18.4第四節(jié)--玻爾的原子模型.ppt

1、第四節(jié) 玻爾的原子模型,知識梳理圖,【知識點(diǎn)】 1.玻爾原子模型的內(nèi)容 2.玻爾理論對氫原子光譜的解釋 3.玻爾原子模型的局限性,情景設(shè)置 我們在物理化學(xué)中都學(xué)過原子的結(jié)構(gòu)模型,而且對原子的原子核電子有一定的認(rèn)識,那么這么小的微觀世界我們是如何認(rèn)識的呢?人類對它的認(rèn)識發(fā)展歷程又是怎樣的呢?,深化探究 一玻爾的原子模型 1.玻爾理論建立的背景和觀點(diǎn) (1)經(jīng)典電磁理論的困惑: 原子是否穩(wěn)定,電子繞原子核旋轉(zhuǎn),做的是一種變加速運(yùn)動,因而就要向外輻射電磁波,由于能量不斷地向外輻射,使得電子繞核的軌道半徑要減小,這樣的電子將沿螺旋線落在原子核上,因而原子是不穩(wěn)定的,而事實(shí)上原子通常是穩(wěn)定的.,原子發(fā)光

2、的光譜是連續(xù)譜還是線狀譜 電子繞核運(yùn)動輻射電磁波的頻率對應(yīng)于電子繞核運(yùn)動的頻率,當(dāng)電子運(yùn)動的軌道半徑逐漸減小時,輻射電磁波的頻率不斷增大,這樣大量原子發(fā)光時所發(fā)射的光應(yīng)包含各種頻率的光,是連續(xù)光譜,而事實(shí)上原子發(fā)光是不連續(xù)的,是線狀譜 (2)玻爾的觀點(diǎn) 玻爾接受了普朗克的黑體輻射的量子論和愛因斯坦的光子的概念,將能量取分立值的觀念應(yīng)用到原子系統(tǒng).,2.玻爾的原子模型 玻爾認(rèn)為:圍繞原子核運(yùn)動的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值,這種現(xiàn)象叫軌道量子化;不同的軌道對應(yīng)著不同的原子狀態(tài),在這些狀態(tài)盡管電子在做變速運(yùn)動,卻不輻射能量,因此這些狀態(tài)原子是穩(wěn)定的,原子在不同狀態(tài)具有不同的能量,所以原子的能量

3、也是量子化的.,玻爾理論有三個要點(diǎn): (1)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,電子雖然繞核旋轉(zhuǎn),但并不向外輻射能量,這些狀態(tài)叫做定態(tài). (2)原子從一種定態(tài)(E1)躍遷到另外一個定態(tài)(E2)時,它輻射(或吸收)一定頻率的光子,光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定.即h=E2-E1 可見,電子從一個軌道到另一個軌道不是以螺旋線的形狀改變半徑的,而是從一個軌道“跳躍”到另一個軌道,玻爾將這種現(xiàn)象稱為躍遷.,(3)原子的不同能量狀態(tài)對應(yīng)于電子不同的軌道,原子定態(tài)的不連續(xù)性,因而與之對應(yīng)的電子軌道也是不連續(xù)的.這種軌道的不連續(xù)叫做軌道的量子化.,3.能級 在玻爾原子模型中,

4、原子的可能狀態(tài)是不連續(xù)的,因此各狀態(tài)對應(yīng)的能量也是不連續(xù)的,這些能量值叫做能級. 各狀態(tài)的標(biāo)號123叫做量子數(shù),通常用n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)和激發(fā)態(tài)的能量分別用E1E2E3代表.,二玻爾原子模型對氫原子光譜的解釋 對氫原子而言,核外一個電子繞核運(yùn)行時,若半徑不同,則對應(yīng)著的原子能量也不同,若使原子電離,外界必須對原子做功,使電子擺脫它與原子核之間的庫侖力的束縛,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,則其他狀態(tài)下的能量值就是負(fù)值.,原子各能級的關(guān)系為En= (n=1,2,3)對氫原子而言,基態(tài)能量:E1=-13.6 eV則其

5、他各激發(fā)態(tài)的能級為:E2=-3.4 eV E3=-1.5 eV,1.能級圖:下圖為氫原子的能級圖,2.光子的發(fā)射和吸收 (1)能級的躍遷 根據(jù)玻爾原子模型,原子只能處于一系列的不連續(xù)的能量狀態(tài)中,這些狀態(tài)分基態(tài)和激發(fā)態(tài)兩種.其中原子處于基態(tài)時是穩(wěn)定的,原子處于激發(fā)態(tài)時是不穩(wěn)定的.當(dāng)原子處于激發(fā)態(tài)時會自發(fā)地向較低能級躍遷,經(jīng)過一次或幾次躍遷到基態(tài).,說明:原子能級躍遷時,處于激發(fā)態(tài)的原子可能經(jīng)一次躍遷回到基態(tài);也可能由較高能級的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級的激發(fā)態(tài),最后回到基態(tài).一個原子由較高能級回到基態(tài),到底發(fā)生幾次躍遷是不確定的. 物質(zhì)中含有大量的原子,各個原子的躍遷方式也是不統(tǒng)一的,有些原子經(jīng)一次

6、躍遷到基態(tài);有些原子可能經(jīng)幾次躍遷才回到基態(tài).,(2)光子的發(fā)射 原子從較高的能級躍遷到較低能級要輻射能量,該能量以光子的形式放出,而光子的頻率由下式?jīng)Q定 h=Em-En 由上式可以看出,能級差越大,放出光子的頻率就越高,而原子的能級值是不連續(xù)的.所以兩個定態(tài)的能級差也是不連續(xù)的,從而原子發(fā)光形成的光譜也是不連續(xù)的,只能發(fā)出一系列不連續(xù)的光譜線,這與事實(shí)是相吻合的.,(3)光子吸收 光子的吸收是光子發(fā)射的逆過程,原子從低能級躍遷到高能級要吸收光子.吸收光子的頻率也是由h=Em-En決定.所以吸收光子的頻率也是不連續(xù)的,與原子發(fā)光時的輻射光子的頻率是一一對應(yīng)的.,說明:原子若是吸收光子的能量而被

7、激發(fā),其光子的能量必須等于兩個能級的能量差,否則不能被吸收,不存在激發(fā)到n=2時,能量有余,而被激發(fā)到n=3時能量不足,則可激發(fā)到n=2的問題.即吸收光子是選擇性吸收. 原子還可以吸收電子(自由電子)的能量而被激發(fā),只要入射電子的能量大于或等于兩能級的差值(E=Em-En),均可使原子能級發(fā)生躍遷.,三玻爾理論的局限性 玻爾理論只能解釋氫原子光譜,而對外層電子較多的原子,理論和實(shí)際相差很多,玻爾理論不再成立,取而代之的是量子力學(xué).量子力學(xué)是徹底的量子理論.這不但能解釋玻爾理論所能解釋的現(xiàn)象,而且能夠解釋大量玻爾理論所不能解釋的現(xiàn)象.玻爾理論的三點(diǎn)假設(shè),在量子力學(xué)中也變成了從理論上推導(dǎo)出來的直接

8、結(jié)果,建立在量子力學(xué)的原子理論認(rèn)為,核外電子的運(yùn)動規(guī)律服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律,而沒有固定的軌道,我們只能知道它們在核外某處出現(xiàn)的概率大小.,結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子在某些地方出現(xiàn)的概率較大,在另一些地方出現(xiàn)的概率較小,電子頻繁地出現(xiàn)在這些概率大的地方,我們可以想象那里有一團(tuán)“電子云”包圍著原子核,這些電子云形成許多層,在不同層中運(yùn)動的電子具有不同的能量,因而形成了原子的定態(tài)和能級.這樣量子力學(xué)就根本拋棄了從經(jīng)典物理引用來的電子軌道的概念,所謂玻爾理論中的電子軌道,只不過是電子云中電子出現(xiàn)概率最大的地方.,從而我們就清楚的知道玻爾理論的成功之處在于引入了“量子”的觀念;不成功的原因是過多地保留了經(jīng)典的物理理論.,典例

