2022年高中物理第章原子结构玻尔的原子模型能级教师用书教科版选修- .pdf

1 4. 玻尔的原子模型能级学 习 目 标知 识 脉 络1. 知道波尔原子结构理论的主要内容 ( 重点 ) 2. 了解能级、 跃迁、能量量子化及基态、激发态等概念( 重点 ) 3. 会用玻尔的原子结构理论解释氢光谱 ( 重点、难点 ) 4. 了解玻尔原子结构理论的意义. 玻 尔 的 原 子 结 构 理 论 先填空 1玻尔原子结构理论的主要内容(1) 电子围绕原子核运动的轨道不是任意的，而是一系列分立的、特定的轨道当电子在这些轨道上运动时，原子是稳定的， 不向外辐射能量， 也不吸收能量， 这些状态称为定态(2) 原子处在定态的能量用En表示，此时电子以rn的轨道半径绕核运动，n称为量子数 当原子中的电子从一定态跃迁到另一定态时，才发射或吸收一个光子，光子的能量hEnEm上式被称为玻尔频率条件，式中En和Em分别是原子的高能级和低能级这里的“跃迁”可以理解为电子从一种能量状态到另一个能量状态的瞬时过渡2轨道量子化和能级(1) 轨道量子论在玻尔原子结构模型中，围绕原子核运动的电子轨道只能是某些分立值，所以电子绕核运动的轨道是量子化的(2) 能级不同状态的原子有不同的能量，因此原子的能量是不连续的，这些不同的能量值称为能级 再判断 1玻尔的原子结构理论认为电子的轨道是量子化的( )2电子吸收某种频率条件的光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态( )3电子能吸收任意频率的光子发生跃迁( )名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 2 后思考 1玻尔的原子模型轨道与卢瑟福的行星模型轨道是否相同？【提示】不同玻尔的原子模型的电子轨道是量子化的，只有当半径的大小符合一定条件时才有可能卢瑟福的行星模型的电子轨道是任意的，是可以连续变化的2电子由高能量状态跃迁到低能量状态时，释放出的光子的频率可以是任意值吗？【提示】不可以因各定态轨道的能量是固定的，由hEmEn可知，跃迁时释放出的光子的频率，也是一系列固定值1轨道量子化轨道半径只能是一些不连续的、某些分立的值， 不可能出现介于这些轨道半径之间的其他值2能量量子化(1) 电子在可能轨道上运动时，虽然是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称之为定态(2) 由于原子的可能状态(定态 ) 是不连续的， 具有的能量也是不连续的这样的能量值，称为能级量子数n越大，表示能级越高(3) 原子的能量包括：原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能3跃迁：原子从一种定态( 设能量为E2) 跃迁到另一种定态( 设能量为E1) 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，高能级Em发射光子hEmEn吸收光子hEmEn低能级En. 可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式改变半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上玻尔将这种现象叫作电子的跃迁1关于玻尔的原子模型，下述说法中正确的有( ) A它彻底否定了经典的电磁理论B它发展了卢瑟福的核式结构学说C它完全抛弃了经典的电磁理论D它引入了普朗克的量子理论E它保留了一些经典力学和经典的电磁理论【解析】原子核式结构模型与经典电磁理论的种种矛盾说明，经典电磁理论已不适用于原子系统， 玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提出了量子化的原子模型； 但在玻尔的原子模型中仍然认为原子中有一很小的原子核，电子在核外绕核做名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 3 匀速圆周运动，电子受到的库仑力提供向心力，并没有完全抛弃经典的电磁理论【答案】BDE 2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原子的轨道是不连续的E原子的能量是不连续的【解析】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，由玻尔理论可知选项A、C 错， B 正确；原子轨道是不连续的，原子能量也是不连续的，D、E正确【答案】BDE 解决玻尔原子模型的关键(1) 电子绕核做圆周运动时，不向外辐射能量(2) 原子辐射的能量与电子绕核运动无关，只由跃迁前后的两个能级差决定(3) 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(4) 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，原子的能量小用 玻 尔 的 原 子 结 构 理 论 解 释 氢光 谱玻 尔 原 子 结 构 理 论 的 意 义 先填空 1氢原子的能级结构(1) 氢原子在不同能级上的能量和相应的电子轨道半径为EnE1n2(n1,2,3 ，) ；rnn2r1(n1,2,3 ，) ，式中E1 13.6 eV ，r10.531010 m. (2) 能量最低的状态叫做基态，其他状态叫做激发态(3) 氢原子的能级结构图(如图 2-4-1 所示 ) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4 图 2-4-12玻尔理论对氢光谱的解释(1) 解释巴尔末公式按照玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的波长计算公式为：1E1hc1m21n2，用实际数据代入计算，E1hc与巴尔末公式中的里德伯常量符合得很好(2) 解释氢原子光谱的不连续性原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两个能级差，由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线 再判断 1氢原子能级的量子化是氢光谱不连续的成因( )2玻尔理论能很好地解释氢光谱为什么是一些分立的亮线( )3巴尔末公式是玻尔理论的一种特殊情况( )4玻尔理论能成功地解释氢光谱( ) 后思考 玻尔原子结构理论的意义是什么？