（北京专用）2020版高考物理总复习 第十六章 第1讲 原子结构课件

第1讲原子结构一卢瑟福核式结构学说二玻尔原子模型知识梳理考点一原子结构的探究———α粒子散射实验结论分析考点二氢原子的能级、轨道及跃迁问题总纲目录考点三应用玻尔理论综合分析氢原子的能级、轨道和光谱问题知识梳理一、卢瑟福核式结构学说 1.α粒子散射现象绝大多数α粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进,少数α粒子发生了较大角度的偏转,并且有①极少数α粒子偏转角超过了90°,有的甚至被“撞了回来”,偏转角几乎达到180°。2.原子的核式结构卢瑟福对α粒子散射实验结果进行了分析,于1911年提出了原子的②核式结构学说:在原子的中心有一个③很小的核,叫做原子核,原子的④全部正电荷和⑤几乎所有的质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。二、玻尔原子模型1.玻尔假说的内容(1)轨道量子化:原子核外电子的轨道可能是某些①分立的数值。(2)能量状态量子化:原子只能处于与轨道量子化对应的②不连续的能量状态中,在这些状态中,原子是③稳定的,不辐射能量。(3)跃迁假说:原子从一个能级向另一个能级跃迁时,吸收(或辐射)一定频率的光子,光子能量E=④hν=⑤Em-En。2.氢原子能级(1)能级:原子在各个定态时的⑥能量值称为原子的能级。(2)氢原子的能级公式和轨道半径公式:En=⑦ E1,E1=-13.6eVrn=⑧n2r1,r1=0.53 (3)基态:在正常状态下,原子处于⑨最低能级,这时电子在离核最近的轨道上运动的定态称为基态。21nA(4)激发态:原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级,这时电子在离核⑩较远的轨道上运动的定态称为激发态。3.光子的发射与接收原子从一种定态(能量为E初)跃迁到另一种定态(能量为E终)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 能级差决定,即hν=|E初-E终|。若E初E终,则 辐射光子;若E初E终,则 吸收光子。 1.卢瑟福提出了原子的核式结构模型,这一模型建立的基础是 (C)A.对阴极射线的研究B.天然放射现象的发现C.α粒子散射实验D.氢原子光谱的发现解析卢瑟福提出原子的核式结构模型的基础是α粒子散射实验。2.如图所示为玻尔理论中氢原子能级图。当氢原子从n=4的激发态向较低能级跃迁时,放出光子的能量可能是 (B) A.13.6eVB.10.2eVC.3.4eVD.1.51eV解析原子能级跃迁的时候放出的光子能量只能等于相应两能级差。3.按照玻尔理论,大量氢原子从n=3的激发态向低能级跃迁时,最多能向外辐射 (B)A.2种不同频率的光子B.3种不同频率的光子C.4种不同频率的光子D.5种不同频率的光子解析由n=3能级向n=2能级跃迁放出一种频率的光子,由n=3能级向n=1能级跃迁放出一种频率的光子,由n=2能级向n=1能级跃迁放出一种频率的光子,共三种,B正确。4.根据玻尔理论,氢原子的电子由n=2轨道跃迁到n=1轨道 (A)A.原子的能量减少,电子的动能增加B.原子的能量增加,电子的动能减少C.原子要放出一系列频率不同的光子D.原子要吸收某一频率的光子解析根据玻尔理论,氢原子的电子从n=2轨道跃迁到n=1轨道时要放出一种特定频率的光子,故原子的能量减少,但电子在跃迁过程中,静电力对其做正功,故电子的动能增加,故A正确。深化拓展考点一原子结构的探究——α粒子散射实验结论分析1.原子中有电子,但电子质量很小,不及α粒子质量的七千分之一,α粒子碰到它,就像飞行的子弹碰到一粒尘埃一样,运动方向不会发生明显改变。α粒子散射现象表明,原子内部非常空旷,带正电的部分体积很小,但集中了几乎全部质量,当α粒子接近原子核时,就会受到很大的库仑斥力,发生较大角度的偏转,由于原子核体积小,α粒子穿过金箔时接近原子核的机会很小,所以只有少数α粒子发生大角度偏转。2.