高考物理总复习 第15章 第2讲 原子结构 氢原子光谱课件 新人教版

第十五章波粒二象性原子结构与原子核第二讲原子结构氢原子光谱1考纲展示1.氢原子光谱(Ⅰ)2.氢原子的能级结构、能级公式(Ⅰ)3.原子核的组成(Ⅰ)复习目标1.理解玻尔理论对氢原子光谱的解释，掌握氢原子的轨道半径公式和能级公式并能灵活运用．2.能用氢原子能级图求解原子的能级跃迁问题．3.了解原子的核式结构，知道α粒子散射实验及物理意义.知识点一原子结构1．电子的发现：英国物理学家发现了电子．2．α粒子散射实验1909～1911年，英国物理学家和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来．汤姆孙卢瑟福原来3．原子的核式结构模型在原子中心有一个很小的核，原子全部的和几乎全部都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转．正电荷质量认识原子结构的线索1．如图所示为α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下述说法不正确的是()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比放在A位置时少得多C．放在C、D位置时屏上观察不到闪光D．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少解析：根据α粒子散射实验的现象，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因此在A位置观察到闪光次数最多，故A正确，少数α粒子发生大角度偏转，因此从A到D观察到闪光会逐渐减小，因此B、D正确，C错．答案：C知识点二氢原子光谱1．光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的成分和分布的记录，即光谱．2．光谱分类：有些光谱是一条条的，这样的光谱叫做线状谱．有的光谱是连在一起的，这样的光谱叫做连续谱．波长(频率)强度亮线光带3．氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢原子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，n为量子数．2．关于巴耳末公式1λ＝R122－1n2的理解，下列说法正确的是()A．所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出B．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱C．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱D．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析解析：只有氢原子光谱中可见光波长的倒数满足巴耳末公式，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线不满足巴耳末公式，满足的是与巴耳末公式类似的关系式，A、D错；在巴耳末公式中的n只能取不小于3的整数，不能连续取值，波长也只能是分立的值，故氢原子光谱不是连续谱而是线状谱，B错，C对．答案：C知识点三玻尔理论能级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，电子绕核运动的可能轨道是的．(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．这些具有确定能量的稳定状态称为定态，在各个定态中，原子是的，不向外辐射能量．不连续量子化稳定(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，光子的能量等于两个状态的，即hν＝.2．能级：在玻尔理论中，原子各个可能状态的．3．基态和激发态：原子能量的状态叫基态，其他能量(相对于基态)较高的状态叫激发态．4．量子数：现代物理学认为原子的可能状态是不连续的，各状态可用正整数1,2,3，…表示，叫做量子数，一般用n表示．辐射吸收能量差|E初－E末|能量值最低5．氢原子的能级和轨道半径(1)氢原子半径公式rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，也称为玻尔半径，r1＝0.53×10－10m.(2)氢原子能级公式En＝1n2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为氢原子基态的能量值，E1＝－13.6eV.1．对原子跃迁条件hν＝Em－En的说明原子跃迁条件hν＝Em－En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．对于光子和原子作用而使氢原子电离时，只要入射光的能量E≥13.6eV，氢原子就能吸收光子的能量，对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时，实物粒子的能量大于或等于能级差即可．2．氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化(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＝ke22rn，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．