【提示】(1) 成功之处：玻尔理论将量子概念引入原子模型，提出了定态和跃迁的概念，比较完满地解释了氢光谱的实验规律，推动了量子理论的发展(2) 局限性：保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍然看做经典力学描述下的轨道运动，它不能说明谱线的强度和偏振情况，在解释有两个以上电子的原子的复杂光谱时遇到了困难1能级图的理解如图 2-4-2 所示为氢原子能级图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 5 图 2-4-2(1) 能级图中n称为量子数，E1代表氢原子的基态能量，即量子数n1 时对应的能量，其值为 13.6 eV.En代表电子在第n个轨道上运动时的能量(2) 作能级图时，能级横线间的距离和相应的能级差相对应，能级差越大，间隔越宽，所以量子数越大，能级越密， 竖直线的箭头表示原子跃迁方向，长度表示辐射光子能量的大小，n1 是原子的基态，n是原子电离时对应的状态2能级跃迁：处于激发态的原子是不稳定的，它会自发地向较低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态所以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Nnn2C2n. 3光子的发射：原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量，发射光子的频率由下式决定hEmEn(Em、En是始末两个能级且mn) 能级差越大，放出光子的频率就越高4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n1 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地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(EEnEk)，就可使原子发生能级跃迁3 按照玻尔理论， 当氢原子中电子由半径为ra的圆轨道跃迁到半径为rb的圆轨道上时，若rbra，则在跃迁过程中氢原子要_某一频率的光子【解析】因为是从高能级向低能级跃迁，所以应放出光子，“直接”从一能级跃迁至另一能级，只对应某一能级差，故只能辐射某一频率的光子名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 6 【答案】辐射4欲使处于基态的氢原子激发或电离，下列措施可行的是( ) A用 10.2 eV 的光子照射B用 11 eV 的光子照射C用 14 eV 的光子照射D用 10 eV 的光子照射E用 12.09 eV 的光子照射【解析】由氢原子的能级图可求得E2E1 3.40 eV (13.6) eV 10.2 eV ，即10.2 eV 是第二能级与基态之间的能量差，处于基态的氢原子吸收10.2 eV 的光子后将跃迁到第二能级态，可使处于基态的氢原子激发，A对；同理可知E对；EmE111 eV，即不满足玻尔理论关于跃迁的条件，B错；要使处于基态的氢原子电离，照射光的能量须 13.6 eV，而 14 eV 13.6 eV ，故 14 eV的光子可使基态的氢原子电离，C对；EmE110 eV，既不满足玻尔理论关于跃迁的条件，也不能使氢原子电离，D错【答案】ACE 5已知氢原子的能级图如图2-4-3 所示，现用光子能量介于1012.9 eV 范围内的光去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是( ) 【导学号： 11010027】图 2-4-3A在照射光中可能被吸收的光子能量有无数种B在照射光中可能被吸收的光子能量只有3 种C照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有6 种D照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有3 种E照射后观测到氢原子发射的光中波长最长的光是由n4 向n3 跃迁时发出的【解析】根据跃迁规律hEmEn和能级图，可知A 错， B 对；氢原子吸收光子后能跃迁到最高为n4 的能级，能发射的光子的波长有C246 种，故 C对，D错；氢原子由n4 的能级跃迁到n3 的能级发射出的光的频率最小，波长最长，故E正确【答案】BCE 6(2015海南高考) 氢原子基态的能量为E1 13.6 eV.大量氢原子处于某一激发态由这些氢原子可能发出的所有的光子中，频率最大的光子能量为0.96E1，频率最小的光子的能量为 _eV(保留 2 位有效数字 ) ，这些光子可具有_种不同的频率名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 7 【解析】频率最大的光子能量为0.96E1，即En( 13.6 eV)0.96( 13.6 eV)，解得En0.54 eV 即n5，从n5 能级开始，根据nn2可得共有10 种不同频率的光子从n 5到n4跃迁的光子频率最小， 根据EE5E4可得频率最小的光子的能量为0.31 eV. 【答案】0.31 10 能级跃迁规律大量处于n激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射nn2种频率的光子一个处于n激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射(n1)种频率的光子名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -