2018-2019學(xué)年粵教版物理選修3-5課件：第3.4原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)

1、第四節(jié)原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo)1 了解能級(jí)、基態(tài)和激發(fā)態(tài)的概念.2 理解原子發(fā)射和吸收光子的能量與能級(jí)差的關(guān)系.3.能用玻爾原子理論簡(jiǎn)單解釋氫原子光譜.4 知道氫原子的能級(jí)圖.重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn):玻爾原子理論的基本假設(shè). 難點(diǎn):玻爾理論對(duì)氫原子光譜的解釋.一、能級(jí)結(jié)構(gòu)猜想1. 能級(jí):原子內(nèi)部不連續(xù)的能量.2. 躍遷:原子從一個(gè)能級(jí)變化到另一個(gè)能級(jí)的過程.3 躍遷公式加=EmZEll.Eq耳分別為原手唳遷前后的能級(jí),卩為原子輻射或吸收的光譜 的頻率.答案:能級(jí)結(jié)構(gòu)的猜想是針對(duì)線狀譜提出的.二、氫原子的能級(jí)1. 氫原子的能級(jí)公式:E”=二市,“=1,2,3式中人為里德伯常量/為普扁克常量,c為光速，為能量

2、量子數(shù).2. 基態(tài)和激發(fā)態(tài)：基態(tài):原子的最低能級(jí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，氫原子基態(tài)的能量i-13.6 eV.激發(fā)態(tài):比基態(tài)能級(jí)高的能級(jí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài).3對(duì)氫原子光譜成因分析(1) 原子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)白發(fā)地向低能級(jí)態(tài)躍遷.躍遷時(shí)釋 放出來(lái)的能量以光子的形式輻射岀去，形成光譜.(2) 原子輻射光子的能量等于兩能級(jí)間的能量差.(3) 因能級(jí)的不連續(xù)性，致使能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生丕連續(xù)的譜線.(4) 從不同的高能級(jí)躍遷到某一特定能級(jí)就形成一個(gè)線系.如:“23的能級(jí)躍遷到巾=2的能級(jí)形成巴耳末系:三4的能級(jí)躍遷到 斤=3的能級(jí)形成帕邪系等.熒光物質(zhì)在紫外線照射下能夠發(fā)出可見光，應(yīng)如何解釋這種現(xiàn)象 呢？答案:紫外線光子能

3、量較大，熒光物質(zhì)的原子吸收紫外線后,躍遷到 7較高的能級(jí)，在向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能先躍遷到比基態(tài)稍高能級(jí), 發(fā)出光子,再躍遷到基態(tài)，又發(fā)出光子，發(fā)出光子的能量低于紫外線 光子能量,屬于可見光.一、玻爾原子理論的基本假設(shè)1第一條假設(shè)能級(jí)(定態(tài))假設(shè)原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是 穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量這些狀態(tài)叫定 態(tài)(本假設(shè)是針對(duì)原子穩(wěn)定性提岀的)(1) 基態(tài):在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級(jí)，這時(shí)電子在離核最近 的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)叫基態(tài).(2) 激發(fā)態(tài):原子處于較高能級(jí)時(shí)，電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng), 這種定態(tài)叫激發(fā)態(tài)除基態(tài)以外的定態(tài)都叫激發(fā)態(tài).

4、2 第二條假設(shè)軌道量子化假設(shè)原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)原子的 定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的，如圖所示軌 道半徑屆（斤=1,2,3）,式中廠代表第一條（即離核最近的河能軌道的 半徑,G代表第條可能軌道的半徑.例如:氫原子的電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí),其最小半徑是0.53 X IO。m,不可再小, 電子還可能在半徑是2.12X 10-1。m、4.77X1O-10 m等的軌道上運(yùn)行，但軌 道半徑不可能是介于這些數(shù)值中間的某個(gè)值.3第三條假設(shè)躍遷假設(shè)原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為乞）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為EQ時(shí), 它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種

5、定態(tài)的能量 差決定，即hv=Em-En,個(gè)式子稱為頻率條件公式，也叫輻射條件公 式力為普郎克常量，卩為光子的頻率.何為躍遷?躍遷遵循的規(guī)律是什么？答案:原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，它輻射或吸收一定 頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即高能級(jí)Em發(fā)專；遼e”E”、低能級(jí)可見,電子如果從一個(gè)軌道到另一 個(gè)軌道漉減磁線的形式改變半徑大小的，而是從一個(gè)軌道上 “跳躍”到另一個(gè)軌道上玻爾將這種現(xiàn)象叫做電子的躍遷.【例1】（多選）關(guān)于玻爾理論，以下論斷中正確的是（）A. 原子的不同定態(tài)對(duì)應(yīng)于電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)B. 當(dāng)原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，原子向外輻射能量C. 只有當(dāng)原子處于基態(tài)時(shí)

6、，原子才不向外輻射能量D. 不論當(dāng)原子處于何種定態(tài)時(shí)，原子都不向外輻射能量解析:據(jù)玻爾理論第三條假設(shè)知A正確;根據(jù)玻爾理論第一、二條 假設(shè)知不論原子處于何種定態(tài)，原子都不向外輻射能量，原子只有 從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，才輻射或吸收能量，所以B、C錯(cuò) 誤,D正確.答案:AD（多選）玻爾在他提岀的原子模型中所作的假設(shè)有（）A. 原子處在具有一定能量的定態(tài)中,雖然電子做加速運(yùn)動(dòng)，但不向外輻射能量B. 原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)，而電子的可能軌道的分布是不連續(xù)的C. 電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，輻射（或吸收）一定頻率的光子D. 電子躍遷時(shí)輻射的光子的頻率等于電子繞

7、核做圓周運(yùn)動(dòng)的頻率答條:ABC解析:選項(xiàng)中前三項(xiàng)都是玻爾提出來(lái)的假設(shè)，其核心是原子定態(tài)概念的 引入與能級(jí)躍遷學(xué)說(shuō)的提出地就是“量子化”概念;原子的不同能量狀態(tài) 與電子繞核運(yùn)動(dòng)不同的軌道相對(duì)應(yīng)，是經(jīng)典理論與量子化概念的結(jié)合.二、玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋1能級(jí)的定義在玻爾模型中，原子的可能狀態(tài)是不連續(xù)的，因此各狀態(tài)對(duì)應(yīng)的 能量也是不連續(xù)的這些能量值叫做能級(jí).2基態(tài)和激發(fā)態(tài)各狀態(tài)的標(biāo)號(hào)1、2、3叫做量子數(shù)，通常用表示能量最低的 狀態(tài)叫做基態(tài)，其他狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài),基態(tài)的能量用d表示,各激發(fā) 態(tài)的能量分別用民、艮表示.3.氫原子的能級(jí)對(duì)氫原子而言，核外的一個(gè)電子繞核運(yùn)行時(shí)，若半徑不同，則對(duì)應(yīng) 著的原子能量

8、也不同，若使原子電離，外界必須對(duì)原子做功,使電子 擺脫它與原子核之間的庫(kù)侖力的束縛,所以原子電離后的能量比原 子其他狀態(tài)的能量都高我們把原子電離后的能量記為0,即選取電 子處于無(wú)窮遠(yuǎn)處吋?xì)湓拥哪芰繛榱?則其他狀態(tài)下的能量值就是 負(fù)的.原子各能級(jí)的關(guān)系為&=烏（=1,2,3）對(duì)于氫原子而言，基態(tài)能量d = 136eV；其他各激發(fā)態(tài)的能量為2=-3.4eV*3二151 eV；4 氫原子的能級(jí)圖氫原子的能級(jí)圖如圖所示.n0054 3 2/eV t 0 三-054 -0.85 一-1.51-3.41 “卄*；-13.65對(duì)氫原子光譜的巴耳末系的解釋及推測(cè)按照玻爾原子理論，氫原子的電子從能量較高的軌道