9、分析 一有關(guān)玻爾的原子模型的問題,例1:玻爾在他提出的原子模型中所做的假設(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,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)動相對應(yīng),而電子的可能軌道的分布是不連續(xù)的 C.電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時,輻射(或吸收)一定頻率的光子 D.電子躍遷時輻射光子的頻率等于電子繞核做圓周運(yùn)動的頻率 答案:ABC,解析:在玻爾的原子模型中,玻爾提出了的假設(shè):1.電子的軌道是一些不連續(xù)的某些分立的值,不同的軌道對應(yīng)不同的能量值.2.電子在可能的軌道上雖做加速運(yùn)動,但不向外輻射能量,狀態(tài)穩(wěn)定,原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)

10、.3.原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時要吸收或輻射一定頻率的光子,光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定,所以ABC選項(xiàng)正確.,鞏固練習(xí)1:關(guān)于玻爾的原子模型下列說法正確的是( ) A.原子可以處于連續(xù)的能量狀態(tài)中 B.原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的 C.原子中的核外電子繞原子核做加速運(yùn)動一定向外輻射能量 D.原子中的電子繞核轉(zhuǎn)動的半徑是連續(xù)的 答案:B,二、原子的能級躍遷問題 例2:如圖所示,氫原子從n2的某一能級躍遷到n=2的能級,輻射出能量為2.55 eV的光子.問最少要給基態(tài)的氫原子提供多少電子伏特的能量,才能使它輻射上述能量的光子?請?jiān)趫D中畫出獲得該能量后的氫原子可能的輻射躍遷圖.,解析:氫原

11、子從n2的某一能級躍遷到n=2的能級, 滿足:h=En-E2=2.55 eV, En=h+E2=-0.85 eV. 所以n=4. 基態(tài)氫原子要躍遷到n=4的能級,應(yīng)提供: E=E4-E1=12.75 eV. 躍遷圖如圖所示.,答案:見解析 點(diǎn)評:處理氫原子輻射和吸收的問題時,切記輻射或吸收的光子的能量必須等于兩個定態(tài)的能級差,不可能輻射或吸收兩個能級差之外能量的光子;處于高能態(tài)的氫原子可能向各個低能態(tài)躍遷,而輻射出若干可能頻率的光子.因此畫輻射躍遷圖時要注意不要漏掉.,例3:(2007全國高考)用大量具有一定能量的電子轟擊大量處于基態(tài)的氫原子,觀測到了一定數(shù)目的光譜線.調(diào)高電子能量再次進(jìn)行觀測

12、,發(fā)現(xiàn)光譜線的數(shù)目比原來增加了5條.用n表示兩次觀測中最高激發(fā)態(tài)的量子數(shù)n之差,E表示調(diào)高后電子的能量.根據(jù)氫原子的能級圖可以判斷,n和E的可能值為( ),A.n=1,13.22 eVE13.32 eV B.n=2,13.22 eVE13.32 eV C.n=1,12.75 eVE13.06 eV D.n=2,12.75 eVE13.06 eV 答案:AD,解析:解法一:由于是利用電子碰撞使氫原子從基態(tài)躍遷,電子能量E大于或等于兩個定態(tài)的能量差就可以使電子躍遷該能級,本題討論起來比較復(fù)雜,首先應(yīng)從選項(xiàng)中的電子調(diào)高以后的能量入手,來判斷電子調(diào)高后能量的范圍從而確定使氫原子從基態(tài)躍遷到第n激發(fā)態(tài),

