二节原子结构氢原子光谱

第二节原子结构氢原子光谱一、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原子____上，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转．汤姆孙核二、氢原子光谱1．光谱：用光栅和棱镜可以把光按波长展开，获得光的______________和___________的记录，即光谱．2．线状谱：光谱是一条条的_______．3．连续谱：光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的_______．4．特征谱线：不同原子的亮线位置______，说明不同原子的发光频率是_______的，因此这些亮线称为原子的特征谱线．波长(频率)成分强度分布亮线光带不同不同5．光谱分析：利用____________来鉴别物质和确定物质的组成成分，这种方法称为光谱分析．6．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)．特征谱线三、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，电子绕核运动的轨道是_______的．不连续(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．(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＝______________．不连续稳定吸收放出能级差Em－En(mn)2．能级：在玻尔理论中，原子的各个可能状态的__________叫能级．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．能量值最低课堂互动讲练一、α粒子散射实验与原子核式结构模型1．卢瑟福的α粒子散射实验装置(如图15－2－1)图15－2－12．α粒子散射实验的现象图15－2－2绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子甚至被撞了回来．如图15－2－2所示3．建立核式结构模型的要点(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．(2)汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射．(3)少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电量均比它本身大得多的物体的作用．(4)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层而运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的．原子的质量、电量都集中在体积很小的原子核上．4．三个原子模型的对比实验基础原子结构成功和局限“枣糕”模型电子的发现原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子镶嵌在其中可解释一些实验现象，但无法说明α粒子散射实验核式结构型模卢瑟福的α粒子散射实验原子的中心有一个很小的核，全部正电荷和几乎全部质量集中在核内，电子在核外运动成功解释了α粒子散射实验，无法解释原子的稳定性及原子光谱的分立特征玻尔的原子模型氢原子光谱的研究在核式结构模型基础上，引入量子观念成功解释了氢原子光谱及原子的稳定性，不能解释较复杂原子的光谱现象即时应用1.(2010年高考上海卷)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()A．α粒子的散射实验B．对阴极射线的研究C．天然放射性现象的发现D．质子的发现解析：选A.卢瑟福根据α粒子的散射实验的结果，提出原子的核式结构模型，所以A项正确．二、玻尔理论的理解1．玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量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．(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定．即hν＝Em－En.(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不连续的．2．玻尔模型中电子运动有关计算问题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.(1)电子运动的速度、周期、动能与半径的关系由库仑力提供向心力ke2r2n＝mv2nrn电子速度vn＝ke2mrn电子运动周期Tn＝2πrnvn＝2πmr3nke2电子的动能Ekn＝12mv2n＝ke22rn(2)系统的电势能变化可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．即时应用2.氢原子在基态时的能级为E1＝－13.6eV，其电子的轨道半径为r1＝0.53×10－10m，求：(1)电子在第一条轨道上的电势能．(2)要使基态原子电离，至少要吸收多高频率的电磁波？解析：(1)电子的电势能不能直接求出，可以考虑先算出它的动能Ek1，再由Ep1＝E1－Ek1求出，基态时r1＝0.53×10－10mE1＝－13.6eV，ke2r21＝mv21r1Ek1＝12mv21＝12ke2r1≈13.6eV所以Ep1＝E1－Ek1＝－27.2eV.(2)吸收光子的最低能量至少要等于氢原子的电离能量，设此光子最低频率为ν0.由hν0＝E∞－E1＝13.6eV，得ν0＝13.6×1.6×10－196.63×10－34Hz＝3.28×1015Hz.答案：(1)－27.2eV(2)3.28×1015Hz三、氢原子的能级与跃迁1．氢原子的能级和轨道半径(1)氢原子的能级公式：En＝1n2E1(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15－2－3所示)图15－2－31)能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态．(2)横线左端的数字“1,2,3…”表示量子数，右端的数字“－13.6，－3.40…”表示氢原子的能级．(3)相邻横线间的距离，表示相邻的能级差，量子数越大，相邻的能级差越小．(4)带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为：hν＝Em－En.3．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＝nn－12＝C2n.(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．(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．名师点睛：(1)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原子电离时，只要入射光的能量E≥13.6eV，原子就能吸收，对于实物粒子与原子作用使原子激发时，粒子能量大于或等于能级差即可．(2)原子跃迁发出的光谱线条数N＝C2n＝nn－12，是一群氢原子，而不是一个，因为某一个氢原子有固定的跃迁路径．即时应用3．如图15－2－4所示为氢原子最低的四个能级，当氢原子在这些能级间跃迁时：(1)有可能放出________种能量的光子．(2)在哪两个能级间跃迁时，所放出光子波长最长？波长是多少？图15－2－4解析：(1)由N＝nn－12＝4×4－12＝6种．(2)氢原子由第四能级向第三能级跃迁时，能级差最小，辐射的光子波长最长．由hν＝E4－E3，得：hcλ＝E4－E3，所以λ＝hcE4－E3＝6.63×10－34×3×108[－0.85－－1.51]×1.6×10－19m＝1.88×10－6m.答案：(1)6种(2)见解析经典题型探究原子核式结构模型的理解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例1(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)【思路点拨】(1)根据α粒子散射实验结果和玻尔理论综合分析．(2)α粒子接近原子核的过程中，动能与电势能相互转化．【解析】(1)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，12mv2＝kq1q2d.d＝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【规律总结】(1)微观世界是看不见的，我们可以根据它们产生的各种效应来进行分析、推理和判断，来达到认识微观世界的目的；对于实验推理类问题，要求记住：①实验的发明者、时间和装置；②实验事实或现象；③由实验结果得出什么结论；④实验的意义所在．(2)核式结构模型是核外电子绕原子核做匀速圆周运动，相关计算应采用库仑力充当向心力的方法．能级跃迁与光谱分析例2(2009年高考全国卷Ⅱ改编)氢原子的部分能级如图15－2－5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()图15－2－5A．从高能级向n＝1能级跃迁时发出的光的波长比可见光的长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【思路点拨】解决此题把握以下三点：(1)利用公式E＝hν＝hcλ分析光子的波长、频率．(2)由能级跃迁图求光子的能量．(3)结合可见光能量范围进行对比．【解析】从高能级向n＝1能级跃迁时发出的光子的能量最小值ΔE＝E2－E1＝－3.4eV－(－13.6)eV＝10.2eV＞3.11eV，由λ＝hcΔE可判断，从高能级向n＝1能级跃迁时最大波长比可见光的最小波长还小，因此选项A错误．从高能级向n＝2能级跃迁发出的光子的能量范围是1.89eV≤ΔE≤3.40eV，与可见光光子的能量有重合的范围，因此，从高能级向n＝2能级跃迁时发出的光有可见光，也有非可见光，故选项B错误．从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光子能量范围为：0.66eV≤ΔE≤1.51eV，比可见光光子的能量范围小，