2019-2020学年高中物理 第3章 第4节 原子的能级结构课件 粤教版选修3-5

第三章原子结构之谜第四节原子的能级结构[学习目标]1.了解能级、基态和激发态的概念.2.理解原子发射和吸收光子的能量与能级差的关系．(重点)3.能用玻尔原子理论简单解释氢原子光谱．(难点)4.知道氢原子的能级图．(重点)自主预习探新知一、能级结构猜想1．猜想：氢气在放电过程中，氢原子的能量也在减少．如果能量是连续减少的，那么形成的光谱必定是谱，但是氢原子光谱是的，因此我们猜想原子内部的能量也是的．2．能级：原子内部的能量称为原子的能级．3．跃迁：原子从一个变化到另一个的过程叫作跃迁．4．光子频率与能级差关系式：hν＝.连续能级能级不连续不连续分立Em－En二、氢原子的能级玻尔理论1．玻尔氢原子能级公式En＝－，(n＝1,2,3…)．n被称为2．基态(1)定义：在正常状态下，氢原子处于的能级E1(n＝)，这个能级对应的状态称为基态．(2)基态能量：E1＝.最低能量量子数．最低1－13.6_eVRhcn2二、氢原子的能级玻尔理论3．激发态：当电子受到外界激发时，可从跃迁到的能级E2，E3…上，这些能级对应的状态称为激发态．4．玻尔理论的两条基本假设(1)定态假设．原子系统中存在具有确定能量的定态，原子处于定态时，电子绕核运动不辐射也不吸收能量．(2)跃迁假设．原子系统从一个定态跃迁到另一个定态，伴随着光子的发射和吸收．基态较高1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)处在高能级的原子自发地向低能级跃迁，这个过程中要吸收光子．()(2)原子吸收了特定频率的光子或通过其他途径获得能量时，可从低能级向高能级跃迁．()(3)氢原子的能量是不连续的，只能取一些定值也就是说氢原子的能量是量子化的．()×√√(4)氢原子能级表达式是瑞士的巴耳末最先得出的．()(5)能级间的跃迁产生不连续的谱线，从不同能级跃迁到某一特定能级就形成一个线系．()×√2．(多选)关于玻尔理论，以下论断正确的是()A．原子的不同定态对应于电子沿不同的圆形轨道绕核运动B．当原子处于激发态时，原子向外辐射能量C．只有当原子处于基态时，原子才不向外辐射能量D．不论原子处于何种定态，原子都不向外辐射能量AD[由轨道量子化假设知A正确，根据能级假设和频率条件知，不论原子处于何种定态，原子都不向外辐射能量，原子只有从一个定态跃迁到另一个定态时，才辐射或吸收能量．所以B、C错误，D正确．]3．按照玻尔理论，一个氢原子的电子从一个半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一个半径为rb的圆轨道上，rarb，此过程中()A．原子要辐射一系列频率的光子B．原子要吸收一系列频率的光子C．原子要辐射某一频率的光子D．原子要吸收某一频率的光子C[电子从某一轨道直接跃迁到另一轨道，只能辐射或吸收某一特定频率的光子；再根据rarb，从较远轨道向较近轨道跃迁，即从高能级向低能级跃迁，要辐射光子．故C选项正确．]合作探究攻重难对玻尔理论的理解1.玻尔的原子模型(1)定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核做圆周运动，但并不向外辐射能量．这些状态叫定态．(2)跃迁假设：原子从一种定态(设能量为Em)跃迁到另一种定态(设能量为En)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.2．卢瑟福原子模型与玻尔原子模型的相同点与不同点(1)相同点①原子有带正电的核，原子质量几乎全部集中在核上．②带负电的电子在核外运转．(2)不同点卢瑟福模型：库仑力提供向心力，r的取值是连续的．玻尔模型：轨道r是分立的、量子化的，原子能量也是量子化的．3．能级对氢原子而言，核外的一个电子绕核运行时，若半径不同，则对应着的原子能量也不同，若使原子电离，外界必须对原子做功，使电子摆脱它与原子核之间库仑力的束缚，所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高．我们把原子电离后的能量记为0，即选取电子离核无穷远处时氢原子的能量为零，则其他状态下的能量值均为负值．原子各能级的关系为：En＝E1n2(n＝1,2,3…)．对氢原子而言，基态能量：E1＝－13.6eV，其他各激发态的能级为：E2＝－3.4eVE3＝－1.51eV……这里E1、E2…En是指原子的总能量，即电子动能与电势能的和．【例1】(多选)由玻尔理论可知，下列说法中正确的是()A．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波B．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量C．原子内电子的可能轨道是连续的D．原子的轨道半径越大，原子的能量越大BD[按照经典物理学的观点，电子绕核运动有加速度，一定会向外辐射电磁波，很短时间内电子的能量就会消失，与客观事实相矛盾，由玻尔假设可知选项A、C错误，B正确；原子轨道半径越大，原子能量越大，选项D正确．]1．处于基态的原子是稳定的，而处于激发态的原子是不稳定的．2．原子的能量与电子的轨道半径相对应，轨道半径大，原子的能量大，轨道半径小，原子的能量小．1．(多选)按照玻尔原子理论，下列表述正确的是()A．核外电子运动轨道半径可取任意值B．氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大C．电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m＞n)D．氢原子从激发态向基态跃迁的过程，可能辐射能量，也可能吸收能量BC[根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是确定的值，而不是任意值，A错误；氢原子中的电子离原子核越远，能级越高，能量越大，B正确；由跃迁规律可知C正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，应辐射能量，D错误．]原子能级图及能级跃迁规律1.能级图氢原子的能级图如图所示．2．跃迁规律(1)由高能级向低能级跃迁原子在基态时是稳定的，在激发态时是不稳定的．处于激发态的原子会自发地向低能级跃迁，并以光子的形式放出能量，原子在始、末两个能级Em和En(mn)间跃迁时，放出光子的频率ν＝Em－Enh.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，其可能的值为C2n＝nn－12种可能情况．3．