13、如A選項(xiàng),13.22 eVE13.32 eV .可以使電子從基態(tài)躍遷到n=6的激發(fā)態(tài),E17=13.32 eV,E16=13.22 eV,n=6的激發(fā)態(tài)能發(fā)出15種頻率的光,n處于n=5能級時能發(fā)出10種頻率,的光,n=1故A選項(xiàng)正確.同理12.75 eVE13.06 eV時,可以使基態(tài)的氫原子躍遷到n=4的能級.E14=12.75 eV,E15=13.06 eV,當(dāng)氫原子處于n=4的激發(fā)態(tài),發(fā)光可以產(chǎn)生6種不同頻率的光,比沒有調(diào)高電子能量的氫原子多5條譜線,即原來氫原子所處激發(fā)態(tài)可以發(fā)出1種頻率的光.即處于n=2的能級,則n=2,故D選項(xiàng)正確.,解法二:當(dāng)n=1時,調(diào)節(jié)前最高激發(fā)態(tài)的量子數(shù)n

14、,調(diào)節(jié)后最高激發(fā)態(tài)的量子數(shù)為n+1由C2n+1-C2n=5 這時利用數(shù)學(xué)上組合來求解即解得n=5 n+1=6所以E6-E1EE7-E1 即13.22 eVE13.32 eV當(dāng)n=2時,則有C2n+2-C2n=5,即解得n=2所以E4-E1EE5-E1 即12.75 eVE13.06 eV,故選AD.,點(diǎn)評:氫原子躍遷吸收能量,如果是由于電子的碰撞,使氫原子躍遷,那么電子的能量只要大于或等于兩個狀態(tài)的能量差就可以.而如果氫原子吸收光子躍遷,則該光子的能量必須等于兩個定態(tài)的能量差,否則氫原子不吸收光子的能量.解此類問題可能運(yùn)用相關(guān)的數(shù)學(xué)知識來幫助你解題,這樣往往事半功倍.,鞏固練習(xí)2:已知?dú)湓拥?/p>

15、基態(tài)能量為-13.6 eV,核外電子的第一軌道半徑為0.5310-10 m,電子質(zhì)量me=9.110-31 kg,電量e=1.610-19 C,求電子躍遷到第三軌道時,氫原子的能量,電子的動能和電子的電勢能各多大?,解析:由氫原子能級公式En= ,得第三軌道時E3= eV=-1.51 eVrn=n2r1,得r3=320.5310-10 m=4.7710-10 m.電子繞原子核轉(zhuǎn)動,庫侖力提供向心力,則則Ek3=1.51 eV由于E3=Ek3+Ep3 Ep3=E3-Ek3=-1.51 eV-1.51 eV=-3.02 eV.,答案:E3=-1.51 eV Ek3=1.51 eV Ep3=-3.0

16、2 eV,梯度練習(xí) 基礎(chǔ)強(qiáng)化 1.氫原子中的電子從高能級軌道向低能級軌道躍遷時,下列說法正確的是( ) A.電子離核的距離變近 B.電子的動能變小 C.原子要輻射一定能量的光子 D.電子和原子核組成系統(tǒng)的電勢能減小 答案:ACD,解析:氫原子中的電子從高能級軌道向低能級軌道躍遷時,是由離核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離核較近的軌道,在這個過程中原子核對電子的庫侖引力做正功,電子動能增加,而電勢能減小;原子的能級值減小,輻射一定頻率的光子,故ACD選項(xiàng)正確.,2.根據(jù)玻爾理論,下列關(guān)于氫原子的論述正確的是( ) A.若氫原子由能量為En的定態(tài)向低能級躍遷時,氫原子要輻射光子的能量為h=En B.電子沿某一軌

17、道繞核運(yùn)動,若圓周運(yùn)動的頻率為,則其發(fā)光的頻率也為 C.一個氫原子中的電子從一個半徑為ra的軌道自發(fā)地直接躍遷到另一半徑為rb的軌道,已知rarb,則此過程原子要輻射一定頻率的光子 D.氫原子吸收光子后,將從高能級向低能級躍遷 答案:C,解析:原子由能量為En的定態(tài)向低能級躍遷時,輻射的光子能量等于能級差,與En不同,故A選項(xiàng)錯誤;電子沿某一軌道繞核運(yùn)動,處于某一定態(tài),不向外輻射能量,故B選項(xiàng)錯誤;電子由半徑大的軌道躍遷到半徑小的軌道,能級降低,因而要輻射一定頻率的光子,故C選項(xiàng)正確;原子吸收光子后能量增加、能級升高,故D選項(xiàng)錯誤.,3.氫原子放出一個光子后電子由外軌道躍遷到內(nèi)軌道,根據(jù)玻爾理