3．关于光谱线条数的两点说明(1)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为N＝C2n＝nn－12.(2)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．3．氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，以下说法正确的是()A．电子的动能减少，电势能增大B．电子的动能增大，电势能减小C．电子绕核旋转的半径减小，周期变小D．电子绕核旋转的半径增大，周期变大解析：根据玻尔理论，氢原子核外电子绕核做圆周运动，静电力提供向心力，即ke2r2＝mv2r，电子运动的动能Ek＝12mv2＝ke22r，由此可知，离核越远，动能越小．氢原子辐射光子后，总能量减小．由于其动能Ek＝ke22r，跃迁到低能级时，r变小，动能变大，因总能量E等于其动能和电势能之和，故知电子的电势能减小．氢原子的核外电子跃迁到低能级时在离核较近的轨道上运动，半径变小，速度变大，由周期公式T＝2πrv知，电子绕核运动的周期变小．综上所述，选项B、C正确．答案：BC如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子，用这些光子照射逸出功为2.49eV的金属钠，下列说法正确的是A．这群氢原子能辐射出三种频率不同的光，其中从n＝3跃迁到n＝2所发出的光波长最短B．这群氢原子在辐射光子的过程中电子绕核运动的动能减小，电势能增大C．金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为11.11eVD．金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为9.60eV辐射光子的能量hν＝Em－En＝ΔE，又hν＝hcλ，则能级差ΔE越小，λ越大，ΔE越大，λ越小．答案：D解析：辐射光的频率数为C2n＝C23＝3，但从n＝3跃迁到n＝2所发出的光子能量最小，光的频率最小，波长最大，A错，氢原子在辐射光子的过程后，轨道半径减小，动能增大，电势能减小，总能量减小，B错；辐射光子的最大能量为12.09eV，所以金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为(12.09－2.49)eV＝9.60eV，C错，D对．解答能级跃迁与光谱线问题的注意事项1．能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的．2．一个氢原子，向低能级跃迁时可能发出的光子种数最多为n－1，而一群氢原子向低能级跃迁时可能发出的光子种数最多为C2n.3．能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En求得．若求波长可由公式c＝λν求得．【变式训练】1.如图所示为氢原子能级图，可见光的光子能量范围约为1.62～3.11eV.下列说法正确的是()A．大量处在n3的高能级的氢原子向n＝3能级跃迁时，发出的光有一部分是可见光B．大量处在n＝3能级的氢原子向n＝2能级跃迁时，发出的光是紫外线C．大量处在n＝3能级的氢原子向n＝1能级跃迁时，发出的光都应具有显著的热效应D．处在n＝3能级的氢原子吸收任意频率的紫外线光子都能发生电离解析：当处在n3的高能级的氢原子向n＝3能级跃迁时，放出光子的最大能量ΔE＝1.51eV，故不可能为可见光，A错；当从n＝3向n＝2跃迁时，光子能量ΔE＝3.4eV－1.51eV＝1.89eV，为可见光，B错；当从n＝3向n＝1跃迁时，光子能量ΔE＝12.09eV，在紫外区，无显著的热效应，C错；紫外线光子的能量hν3.11eV，大于处于n＝3能级的氢原子的电离能，故D正确．答案：D(1)能量为Ei的光子照射基态氢原子，刚好可使该原子中的电子成为自由电子．这一能量Ei称为氢的电离能．现用一频率为ν的光子从基态氢原子中击出了一电子，该电子在远离核以后速度的大小为______(用光子频率ν、电子质量m、氢原子的电离能Ei和普朗克常量h表示)．(2)氢原子在基态时轨道半径r1＝0.53×10－10m，能量E1＝－13.6eV，求氢原子处于基态时：①电子的动能；②原子的电势能；③用波长是多少的光照射可使其电离？解析：(1)由能量守恒得12mv2＝hν－Ei，解得电子速度为v＝2hν－Eim.(2)①设处于基态的氢原子核外电子速度为v1，则：ke2r21＝mv21r1.所以电子动能Ek1＝12mv21＝ke22r1＝9×109×1.6×10－1922×0.53×10－10×1.6×10－19eV＝13.6eV.②因为E1＝Ek1＋Ep1，所以Ep1＝E1－Ek1＝－13.6eV－13.6eV＝－27.2eV.③设用波长为λ的光照射可使氢原子电离：hcλ＝0－E1.所以λ＝－hcE1＝－6.63×10－34×3×108－13.6×1.6×10－19m＝9.14×10－8m.答案：(1)2hν－Eim(2)①13.6eV②－27.2eV③9.14×10－8m【变式训练】2.已知氢原子基态的能量是E1.一群处于n＝4能级的氢原子自发跃迁，能释放6种光子，求其中频率最小的光子的能量．解析：氢原子从n＝4能级自发跃迁，释放出能量最小的光子是由n＝4能级跃迁到n＝3能级放出的光子由En＝E1n2得，E4＝E116、E3＝E19，所以频率最小的光子能量为ΔE＝E4－E3＝－7E1144.答案：－7E1144