3-4 原子的能级结构 教学设计
图片预览
文档简介
本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com
原子的能级结构
1教学目标
1、知识与技能：
（1）了解原子的能级、跃迁、能量量子化以及基态和激发态等概念。
（2）了解原子能量量子化是如何提出来的，理解原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系。
（3）知道氢原子能级公式，以及能利用能级公式分析一些有关原子能级的问题。
（4）能用原子的能级结构解释氢原子光谱的不连续性。
2、过程与方法：
通过原子的能级跃迁与上下楼梯时的势能的变化比较的“讨论与交流”，理解能级的量子效应。
3、情感、态度与价值观：
（1）通过计算和对比，使学生能够验证自己的猜想，培养学生尊重事实结果的态度和严谨的党风。
（2）加深对微观世界的“不连续”、能量量子化的理解。
2学情分析
通过上节课的学习，学生知道了氢原子的各
( http: / / www.21cnjy.com )谱线之间的规律，但对氢原子为什么会发出光谱和氢原子发出的光谱是不连续的不清楚.学生急切想知道，这就使得对本节课的学习提供了良好的学习动机。通过本节课的能级、跃迁、能量量子化以及基态和激发态等概念和原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系的学习，使学生进一步深入了解原子结构之谜。
3重点难点
1、重点：理解原子的能级结构。
2、难点：能级结构的猜想。
4教学过程
4.1
第一学时
4.1.1教学活动
活动1【导入】新课导入
通过上节课的学习，我们找到了氢原子的各谱线
( http: / / www.21cnjy.com )之间的规律是找到了，但为什么氢原子发出的光谱是不连续的呢？那么形成原子光谱的原因又是什么？
今天我们就来学习原子的能级结构，看能否解决以上的问题.
.
活动2【讲授】一、能级结构猜想
1、让学学生阅读课本P.60关于能级结构猜想的内容，完成资料的填空。
（1）由于氢原子光谱是____的，所以猜想原子内部的能量也是______的．
（2）能级：把原子内部___________称为能级．
（3）跃迁：把原子从一个能级变化到另一个能级的____叫做跃迁．
（4）处于高能级的原子，自发地向低能级跃迁
( http: / / www.21cnjy.com )时____光子；原子____特定频率的光子或通过其他途径获得能量时，可以从低能级向高能级跃迁．原子辐射或吸收光子的能量为____________，其中Em、En分别为原子的高能级和低能级．21世纪教育网版权所有
最后教师总结：
从高能级Em跃迁到低能级En：发射光子hν＝Em－En
从低能级Em跃迁到高能级En：发射光子hν＝Em－En
活动3【讲授】教师介绍玻尔原子理论：
(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．
（3）轨道量子化假设：
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。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。
活动4【讲授】玻尔氢原子能级：
1、丹麦物理学家玻尔吸取前人思想，通过大胆假设，推导出氢原子的能级表达式为
En=
-Rhc/n2，n=1，2，3···
式中R为里德伯常量，h为普朗克常量，c为光速，n是______，上式说明氢原子的能量是________，n被称为__________．21教育网
正常情况下氢原子处于最低能级E1(n＝1)，这个状态称为____，其他状态称为
.
2、氢原子的能级图
氢原子的能级图如图所示，从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道及相应的能量．
En=
-E1/n2，n=1，2，3···
∞
0
7
-1.28
6
-0.38
5
-0.54
4
-0.85
3
-1.51
2
-3.4
1
-13.6
活动5【活动】氢原子的能级为什么是负值
选取电子处于无穷远处时氢原子的能量为零，让学生自己思考、讲论分析：氢原子的能级为什么是负值？（教师提示学生用功能关系去思考）
师：选取电子处于无穷远处时
( http: / / www.21cnjy.com )氢原子的能量为零，氢原子的其他状态的能量为负值。因为要使原子电离（电子处于无穷远处），外界必须对原子功，使电子摆脱与原子核之间的束缚力。所以以电子处于无穷远处时氢原子的能量比原子的其他状态的能量都高。21cnjy.com
活动6【活动】原子发光现象的本质是什么？
教师设问：原子发光现象的本质是什么？请同学思考分析？哪上一节课所讲的原子光谱线系是怎样形成的？
师：原子发光本质：
原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射，原子辐射出的光子的能量等于两能级间的能量之差．
原子从不同能级跃迁到某一特定的能级就形
( http: / / www.21cnjy.com )成一个线系：一个原子可以有许多不同的能量状态，但某一时刻，一个原子不可能既处于这一状态也处于那一状态。如果有大量的原子，它们之中就有的处于这一状态，有的处于那一个状态。氢光谱的观测就说明这一事实：它的光谱线不是一个氢原子出的，而是不同的氢原子从不同的能级跃迁到另一些不同能级的结果。
活动7【活动】讨论与交流2：原子能级与跃迁与上下楼梯时势能的变化比较
师：楼梯间的间隔趋于零时，楼梯趋于
( http: / / www.21cnjy.com )斜面。
氢原子的能级，当n→1时，第n和第（n+1）能级之间的间隔最大，此时量子效应最明显；当n→+∞时，第n和第（n+1）能级间的间隔趋于零，此时可看作能量过渡到经典连续分布的情形。所以n越小，量子效应越明显，n越大，越趋向经典中的连续能量，可见经典力学和量子力学并没有严格的界限。
活动8【讲授】引导学生分析：注意三个不同
(1)一群氢原子与一个氢原子的不同：
一个氢原子在一次跃迁时只能辐射一个
( http: / / www.21cnjy.com )光子，故一个氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的最多光谱条数为：n－1.