18、論氫原子的( ) A.核外電子的電勢能增大 B.氫原子的能量增大 C.核外電子的動能增大 D.核外電子的轉(zhuǎn)動周期變大 答案:C,解析:當(dāng)電子由外軌進(jìn)入到內(nèi)軌時,庫侖力做正功,電勢能減小,故A選項(xiàng)錯誤;由于電子繞核做勻速圓周運(yùn)動,滿足 則,由此可知C選項(xiàng)正確;由 得 可知,D選項(xiàng)錯誤,由于放出光子能量減少,故B選項(xiàng)錯誤.,4.欲使處于基態(tài)的氫原子激發(fā),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 解析:由氫原子的能級圖可算出,只有10.2 eV為第2能級與基態(tài)之間的能級差,而大于13.6 eV的光能使氫

19、原子電離,故AC選項(xiàng)正確. 答案:AC,5.如圖所示為氫原子的能級圖,A、B、C分別表示電子在三種不同能級躍遷時放出的光子,其中( ),A.頻率最大的是B B.波長最長的是C C.頻率最大的是A D.波長最長的是B 解析:由圖可知,B光的能量最大,根據(jù)E=h得B光的頻率最大,故A選項(xiàng)正確;同理可知C光的能量最低,其波長最長,故B選項(xiàng)正確. 答案:AB,6.(2008廣東高考)有關(guān)氫原子光譜的說法正確的是( ) A.氫原子的發(fā)射光譜是連續(xù)譜 B.氫原子光譜說明氫原子只發(fā)出特定頻率的光 C.氫原子光譜說明氫原子能級是分立的 D.氫原子光譜線的頻率與氫原子能級的能量差無關(guān) 答案:BC,解析:氫原子光

20、譜是線狀譜,故A選項(xiàng)錯誤,B選項(xiàng)正確;氫原子發(fā)光的頻率由兩種定態(tài)的能量差決定,氫原子光譜是線狀譜,則說明氫原子的能級是不連續(xù)的,是分立的,故C選項(xiàng)正確,D選項(xiàng)錯誤.,能力提升7.氫原子在某三個相鄰能級之間躍遷時,可發(fā)出三種不同波長的輻射光,已知其中的兩個波長分別為1和2,且12,則另一個波長可能是( ),答案:CD,8.氫原子的能級如圖所示,已知可見光的光子能量范圍約為1.62 eV3.11 eV.下列說法錯誤的是( ),A.處于n=3能級的氫原子可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向n=3能級躍遷時,發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng) C.大量處于n=4能級的氫原子向低能級躍遷

21、時,可能發(fā)出6種不同頻率的光 D.大量處于n=4能級的氫原子向低能級躍遷時,可能發(fā)出3種不同頻率的可見光 答案:D,解析:紫外線的頻率比可見光高,因此,紫外線光子的能量應(yīng)大于3.11 eV,而處于n=3能級的氫原子其電離能僅為1.51 eV3.11 eV,所以處于n=3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線,并發(fā)生電離;大量氫原子從高能級向n=3的能級躍遷時,發(fā)出的光子的能量小于1.51 eV,且1.51 eV1.62 eV,即所發(fā)出的光子為顯著熱效應(yīng)的紅外光子;大量處于n=4能級的氫原子向低能級躍遷可以輻射出光子種類為6種,由此可知,ABC正確,故選D.,9.如圖為氫原子的能級圖,用光子能量為13.06 eV的光照射一群處于基態(tài)的氫原子,可能觀測到氫原子發(fā)射的不同波長的光有多少種( ),A.15 B.10 C.4 D.1 答案:B,解析:基態(tài)氫原子的能級是-13.6 eV,吸收13.06 eV的能量后,變?yōu)?0.54 eV原子躍遷到n=5的能級,由于原子是大量的,故輻射的光子種類是 =10種.,10.對于基態(tài)氫原子,下列說法正確的