9、躍遷到能量較低 的軌道2時(shí)，輻射出的光子能量應(yīng)為hv=En-E2.根據(jù)氫原子的能級(jí)公式E產(chǎn)黑可得&2=算由此可得加=E 1 （士 一古）.由于c=/l%所以上式可寫作扌=把這個(gè)式子與前面的巴耳末公式相比較，可以看岀它們的形式是 完全一樣的，并且g第計(jì)算出令的值為1.097X1()717,與前面給 出的人的實(shí)驗(yàn)值符合得很好這就是說(shuō)，根據(jù)玻爾理論,不但可以推導(dǎo) 出表示氫原子光譜的規(guī)律性的公式，而且還可以從理論上來(lái)計(jì)算里 德伯常量的值.由此可知，氫原子光譜的巴耳末系是電子從“=3,4,5,6等能級(jí)躍遷 到 =2的能級(jí)時(shí)輻射出來(lái)的.玻爾理論不但成功地解釋了氫原子光譜的巴耳末系，而且對(duì)當(dāng)時(shí) 已發(fā)現(xiàn)的氫原

10、子光譜的另一線系帕邢系(在紅外區(qū))，也能很好 地解釋，它是電子從“=4,5,6等能級(jí)向”=3的能級(jí)躍遷時(shí)輻射出來(lái)的, 此外，玻爾理論還預(yù)言了當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的氫原子的其他光譜線系， 這些線系后來(lái)相繼被發(fā)現(xiàn)，也都跟玻爾理論的預(yù)言相符.氫原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，是不是能級(jí)越高，釋放的光子 能量越大？答案:不一定氫原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，所釋放的光子能量 一定等于能級(jí)差,氫原子所處的能級(jí)高，躍遷時(shí)能級(jí)差不一定大，釋 放的光子能量不一定大.n/eV8(J-3.41-13.6【例2】氫原子的能級(jí)如圖所示，已知可見光的光子能量范圍為 1.623.11 eV,下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A. 處于能級(jí)的氫原子可

11、以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生電離B. 大量氫原子從高能級(jí)向能級(jí)躍遷時(shí),發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng)C. 大量處于斤=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出6種不同頻率的 光D. 大量處于能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)岀3種不同頻率 的可見光解析:紫外線的頻率比可見光的高，因此紫外線光子的能量應(yīng)大于3.11 eV，而處于=3能級(jí)的氫原子其電離能僅為1.51小于3.11eY所以處于 =3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生 電離；犬量氫原子從高能級(jí)向77=3能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光子能量小于 1.51 eV，小于1.62 eV；即所發(fā)出的光子為有顯著熱效應(yīng)的紅外光子； 大量處于=4能級(jí)的氫原子

12、向低能級(jí)躍遷時(shí)可以輻射出的光子的 種類為N=Cj=6種，故選項(xiàng)D符合題意,故應(yīng)選D.答案:D氫原子從能級(jí)加躍遷到能級(jí)汕寸輻射紅光的頻率為引，從能級(jí)斤躍 遷到能級(jí)郊寸吸收紫光的頻率為卩2,已知普朗克常量為力，若氫原子從 能級(jí)比躍遷到能級(jí)則（）A. 吸收光子的能量為加+hv2B. 輻射光子的能量為hvx+hv2C. 吸收光子的能量為加2-加1D. 輻射光子的能量為加2加答案:D解析:氫原子從能級(jí)加躍遷到能級(jí)斤時(shí)，輻射紅光，則加二乞遲;從 能級(jí)斤躍遷到能級(jí)時(shí)，吸收紫光，則加2二仗遲廣因?yàn)榧t光的頻率引小 于紫光的頻率卩2,即方比 加力所以能級(jí)公犬于能級(jí)加從能級(jí)公躍遷到能 級(jí)加時(shí)，輻射光子的能量為Ek-

13、Em=hv2-hvA項(xiàng)D正確.1.使原子能級(jí)躍遷的兩種粒子光子與實(shí)物粒子原子若是吸收光子的能量而被激發(fā)，則光子的能量必須等于兩能 級(jí)的能量差，否則不被吸收不存在激發(fā)至骯=2時(shí)能量有余，而激發(fā)到 心3時(shí)能量不足,則可激發(fā)至骯=2的問題原子還可吸收外來(lái)實(shí)物粒子(例如自由電子)的能量而被激發(fā)，由 于實(shí)物粒子的動(dòng)能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子 的能量大于或等于兩能級(jí)的能量差值(E=EW-En),均可使原子發(fā)生 能級(jí)躍遷.2氫光譜條數(shù)的計(jì)算如果氫原子處于高能級(jí)，對(duì)應(yīng)量子數(shù)為仏則就有可能向量子數(shù)為 -1昇-2屮-3廠,1諸能級(jí)躍遷，共可形成”-1條譜線，而躍遷至量子數(shù)為 ”-1的氫原子又可向

