高二物理人教版选修3-5课件：第十八章-原子结构

第十八章原子结构学案5章末总结专题整合自我检测网络构建网络构建原子结构电子流核式能量轨道Em-En一、对α粒子散射实验及核式结构模型的理解专题整合1．实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进；少数α粒子有较大的偏转；极少数α粒子的偏转角度超过90°，有的甚至被弹回，偏转角达到180°.2．核式结构学说：在原子的中心有一个很小的原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，电子绕核运转．3．原子核的组成与尺度(1)原子核的组成：由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核中的质子数．(2)原子核的大小：实验确定的原子核半径的数量级为10－15m，而原子的半径的数量级是10－10m．因而原子内部十分“空旷”．例1关于α粒子散射实验现象的分析，下列说法正确的是()A．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明正电荷在原子内均匀分布，使α粒子受力平衡的结果B．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到明显的力的作用，说明原子内大部分空间是空的C．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内质量和电荷量比α粒子大得多的粒子在原子内分布空间很小D．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内的电子对α粒子的吸引力很大解析在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到原子核明显的力的作用，也说明原子核相对原子来讲很小，原子内大部分空间是空的，故A错，B对；极少数α粒子发生大角度偏转，说明会受到原子核明显的力的作用的空间在原子内很小，α粒子偏转而原子核未动，说明原子核的质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量，电子的质量远小于α粒子的质量，α粒子打在电子上，不会有明显偏转，故C对，D错．答案BC二、对玻尔原子模型及原子能级跃迁的理解1．玻尔原子模型(1)原子只能处于一系列能量不连续的状态中，具有确定能量的稳定状态叫做定态，能量最低的状态叫基态，其他的状态叫做激发态．(2)频率条件当电子从能量较高的定态轨道(Em)跃迁到能量较低的定态轨道(En)时会放出能量为hν的光子，则：hν＝Em－En.反之，当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子能量同样由频率条件决定．(3)原子的不同能量状态对应电子的不同运行轨道．2．氢原子能级跃迁(1)氢原子的能级原子各能级的关系为：En＝E1n2(n为量子数，n＝1,2，3，…)对于氢原子而言，基态能级：E1＝－13.6eV.(2)氢原子的能级图氢原子的能级图如图1所示．图1解析核外电子绕核做匀速圆周运动，库仑引力提供向心力，则ke2r21＝mv2r1，又知Ek＝12mv2，例2已知氢原子基态的电子轨道半径为r1＝0.528×10－10m，量子数为n的能级为En＝－13.6n2eV.(1)求电子在基态轨道上运动的动能；故电子在基态轨道上运动的动能为：Ek＝ke22r1＝9×109×1.6×10－1922×0.528×10－10J≈2.18×10－18J≈13.6eV.(2)有一群氢原子处于量子数n＝3的激发态，画一张能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出的光谱线．解析当n＝1时，能级为E1＝－13.612eV＝－13.6eV.当n＝2时，能级为E2＝－13.622eV＝－3.4eV.当n＝3时，能级为E3＝－13.632eV≈－1.51eV.能发出的光谱线分别为3→2、2→1、3→1共3种，能级图如图所示(3)计算这几种光谱线中最短的波长．(静电力常量k＝9×109N·m2/C2，电子电荷量e＝1.6×10－19C，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，真空中光速c＝3×108m/s)解析由E3向E1跃迁时发出的光子频率最大，波长最短．hν＝E3－E1，又知ν＝cλ，则有λ＝hcE3－E1＝6.63×10－34×3×108[－1.51－－13.6]×1.6×10－19m≈1.03×10－7m.三、原子的能级跃迁与电离1．能级跃迁包括辐射跃迁和吸收跃迁，可表示如下：高能级Em辐射光子hν＝Em－En吸收光子hν＝Em－En低能级En.2．当光子能量大于或等于13.6eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．3．