卢瑟福核式结构内容原子  ,带正电原子核几乎集中了原子全部质量电子带负电电子绕核运动1-1如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图,荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C三个位置时,关于观察到的现象,下列说法中正确的是 (A) A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数最少C.相同时间内放在C位置时观察到屏上的闪光次数最少D.放在C位置时观察不到屏上有闪光解析由α粒子散射实验的结果可知A正确,B、C、D均错。1-2卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构,正确反映实验结果的示意图是 (D) 解析α粒子轰击金箔时,越靠近金原子核,偏转的角度越大,所以A、B、C错误,D正确。考点二氢原子的能级、轨道及跃迁问题1.氢原子的能级图如图所示2.氢原子的能级和轨道半径(1)氢原子的能级公式:En= E1(n=1,2,3,…),其中E1为基态能量,其数值为E1=-13.6eV。(2)氢原子的轨道半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.53×10-10m。21n3.能级跃迁的规律(1)定态间的跃迁——满足能级差:hν=Em-En(mn)。(2)电离与电离能电离态:n=∞,E=0。电离能:使电子电离所需吸收的最小能量,如:基态→电离态:E吸=0-E1=(-13.6eV)=13.6eVn=2→电离态:E吸=0-E2=0-(-3.4eV)=3.4eV如果吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还有动能。(3)跃迁时电子动能、原子电势能与总能量变化:当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子电势能减小,电子动能增大,原子总能量减小,反之,轨道半径增大时,原子电势能增大,电子动能减小,原子总能量增大。【情景素材·教师备用】2-1(2017朝阳二模)根据玻尔的原子模型,一个氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级时,该氢原子 (B)A.吸收光子,能量减小B.放出光子,能量减小C.放出光子,核外电子动能减小D.吸收光子,核外电子动能不变解析氢原子在量子数较大的能级上时,具有的能量也较大,从n=3能级跃迁到n=1能级时,放出光子,能量减小,故B对而A、D均错误。原子处于较低能级时,电子绕核运动的轨道也较低,由k =m 及Ek= mv2可知在低轨道上运动时电子的动能较大,故C错误。122qqr2vr122-2已知氦离子(He+)的能级图如图所示,根据能级跃迁理论可知 () A.氦离子(He+)从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出光子的频率低B.大量处在n=3能级的氦离子(He+)向低能级跃迁,只能发出2种不同频率的光子C.氦离子(He+)处于n=1能级时,能吸收45eV的能量跃迁到n=2能级D.氦离子(He+)从n=4能级跃迁到n=3能级,需要吸收能量答案A氦离子由高能级向低能级跃迁,辐射光子的能量等于两能级的能量差,对应光子频率ν满足:hν=En-Em(nm),A正确;大量处于n=3能级的氦离子向低能级跃迁,能发出3种不同频率的光子,B错误;离子只能吸收能量等于能级差的光子才能跃迁到高能级,C错误;离子从高能级跃迁到低能级,以光子的形式辐射能量,D错误。考点三应用玻尔理论综合分析氢原子的能级、轨道和光谱问题一、应用玻尔理论分析氢原子的能级、轨道的方法玻尔理论的成功之处在于引入了量子化的概念,但因保留了经典的原子轨道,故有关氢原子的计算仍应用经典物理的理论。对电子绕核运动的轨道半径、速度、周期、动能、电势能等的计算,是牛顿运动定律、库仑定律、匀速圆周运动等知识的综合应用。氢原子各定态的能量值为电子绕核运动的动能Ek和电势能Ep的代数和;当取无穷远处电势能为零时,各定态的电势能均为负值。某定态时,核外电子的动能Ek总是等于该定态总能量的绝对值,原子系统的电势能Ep总是等于该定态总能量值的两倍。运用这一数值关系可以巧妙地进行几种能量变化分析。规定无穷远处原子系统的电势能为零,则原子各能级的能量为负值,即E1=-13.6eV,r1=0.53×10-10m。