14、諸能級(jí)躍遷，共可形成爐2條譜線，同 理還可形成-3松4廠,1條譜線，對(duì)以上結(jié)果歸納求和,則可形成的譜 線總數(shù)為 N=S-l)+(n-2)+O3)+- + l=蟄衛(wèi)=盤.3.群原子和一個(gè)原子氫原子核外只有一個(gè)電子，這個(gè)電子在某個(gè)時(shí)刻只能處在某一個(gè) 可能的軌道上，在某段時(shí)間內(nèi)，由某一軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，可 能的情況只有一種,但是如果容器中盛有大量的氫原子，這些原子 的核外電子躍遷時(shí)就會(huì)有各種情況出現(xiàn)了.(1) 一群氫原子躍遷問題的計(jì)算 確定氫原子所處激發(fā)態(tài)的能級(jí)，畫出躍遷示意圖. 運(yùn)用歸納法，根據(jù)數(shù)學(xué)公式何=豊也確定躍遷頻率的種類. 根據(jù)躍遷能量公式hvEm-En分別計(jì)算出各種頻率的光子(2)

15、 個(gè)氫原子躍遷時(shí)的解題方法 確定氫原子所處的能級(jí)，畫出能級(jí)圖，如圖所示.n54 3 245980.0.-13.6 根據(jù)躍遷的原理，分別畫出處于激發(fā)態(tài)的氫原子向低能態(tài)躍遷 時(shí)最多可能的躍遷示意圖. 再根據(jù)躍遷能量公式hv=Em-En分別算出幾種頻率的光子4直接躍遷與間接躍遷原子從一種能量狀態(tài)躍遷到另一種能量狀態(tài)時(shí)，有時(shí)可能是直接 躍遷,有時(shí)可能是間接躍遷兩種情況的輻射（或吸收）光子的頻率可 能不同.5.躍遷與電離原子躍遷時(shí)，不管是吸收還是輻射光子，其光子的能量都必須等 于這兩個(gè)能級(jí)的能量差若想把處于某一定態(tài)上的原子的電子電離 出去，就需要給原子一定的能量如基態(tài)氫原子電離（即上升=oo）,其 電離

16、能為13.6 eV,只要能量等于或大于13.6 eV的光子都能被基態(tài) 氫原子吸收而電離,只不過入射光子的能量越大，原子電離后產(chǎn)生 的電子具有的動(dòng)能越大.Va鞋08據(jù).04ek-3 王 I-1（2014山東理綜）（多選）氫原子能級(jí)如圖，當(dāng)氫原子從心3躍遷至骯=2的能 級(jí)時(shí)，輻射光的波長(zhǎng)為656 nm.以下判斷正確的是（）A. 氫原子從斤=2躍遷到斤=1的能級(jí)時(shí)，輻射光的波長(zhǎng)大于656 nmB. 用波長(zhǎng)為325 nm的光照射，可使氫原子從斤二1躍遷到卅=2的能級(jí)c一群處于二3能級(jí)上的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)最多產(chǎn)生3種譜線D.用波長(zhǎng)為633 nm的光照射，不能使氫原子從躍遷到”=3的能級(jí)解析:由h=E2-E及氫原子能級(jí)關(guān)系可知，從 =2躍迂到=1時(shí)釋放光子 A 一波長(zhǎng)為122 nm,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤.波長(zhǎng)325 nm光子能量小于波長(zhǎng)122 nm光子能量，不能使氫原子從” =1躍 遷到=2的能級(jí)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤.一群處于“=3能級(jí)的氫原予向低能級(jí)躍遷時(shí)最多有3種可能，因此最多 產(chǎn)生3種譜線選項(xiàng)C正確.從=3躍迂到=2時(shí)輻射光的波長(zhǎng)久=656 nm，所以，只有當(dāng)入射光波長(zhǎng)為 656 nm時(shí)，才能使氫原子從=2躍遷到=3的能級(jí).選項(xiàng)D正確.答案:CD有一群氫原子處于量子數(shù)n=3的激發(fā)態(tài),能級(jí)圖如下.nE/eV8031.5123.4113.6有可能放出幾種能量的光