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(E＝Em－En)，均可使原子发生能级跃迁．例3如图2所示，A、B、C分别表示三种不同能级跃迁时放出的光子．由图可以判定()A．用波长为600nm的X射线照射，可以使稳定的氢原子电离B．用能量是10.2eV的光子可以激发处于基态的氢原子C．用能量是2.5eV的光子入射，可以使基态的氢原子激发D用能量是11.0eV的外来电子，可以使处于基态的氢原子激发图2解析“稳定的氢原子”指处于基态的氢原子，要使其电离，光子的能量必须大于或等于13.6eV，而波长为600nm的X射线的能量为E＝hcλ＝6.63×10－34×3×1086000×10－10×1.6×10－19eV≈2.07eV13.6eV，A错误．因ΔE＝E2－E1＝(－3.4)eV－(－13.6)eV＝10.2eV，故10.2eV的光子可以使氢原子从基态跃迁到n＝2的激发态，B正确；2.5eV的光子能量不等于任何其他能级与基态的能级差，因此不能使氢原子发生跃迁，C错误；外来的电子可以将10.2eV的能量传递给氢原子，使它激发，外来电子还剩余11.0eV－10.2eV＝0.8eV的能量，D正确．答案BD针对训练一个氢原子处于基态，用光子能量为15eV的电磁波去照射该原子，问能否使氢原子电离？若能使之电离，则电子被电离后所具有的动能是多大？解析氢原子从基态n＝1被完全电离至少需要吸收13.6eV的能量．所以15eV的光子能使之电离，由能量守恒可知，完全电离后还剩余动能Ek＝15eV－13.6eV＝1.4eV.答案能1.4eV1．(对核式结构模型的理解)在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，下列说法正确的是()A．动能最小B．电势能最小C．α粒子和金原子核组成的系统的能量最小D．加速度最小123自我检测41234解析在α粒子散射实验中，当α粒子接近金原子核时，金原子核对α粒子的作用力是斥力，对α粒子做负功，电势能增加，动能减小，当α粒子离金原子核最近时，它们之间的库仑力最大，α粒子的动能最小．由于受到的金原子核外电子的作用相对较小，与金原子核对α粒子的库仑力相比，可以忽略，因此只有库仑力做功，所以机械能和电势能整体上是守恒的，故系统的能量可以认为不变．综上所述，正确选项应为A.答案A1232．(对氢原子能级跃迁的理解)如图3所示是玻尔理论中氢原子的能级图，现让一束单色光照射一群处于基态的氢原子，受激发的氢原子能自发地辐射出三种不同频率的光，则照射氢原子的单色光的光子能量为()A．13.6eVB．12.09eVC．10.2eVD．3.4eV4图3123解析受激发的氢原子能自发地辐射出三种不同频率的光，说明激发的氢原子处于第3能级，则照射氢原子的单色光的光子能量为E＝E3－E1＝12.09eV，故B正确．答案B41233．(原子的能级跃迁和电离问题)氢原子能级的示意图如图4所示，大量氢原子从n＝4的能级向n＝2的能级跃迁时辐射出可见光a，从n＝3的能级向n＝2的能级跃迁时辐射出可见光b，则()4图4123A．可见光光子能量范围在1.62eV到2.11eV之间B．氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时会辐射出紫外线C．a光的频率大于b光的频率D．氢原子在n＝2的能级可吸收任意频率的光而发生电离4123解析由能级跃迁公式ΔE＝Em－En得：ΔE1＝E4－E2＝－0.85eV－(－3.4eV)＝2.55eVΔE2＝E3－E2＝－1.51eV－(－3.4eV)＝1.89Ev故A错；4据ΔE＝hcλ＝hν知，C对；ΔE3＝E4－E3＝－0.85eV－(－1.51eV)＝0.66eV，所以氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时能量差对应的光子处于红外线波段，B错；123氢原子在n＝2的能级时能量为－3.4eV，所以只有吸收光子能量大于等于3.4eV时才能电离，D错．答案C41234．(氢原子的能级跃迁)如图5所示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．当向低能级跃迁时将辐射出若干不同频率的光．关于这些光，下列说法正确的是()4图5123A．最容易表现出衍射现象的光是由n＝4能级跃迁到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的金属箔能发生光电效应4123解析在该题中，从n＝4的激发态跃迁到基态的能级差最大，即发出的光子能量最大，频率最大，对应波长最小，是最不容易发生衍射的，A错误；从n＝4的激发态跃迁到n＝3的激发态的能级差最小，发出光子的频率最小，B错误；4可辐射出的光子频率的种类数为C24＝6种，C错误；从n＝2的激发态跃迁到基态时，辐射出光子的能量ΔE＝E2－E1＞6.34eV，因而可以使逸出功为6.34eV的金属箔发生光电效应，D正确．答案D1234