2013-2014学年高二物理粤教版选修3-5同步课件：第3章 第4节 原子的能级结构(40张ppt

第四节原子的能级结构1．了解原子的能级、跃迁、能量量子化以及基态和激发态等概念．2．了解原子能量子化是如何提出来的，理解原子发射与吸收光子的频率和能级差的关系．3．知道氢原子能级公式，以及能利用能级公式分析一些有关能级的问题．4．能用原子的能级结构解释氢原子的光谱的不连续性．按经典理论电子绕核旋转做加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中．轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，原子光谱应是连续的光谱．实验表明原子相当稳定，这一结论与实验不符．实验测得原子光谱是不连续的谱线．氢原子的发光原理是什么，用什么理论来解释氢原子的发光现象？一、能级结构猜想1．原子内部________能量称为原子的能级；原子从一个能级变化到另一能级的过程叫做________．2．跃迁时辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即______________(h为普朗克常量)．二、氢原子的能级1．氢原子的能级：____________________或________________________．跃迁不连续的hν＝Em－EnEn＝－Rhcn2，n＝1,2,3…En＝E1n2，E1＝－13.6eV2．在正常状态下，氢原子处于____________________，这个____________对应的状态称为基态．3．________对应的状态称为激发态．4．氢原子的能级图如图所示：较高能级最低的能级E1(n＝1)最低能级玻尔理论的理解一、经典电磁理论的困惑1．原子是否稳定：电子绕核旋转，做的是一种变加速运动，因而就要向外辐射电磁波，由于能量不断的向外辐射，使得电子绕核运动的轨道半径也要减小，这样电子会沿着螺旋线落在原子核上，因而原子是不稳定的，但事实上原子通常是稳定的．2．原子发光：所发射光的频率遵循经典电磁理论，电子绕核运动时辐射的电磁波的频率等于电子绕核运动的频率，当电子运动的轨道半径逐渐减小时，辐射的电磁波频率将不断增大，这样大量原子发光时所发射的光应包含各种频率的光，而实际上原子所发出的光的频率是不连续的．二、玻尔理论的三个要点1．能级(定态)假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些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．跃迁假设：原子从一种定态(设能量为En)跃迁到另一种定态(设能量为Em)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量差决定，即hν＝Em－En.3．轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形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的分布也是分立的．下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是()A．原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量B．原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变，就不会向外辐射能量C．原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子D．原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的解析：由玻尔理论的三个要点可知，选项A、B、D说法是正确的；原子从一种定态跃迁到另一种定态时，可能辐射，也可能吸收一定频率的光子．答案：C课堂训练1．按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量________(选填“越大”或“越小”)．已知氢原子的基态能量为E1(E10)，电子质量为m，基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后，电子速度大小为________(普朗克常量为h)．解析：电子离原子核越远电势能越大，原子能量也就越大；根据动能定理有，hν＋E1＝mv2，所以电离后电子速度为.答案：越大122hν＋E1m2hν＋E1m氢原子的能级跃迁理解一、能级及可能轨道半径原子内部不连续的能量称为原子的能级．能量的最低状态叫基态，氢原子的基态能量：E1＝－13.6eV,E1代表电子在第一条可能轨道上运动时的能量．其它能级状态叫激发态．其它各能级的关系为：En＝E1(n＝1,2,3…n是正整数，叫量子数)，它对应电子在各条可能轨道上运动时的能量(包括动能和势能)．E2＝－3.4eVE3＝－1.51eVE4＝－0.85eV…1n2氢原子的能级图如上面图所示．电子离核最近的一条可能轨道的半径r1＝0.53×10－10m；其它各条可能轨道的半径rn＝n2r1(n＝1,2，3…n是正整数，叫量子数)．二、氢原子能级跃迁的可能氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态.因此处于n能级的电子向低能级跃迁时就有很多可能性，则它有可能向量子数为1、2、3、…(n)的各个低能级跃迁，可形成的N=（n-1）+（n-2）+（n-3）+…+1=.(1)2nn三、光子和实物粒子都可能使能级跃迁1．原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，即hν＝Em－En，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1时能量不足的问题．2．原子还可吸收外来实物粒子(如电子)的能量而被激发，实物粒子与原子核作用时，一般通过碰撞将能量转给原子，要使原子跃迁，电子的能量必大于或等于两定态的能级，即E≥Em－En；原子从一种定态(设能量为En)跃迁到无穷远处的现象叫电离，发生电离时，原子获得的能量必E≥－En.四、原子跃迁时需注意的问题1．注意一群原子和一个原子．氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，如果是一群原子，这些原子核外电子跃迁时就会有各种情况出现．2．注意直接跃迁和间接跃迁．