《人教版高中物理一轮复习课件：选修3-5.3.1原子结构氢原子光谱》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人教版高中物理一轮复习课件：选修3-5.3.1原子结构氢原子光谱（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1讲原子结构氢原子光谱 考点1原子结构 1 电子的发现 英国物理学家 发现了电子2 粒子散射实验1909 1911年 英国物理学家 和他的助手进行了用 粒子轰击金箔的实验 实验发现绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿 方向前进 但有少数 粒子发生了大角度偏转 偏转的角度甚至大于 也就是说它们几乎被 撞 了回来 汤姆孙 卢瑟福 原来 90 3 原子的核式结构模型在原子中心有一个很小的核 原子全部的 和几乎全部 都集中在核里 带负电的电子在核外空间绕核旋转 正电荷 质量 1 认识原子结构的线索气体放电的研究阴极射线发现电子汤姆孙的 枣糕模型 卢瑟福核式结构模型玻尔模型 2 三种原子模型的对比 实验
2、基础 结构差异 成功和局限 枣糕模型 电子的发现 带正电物质均匀分布在原子内 电子镶嵌其中 解释了一些实验现象 无法说明 粒子散射实验 核式结构模型 粒子散射实验 全部正电荷和几乎全部质量集中在核里 电子绕核旋转 成功解释了 粒子散射实验 无法解释原子的稳定性与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 引入量子化观点 成功解释了氢原子光谱 无法解释较复杂的原子光谱 考点2基氢原子光谱与玻尔理论1 光谱 1 光谱 用光栅或棱镜可以把光按波长展开 获得光的波长 频率 和强度分布的记录 即光谱 2 光谱分类 有些光谱是一条条的 这样的光谱叫做线状谱 有的光谱是连在一
3、起的 这样的光谱叫做连续谱 3 氢原子光谱的实验规律 亮线 光带 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线 其波长公式 n 3 4 5 R是里德伯常量 R 1 10 107m 1 n为量子数 2 玻尔理论 1 定态 原子只能处于一系列 的能量状态中 在这些能量状态中原子是 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 不连续 稳定 h 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 因此电子的可能轨道也是 Em
4、 En 不连续的 不连续的 1 对原子跃迁条件h Em En的说明原子跃迁条件h 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氢原子电离时 只要入射光的能量E 13 6eV 氢原子就能吸收光子的能量 对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时 实物粒子的能量大于或等于能级差即可 2 氢原子跃迁时电子动能 电势能与原子能量的变化 1 原子能量 En Ekn Epn 随n增大而增大 其中E1 13 6eV 2 电子动能 电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力 即 所以 随r增大而减小 3 电势能 通过库仑力做功判断电势能的增减 当轨道半径减小时 库仑力做正功 电势
5、能减小 反之 轨道半径增大时 电势能增加 考点3氢原子的能级 能级公式1 氢原子的能级和轨道半径 1 氢原子的能级公式 En n 1 2 3 其中E1为基态能量 其数值为E1 2 氢原子的半径公式 rn n 1 2 3 其中r1为基态半径 又称玻尔半径 其数值为r1 0 53 10 10m 13 6eV n2r1 2 氢原子的能级图能级图如图所示 1 能级图中相关量意义的说明 表示氢原子可能的能量状态 定态 表示量子数 表示氢原子的能量 表示相邻的能量差 量子数越大相邻的能量差越小 距离越小 表示原子由较高能级向较低能级跃迁 原子跃迁的条件为hv Em En 带箭头的竖线 相邻横线间的距离 横
6、线右端的数字 13 6 3 4 横线左端的数字 1 2 3 能级图中的横线 2 关于光谱线条数的两点说明 1 一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为N Cn2 2 一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为 n 1 原子结构与 粒子散射实验 例证1 1 卢瑟福和他的助手做 粒子轰击金箔实验 获得了重要发现 关于 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 2 英国物理学家卢瑟福用 粒子轰击金箔 发现了 粒子的散射现象 下列图中 O表示金原子核的
7、位置 则能正确表示该实验中经过金原子核附近的 粒子的运动轨迹的是图中的 解题指南 解答本题时 应把握以下两点 1 明确 粒子散射实验的结果与结论 2 结合动力学观点分析 粒子运动状态改变的原因 自主解答 1 选C 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 C对 A B错 玻尔发现了电子轨道量子化 D错 2 选B 粒子散射的原因是原子核对其有库仑斥力的作用 离核越近 斥力越大 偏转越明显 当正好击中原子核时 由于 粒子质量较小而反弹 B图正确 总结提升 解答本题的关键在于弄清 粒子散射实验结果与所得结论及实验时 粒子的可能轨迹 对易错选项及错误原因具体分析如下 能级跃迁
8、与光谱线 例证2 如图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 有可能放出多少种能量的光子 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 解题指南 求解此题应把握以下两点 1 根据辐射出的光谱线条数 可知能放出多少种能量的光子 2 用h Em En和c 求波长 自主解答 1 种 6种 2 氢原子由第4能级向第3能级跃迁时 能量差最小 辐射的光子波长最长 由h E4 E3得 h E4 E3所以 1 88 10 6m 答案 1 6种 2 第4能级向第3能级跃迁1 88 10 6m 总结提升 解答能级跃迁与光谱线问题的注意事项 1 能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的