En= ,rn=n2r1,随电子轨道半径的增大,能量增大。另外由经典理论 =m 知,其动能Ekn= mv2= = 12En22nker2nvr1222nker213.6eVn即Ekn= ,随n的增大,电子的动能减小。其电势能Epn=En-Ekn= ,随n的增大,原子的电势能增大。 12||En122En3-1氢原子辐射出一个光子后,下列说法正确的是 (B)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.原子的能级增大解析根据玻尔理论可知,氢原子辐射光子后,电子应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道。跃迁过程中,电场力对电子做正功,故电势能减小。根据经典物理理论可知,电子绕核做匀速圆周运动的向心力由核对电子的库仑力提供,即 = ,则Ek= = ,电子的轨道半径减小,其动能增大。由能量守恒定律可知,氢原子放出光子,辐射能量,所以原子总能量减少。故B正确。22ker2mvr22mv22ker3-2(2017海淀一模)微观世界与宏观世界往往存在奇妙的相似性。对于氢原子模型,因为原子核的质量远大于电子的质量,可以忽略原子核的运动,形成类似天文学中的恒星—行星系统,记为模型Ⅰ。另一种模型认为氢原子的核外电子并非绕核旋转,而是类似天文学中的双星系统,核外电子和原子核依靠库仑力作用使它们同时绕彼此连线上某一点做匀速圆周运动,记为模型Ⅱ。已知核外电子的质量为m,氢原子核的质量为M,二者相距为r,静电力常量为k,电子和氢原子核的电荷量大小均为e。(1)模型Ⅰ、Ⅱ中系统的总动能分别用EkⅠ、EkⅡ表示,请推理分析,比较EkⅠ、EkⅡ的大小关系;(2)模型Ⅰ、Ⅱ中核外电子做匀速圆周运动的周期分别用TⅠ、TⅡ表示,通常情况下氢原子的研究采用模型Ⅰ的方案,请从周期的角度分析这样简化处理的合理性。解析(1)模型Ⅰ中,设电子的速度为v,对于电子绕核的运动,根据库仑定律和牛顿第二定律有 = 解得EkⅠ= mv2= 模型Ⅱ中,设电子和原子核的速度分别为v1、v2,电子的轨道半径为r1,原子核的轨道半径为r2。根据库仑定律和牛顿第二定律对电子有 = ,解得Ek1= m = r122ker2mvr1222ker22ker211mvr1221v222ker答案见解析对原子核有 = ,解得Ek2= M = r2系统的总动能EkⅡ=Ek1+Ek2= (r1+r2)= 即在这两种模型中,系统的总动能相等。(2)模型Ⅰ中,根据库仑定律和牛顿第二定律有 =m r,解得 = 模型Ⅱ中,电子和原子核的周期相同,均为TⅡ根据库仑定律和牛顿第二定律22ker222Mvr1222v222ker222ker22ker22ker224TⅠ2TⅠ2324mrke对电子有 =m ·r1,解得r1= 对原子核有 =M ·r2,解得r2= 因r1+r2=r,将以上两式代入,可解得 = 所以有 = 因为M≫m,可得TⅠ≈TⅡ,所以采用模型Ⅰ更简单方便。22ker224TⅡ22224keTrmⅡ22ker224TⅡ22224keTrMⅡ2TⅡ2324()mMrkeMmTTⅠⅡMmM二、氢原子光谱问题分析方法1.一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射的光谱线条数N= (或几种光子的能量)。(1)2nn2.一个原子在一次跃迁时只发出(或吸收)一个光子。 3-3氢原子部分能级的示意图如图所示。不同色光的光子能量如表所示。 色光红橙黄绿蓝-靛紫光子能量范围(eV)1.61~2.002.00~2.072.07~2.142.14~2.532.53~2.762.76~3.10处于某激发态的氢原子,发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条,其颜色分别为 (A)A.红、蓝-靛B.黄、绿C.红、紫D.蓝-靛、紫解析原子发光时光子的能量等于原子能级差,先分别计算各相邻能级的能级差,再由小到大排序。结合可见光的光子能量图可知,有两个能量分别为1.89eV和2.55eV的光子属于可见光,并且属于红光和蓝-靛光的范围,故答案为A。3-4许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的,因此光谱研究是探索原子结构的一条重要途径