原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁，两种情况辐射(或吸收)光子的频率不同．图为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光．关于这些光下列说法正确的是()A．最容易表现出衍射现象的光是由n＝4能级跃到n＝1能级产生的B．频率最小的光是由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的C．这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光D．用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为6.34eV的金属铂能发生光电效应．解析：波长最长的光最容易发生衍射现象，是由n＝4能级跃迁到n＝3能级产生的，因此，从n＝4能级跃迁到n＝3能级放出的光子的频率也是最小的，故A、B错；由n＝4能级向低能级跃迁可辐射6种不同频率的光，从n＝2能级到n＝1能级跃迁时放出光子的能量为10.2eV，能使逸出功为6.34eV的全属铂发生光电效应，故C错，D对．答案：D课堂训练2．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下表所示：色光光子能量范围(eV)红橙黄绿蓝—靛紫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．红、蓝—靛B．黄、绿C．红、紫D．蓝—靛、紫解析：如果激发态的氢原子处于第二能级，能够发出10.2eV的光子，不属于可见光；如果激发态的氢原子处于第三能级，能够发出12.09eV、10.2eV、1.89eV的三种光子，只有1.89eV属于可见光；如果激发态的氢原子处于第四能级，能够发出12.75eV、12.09eV、10.2eV、2.55eV、1.89eV、0.66eV的六种光子，1.89eV和2.55eV属于可见光，1.89eV的光子为红光，2.55eV的光子为蓝—靛，A正确．答案：A1．（双选）关于玻尔原子理论的基本假设，下列说法中正确的是()A．原子中的电子绕原子核做圆周运动，库仑力提供向心力B．电子绕核运动的轨道半径只能取某些特定的值，而不是任意的基础达标C．原子的能量包括电子的动能和势能，电子动能可取任意值，势能只能取某些分立值D．电子由一条轨道跃迁到另一条轨道上时，辐射(或吸收)的光子频率等于电子绕核运动的频率解析：由玻尔理论知，A、B正确；因电子轨道是量子化的，所以原子的能量也是量子化的，C错误；电子绕核做圆周运动时，不向外辐射能量，原子辐射的能量与电子绕核运动无关，D错误．答案：AB2．大量原子从n＝4的激发态向低能态跃迁时，产生的光谱线数是()A．2条B．4条C．6条D．8条解析：从n＝4向低能级跃迁有3条，从n＝3向低能级跃迁有2条，从n＝2向低能级跃迁有1条，总共6条，即N＝.答案：Cnn－123．（双选）根据玻尔理论，氢原子核外电子在第1条轨道和第2条轨道运行时()A．轨道半径之比为1∶4B．轨道能级的绝对值之比为2∶1C．运行周期之比为1∶8D．电子动能之比为1∶4解析：由rn＝n2r1，En＝1n2E1可判断A对．由Ek＝12mv2＝ke22r可判断D错．由ke2r2＝mv2r＝mr2πT2得C对．答案：AC4．氢原子从能量为E1的较高激发态跃迁到能量为E2的较低激发态，设真空中的光速为c，则()A．吸收光子的波长为B．辐射光子的波长为C．吸收光子的波长为D．辐射光子的波长为cE1－E2hcE1－E2hchE1－E2chE1－E2解析：由玻尔理论的跃迁假设，当氢原子由较高的能级向较低的能级跃迁时辐射光子，故A、C错；由关系式ν＝，得辐射光子的波长λ＝，故B错，D对．答案：DE1－E2h和λ＝cvchE1－E25．氢原子从能级A跃迁到能级B，吸收频率ν1的光子，从能级A跃迁到能级C释放频率ν2的光子，若ν2＞ν1则当它从能级C跃迁到能级B将()A．放出频率为ν2－ν1的光子B．放出频率为ν2＋ν1的光子C．吸收频率为ν2－ν1的光子D．吸收频率为ν2＋ν1的光子解析：从能级A跃迁到能级B，吸收能量，说明B能级高于A能级．从能级A跃迁到能级C释放能量说明A能级高于C能级．因此可推断从能级C跃迁到能级B将吸收ν1和ν2的能量之和．答案：D6．已知氢原子的能级公式为：En＝E1，其中E1＝－13.6eV.现让一束单色光照射一群处于基态的氢原子，受照射后的氢原子能自发地发出3种不同频率的光，则该照射单色光的光子能量为()A．13.6eVB．12.75eVC．12.09eVD．10.2eV解析：受照射后的氢原子能自发地发出3种不同频率的光，说明氢原子受光照射后是从1能级跃迁到3能级．故：hν＝Em－En＝(－1.51eV)－(－13.6eV)＝12.09eV.答案：C1n27．氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子，已知基态氦离子能量为E1＝－54.4eV，氦离子能级的示意图如图所示，在具有下列能量的光子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是()A．40.8eVB．43.2eVC．51.0eVD．54.4eV能力提升解析：要吸收光子发生跃迁需要满足一定的条件，即吸收的光子的能量必须是任意两个能级的差值，40.8eV是第一能级和第二能级的差值，51.0eV是第一能级和第四能级的差值，54.4eV是电子电离需要吸收的能量，均满足条件，选项A、C、D均可以，而B选项不满足条件．答案：B8．下图中画出了氢原子的4个能级，并注明了相应的能量E.处在n＝4能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出若干种不同频率的光波．已知金属钾的逸出功为2.22eV.在这些光波中，能够从金属钾的表面打出光电子的总共有()A．两种B．三种C．四种D．五种解析：能够从金属钾表面打出光电子的光子的能量必大于金属钾的逸出功2.22eV，从n＝4能级向低能级跃迁的氢原子，能够发出6种不同频率的光子，其中从n＝4能级跃迁到n＝3能级和从n＝3能级跃迁到n＝2能级时放出的光子的能量小于2.22eV，不能从金属钾表面打出光电子．答案：C9．如右下图所示，氢原子从n2的某一能级跃迁到n＝2的能级，辐射出能量为2.55eV的光子．问最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量，才能使它辐射上述能量的光子？请在图中画出获得该