9、 2 一个氢原子 向低能级跃迁时可能发出的光子种数最多为n 1 而一群氢原子向低能级跃迁时可能发出的光子种数最多为Cn2 3 能级之间发生跃迁时放出 吸收 光子的频率由h Em En求得 若求波长可由公式c 求得 与能级有关的能量问题 例证3 10分 1 能量为Ei的光子照射基态氢原子 刚好可使该原子中的电子成为自由电子 这一能量Ei称为氢的电离能 现用一频率为 的光子从基态氢原子中击出了一电子 该电子在远离核以后速度的大小为 用光子频率 电子质量m 氢原子的电离能Ei和普朗克常量h表示 2 氢原子在基态时轨道半径r1 0 53 10 10m 能量E1 13 6eV 求氢原子处于基态时 电子的
10、动能 原子的电势能 用波长是多少的光照射可使其电离 解题指南 根据能量守恒求 1 求解 2 可关注以下三点 1 由库仑力提供向心力求电子的动能 2 由氢原子的能量为电子的动能和电势能之和求电势能 3 照射光的能量大于基态能量即可使基态的氢原子电离 规范解答 1 由能量守恒得mv2 h Ei 2分 解得电子速度为v 2分 2 设处于基态的氢原子核外电子速度为v1 则 1分 所以电子动能Ek1 mv12 eV 13 6eV 1分 因为E1 Ek1 Ep1 所以Ep1 E1 Ek1 13 6eV 13 6eV 27 2eV 2分 设用波长为 的光照射可使氢原子电离 0 E1 1分 所以 m 9 14
11、 10 8m 1分 答案 1 2 13 6eV 27 2eV 9 14 10 8m 总结提升 与能级有关的能量问题的规范求解1 一般解题步骤 1 分析已知量 根据库仑力提供核外电子做圆周运动的向心力列圆周运动动力学方程 2 根据处于某定态原子的能量等于电子动能与电子电势能之和列方程 求电势能 3 原子发生能级跃迁时能量与吸收或放出光子 或实物粒子 的能量相等 可列方程求光子的频率或相关物理量 2 对氢原子能级跃迁的进一步理解 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h 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h 大于或小
12、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的两能级间的能量差 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 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 原子的电势能减小
13、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 1 2011 四川高考 氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为 1 从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为 2 已知普朗克常量为h 若氢原子从能级k跃迁到能级m 则 A 吸收光子的能量为h 1 h 2B 辐射光子的能量为h 1 h 2C 吸收光子的能量为h 2 h 1D 辐射光子的能量为h 2 h 1 解析 选D 氢原子从能级m跃迁到n时辐射红光 说明能级m高于能级n 而从能级n跃迁到能级k时吸收紫光 说明能级k也高于能级n 由于紫光频率 2大于红光频率 1 所以h 2 h 1 因此能级k要高于
14、能级m 氢原子从能级k跃迁到m时应当向外辐射光子 光子的能量为E h 2 h 1 故D正确 2 用频率为 0的光照射大量处于基态的氢原子 在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为 1 2 3的三条谱线 且 3 2 1 则 A 0 1B 3 2 1C 0 1 2 3D 解析 选B 大量氢原子发生跃迁时只有三条谱线 这说明氢原子受激发跃迁到n 3的激发态 然后从n 3能级向低能级跃迁产生三个频率的谱线 根据能量守恒有 h 0 h 3 h 2 h 1 解得 0 3 2 1 故选项B正确 3 2011 大纲版全国卷 已知氢原子的基态能量为E1 激发态能量En E1 n2 其中n 2 3 用h表示普朗克常量
15、 c表示真空中的光速 能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为 A B C D 解题指南 解答本题要把握以下思路 解析 选C 从第一激发态到电离状态吸收的能量 E 0 根据 E h h 所以 因此正确答案为C 4 氢原子的能级示意图如图所示 不同色光的光子能量如表所示 处于某激发态的氢原子 发射光的谱线在可见光范围内仅有两条 其颜色分别为 A 红 蓝 靛B 黄 绿C 红 紫D 蓝 靛 紫 解析 选A 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的光子属
16、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的光子属于可见光 1 89eV的光子为红光 2 55eV的光子为蓝 靛光 A正确 5 2012 徐州模拟 1 二十世纪初 为了研究物质内部的结构 物理学家做了大量的实验 揭示了原子内部的结构 发现了电子 中子和质子 如图是 A 卢瑟福的 粒子散射实验装置B 卢瑟福发现质子的实验装置C 汤姆孙发现电子的实验装置D 查德威克发现中子的实验装置 2 在 粒子散射实验中 用一个 粒子以2 0 107m s的速度轰击金箔后 若金原子的核电荷数为79 求该 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 粒子质量为6 64 10 27kg 解析 1 选A 本实验是用放射源放射出的 粒子轰击金箔 观察 粒子的散射情况 从而研究原子内部结构 正确选项为A 2 设 粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d 由能量转化与守恒关系mv2 2 7 10 14m答案 1 A 2 2 7 10 14m 6 多选