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子(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，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，则可激发到n能级的问题．(2)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部分被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(E＝En－Ek)，就可使原子发生能级跃迁．4．原子的电离：若入射光子的能量大于原子的电离能，如处于基态的氢原子电离能为13.6eV，则原子也会被激发跃迁，这时核外电子脱离原子核的束缚成为自由电子，光子能量大于电离能的部分成为自由电子的动能．5．能级跃迁时的能量变化当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小，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．【例2】有一群氢原子处于n＝4的能级上，已知氢原子的基态能量E1＝－13.6eV，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，求：(1)这群氢原子的光谱共有几条谱线；(2)这群氢原子发出的光子的最大频率是多少；(3)这群氢原子发出的光子的最长波长是多少．思路点拨：(1)一群氢原子从第n能级向基态跃迁时最多可放出C2n种频率的光子．(2)跃迁时，发出的光子的频率(或波长)由两个能级差决定，能级差越大，发出光子的频率越高，波长越短．[解析](1)这群氢原子的能级如图所示，由图可以判断，这群氢原子可能发生的跃迁共有6种，所以这群氢原子的光谱共有6条谱线．也可由C24＝6直接求得．(2)频率最高的光子能量最大，对应的跃迁能级差也最大，即从n＝4能级跃迁到n＝1能级发出的光子能量最大，发出光子的能量：hν＝－E1112－142代入数据，解得ν≈3.1×1015Hz.(3)波长最长的光子能量最小．对应的跃迁的能级差也最小，即从n＝4能级跃迁到n＝3能级则有hcλ＝E4－E3解得λ＝hcE4－E3＝6.63×10－34×3×108－0.85＋1.51×1.6×10－19m＝1．884×10－6m.[答案](1)6条(2)3.1×105Hz(3)1.884×10－6m原子跃迁时需注意的几个问题1．区分一群原子和一个原子：氢原子核外只有一个电子，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，只能出现所有可能情况中的一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现．2．区分直接跃迁与间接跃迁：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．3．区分跃迁与电离：hν＝Em－En只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用使原子电离的情况，则不受此条件的限制．如基态氢原子的电离能为13.6eV，只要大于或等于13.6eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大．训练角度1：氢原子能级跃迁问题2．(多选)氢原子的能级图如图所示，关于大量氢原子的能级跃迁，下列说法正确的是(可见光的波长范围为4.0×10－7～7.6×10－7m，普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，真空中的光速c＝3.0×108m/s)()A．氢原子从高能级跃迁到基态时，会辐射γ射线B．氢原子处在n＝4能级，会辐射可见光C．氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，辐射的光具有显著的热效应D．氢原子从高能级向n＝2能级跃迁时，核外电子的轨道半径变小BCD[γ射线的产生机理是原子核受激发，是原子核变化才产生的，A错误；根据E＝hcλ，可见光光子的能量为1.63～3.09eV，从n＝4能级跃迁到n＝2能级，ΔE＝(－0.85＋3.40)eV＝2.55eV，在该能量范围内，B正确；氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，辐射光子的最大能量值为Em＝1.51eV＝2.416×10－19J，此光子的波长为最小波长，λ2＝hcEm＝6.6×10－34×3.0×1082.416×10－19m＝8.2×10－7m，属于红外线的范畴，具有显著的热效应，C正确；氢原子从高能级向n＝2能级跃迁时，辐射出光子，核外电子的轨道半径变小，D正确．]训练角度2：电子跃迁时原子能量的变化3．(多选)氢原子核外电子由某一轨道向另一轨道跃迁时，可能发生的情况是()A．原子吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量增大B．原子放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量减小C．原子吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大，原子的能量增大D．原子放出光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量减小CD[氢原子核外电子由某一轨道跃迁到另一轨道，可能有两种情况：一是由较高能级向较低能级跃迁，即原子的电子由距核较远处跃迁到较近处，要放出光子，原子的能量(电子和原子核共有的电势能与电子动能之和，即能级)要减小，原子的电势能要减小(库仑力做正功)，电子的动能增大；二是由较低能级向较高能级跃迁，情况与上述相反．根据玻尔理论，在氢原子中，电子绕核做圆周运动的向心力由原子核对电子的吸引力(库仑力)提供，根据ke2r2＝mv2r得v＝ke2rm，可见，原子由高能级跃迁到低能级时，电子轨道半径减小，动能增加；反之动能减小．由以上分析可知C、D选项正确．课堂小结(1)定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，这些状态中能量是稳定的.(2)跃迁假设：原子从一个定态跃迁到另一个定态，辐射或吸收一定频率的光子．hν＝Em－En.课堂小结(3)轨道假设：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.2.氢原子的轨道半径rn＝n2r1，n＝1,2,3，…氢原子的能量：En＝1n2E1，n＝1,2,3，…知识脉络当堂达标固双基1．(多选)玻尔在他提出的原子模型中所作的假设有()