的能级如图13－2－3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()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图13－2－3C．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＝C2n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.二、氢原子跃迁时的能量变化1．原子能量：En＝Ekn＋Epn＝E1n2，随n增大而增大，其中E1＝－13.6eV.2．电子动能：电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力，即ke2r2＝mv2r，所以Ekn＝12ke2rn，随r增大而减小．3．电势能通过库仑力做功判断电势能的增减．当轨道半径减小时，库仑力做正功，电势能减小；反之，轨道半径增大时，电势能增加．即时应用(即时突破，小试牛刀)2.(2011年杭州二中检测)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．经典题型探究原子结构与α粒子散射实验例1卢瑟福和他的助手做α粒子轰击金箔实验，获得了重要发现：(1)关于α粒子散射实验的结果，下列说法正确的是()A．证明了质子的存在B．证明了原子核是由质子和中子组成的C．证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里D．说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动(2)在α粒子散射实验中，现有一个α粒子以2.0×107m/s的速度去轰击金箔，若金原子的核电荷数为79.求该α粒子与金原子核间的最近距离．(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为ε＝kq1q2r，α粒子质量为6.64×10－27kg)【解析】(1)选C.α粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核．数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子，所以C对，A、B错．玻尔发现了电子轨道量子化，D错．(2)从能量转化角度看，当α粒子靠近原子核运动时，α粒子的动能转化为电势能，达到最近距离时，动能全部转化为电势能，设α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d，则有12mv2＝kq1q2dd＝2kq1q2mv2＝2×9.0×109×2×79×1.6×10－1926.64×10－27×2.0×1072m＝2.7×10－14m.【答案】(1)C(2)2.7×10－14m与玻尔理论有关的计算例2已知氢原子基态的电子轨道半径r1＝0.53×10－10m，基态的能级值为E1＝－13.6eV.(1)求电子在n＝1的轨道上运动形成的等效电流．(2)有一群氢原子处于量子数n＝3的激发态，画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线．(3)计算这几条光谱线中最长的波长．【解析】(1)电子绕核运动具有周期性，设运转周期为T，由牛顿第二定律和库仑定律有：ke2r21＝m(2πT)2r1①又轨道上任一处，每一周期通过该处的电荷量为e，由电流的定义式得所求等效电流I＝eT②联立①②式得I＝e22πr1kmr1＝1.6×10－1922×3.14×0.53×10－10×9×1099.1×10－31×0.53×10－10A＝1.05×10－3A.(2)由于这群氢原子的自发跃迁辐射，会得到三条光谱线，如图13－2－4所示．(3)三条光谱线中波长最长的光子能量最小，发生跃迁的两个能级的能量差最小，根据氢原子能级的分布规律可知，氢原子一定是从n＝3的能级跃迁到n＝2的能级，设波长为λ，图13－2－4【答案】(1)1.05×10－3A(2)见解析(3)6.58×10－7m由hcλ＝E3－E2，得λ＝hcE3－E2＝6.63×10－34×3×108－1.51＋3.4×1.6×10－19m＝6.58×10－7m.【名师归纳】(1)掌握原子跃迁的规律和特点是正确分析该题目的关键．(2)在处理电子在原子核外绕核运转的问题时，可认为其做匀速圆周运动，则电子一定需要向心力，而向心力只能来自于电子和原子核间的库仑引力，据此可由圆周运动的知识列出相应的方程，进行求解．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；(2)电子在n＝4轨道上运动的动能；(已知能量关系En＝E1，半径关系rn＝n2r1，k＝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)有关氢原子能量的计算1n2例3【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．【解析】(1)由En＝1n2E1得E4＝E142＝－0.85eV.(2)因为rn＝n2r1，所以r4＝42r1，由圆周运动知识得ke2r24＝mv2r4所以Ek4＝12mv2＝ke232r1＝9.0×109×1.6×10－19232×0.53×10－10J≈0.85eV.(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【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．知能优化演练本部分内容讲解结束点此进入课件目录按ESC键退出全屏播放谢谢使用