一群氢原子处于量子数为n的激发态时，由于向各个能级跃迁的可能性都存在，故可能辐的光谱条数为21·cn·jy·com
(2)跃迁与电离的不同
跃迁时只能吸收等于两个能级差的光子；电离时只
( http: / / www.21cnjy.com )要原子吸收的能量ΔE≥（E∞－En），就可以使处于定态n上的氢原子电离，当ΔE>（E∞－En）时，电离后电子还具有一定的动能．www.21-cn-jy.com
(3)吸收光子跃迁与电子碰撞跃迁的不同
电子碰撞原子核时，只要电子
( http: / / www.21cnjy.com )的动能大于或等于某两个能级能量差就可引起原子的激发跃迁．但由于电子的动能不是一份一份的，因此撞击时可把部分动能传给原子，剩余的部分自身保留。
吸收光子跃迁，只能吸收能量为hν＝Em－En或hν>E∞－En的光子。
活动9【练习】例题练习讲解
例1：有一群氢原子处于量子数n＝4的激发态中，能发出几种频率的光子？其中最高频率、最低频率各为多少？2·1·c·n·j·y
若有一个氢原子处于量子数n＝4的激发态时，最多能发出几种频率的光子？
解析： 一群氢原子向低能
( http: / / www.21cnjy.com )级跃迁时，各种跃迁方式都会发生，即可以从n＝4的激光态跃迁到n＝3、n＝2、n＝1的各能级；再从n＝3的激发态跃迁到n＝2、n＝1的各能级；再从n＝2的激发态跃迁到n＝1的基态．故有N＝＝6种频率的光子产生．如图所示为跃迁示意图．【来源：21·世纪·教育·网】
最高频率的光子满足
hν1＝－0.85
eV－(－13.6
eV)
＝12.75
eV＝2.04×10－18
J，
ν1＝3.1×1015
Hz.
最低频率的光子满足：
hν2＝－0.85
eV－(－1.51
eV)＝0.66
eV
＝1.056×10－19
J，ν2＝1.6×1014
Hz.
一个氢原子处于量子数为4的激发态时，最多能发出4－1＝3(种)频率的光子．
例2：当用具有1.87
eV能量的光子照射n＝3激发态的氢原子时，氢原子( )
A．不会吸收这个光子
B．吸收该光子后被电离，电离后的动能为0.36
eV
C．吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零
D．吸收该光子后不会被电离
例3．已知氢原子的基态能量为－13.6
eV，当一群处于量子数为n＝3的激发态的氢原子发生跃迁时，可能辐射的光子能量是( )
A．1.5
eV
B．12.09
eV
C．1.89
eV、12.09
eV
D．1.89
eV、10.2
eV、12.09
eV
例4.欲使处于基态的氢原子激发，下列措施不可行的是( )
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11
eV的电子碰撞
活动10【讲授】小结
本节课我们学习了：
1、原子的能级、跃迁、能量量子化、基态和激发态等概念。
2、原子发射与吸收光子的频率与能量的关系：hν＝Em－En。
3、原子的跃迁和电离的区别和联系。
4、原子发生跃迁和电离的能量的来源。
5、一个氢原子和一迁、能量量子化、基态和激发态等概念。群氢原子跃迁过程中所能发出的光谱线条数不同。
4、氢原子能级公式：En=-E1/n2，n=1，2，3···
活动11【作业】作业
《优化课堂》本节“知能综合训练”
21世纪教育网
--
中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。
版权所有@21世纪教育网
原子的能级结构
1教学目标
1、知识与技能：
（1）了解原子的能级、跃迁、能量量子化以及基态和激发态等概念。
（2）了解原子能量量子化是如何提出来的，理解原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系。
（3）知道氢原子能级公式，以及能利用能级公式分析一些有关原子能级的问题。
（4）能用原子的能级结构解释氢原子光谱的不连续性。
2、过程与方法：
通过原子的能级跃迁与上下楼梯时的势能的变化比较的“讨论与交流”，理解能级的量子效应。
3、情感、态度与价值观：
（1）通过计算和对比，使学生能够验证自己的猜想，培养学生尊重事实结果的态度和严谨的党风。
（2）加深对微观世界的“不连续”、能量量子化的理解。
2学情分析
通过上节课的学习，学生知道了氢原子的各
( http: / / www.21cnjy.com )谱线之间的规律，但对氢原子为什么会发出光谱和氢原子发出的光谱是不连续的不清楚.学生急切想知道，这就使得对本节课的学习提供了良好的学习动机。通过本节课的能级、跃迁、能量量子化以及基态和激发态等概念和原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系的学习，使学生进一步深入了解原子结构之谜。
3重点难点
1、重点：理解原子的能级结构。
2、难点：能级结构的猜想。
4教学过程
4.1
第一学时
4.1.1教学活动
活动1【导入】新课导入
通过上节课的学习，我们找到了氢原子的各谱线
( http: / / www.21cnjy.com )之间的规律是找到了，但为什么氢原子发出的光谱是不连续的呢？那么形成原子光谱的原因又是什么？
今天我们就来学习原子的能级结构，看能否解决以上的问题.
.
活动2【讲授】一、能级结构猜想
1、让学学生阅读课本P.60关于能级结构猜想的内容，完成资料的填空。
（1）由于氢原子光谱是____的，所以猜想原子内部的能量也是______的．
（2）能级：把原子内部___________称为能级．
（3）跃迁：把原子从一个能级变化到另一个能级的____叫做跃迁．
（4）处于高能级的原子，自发地向低能级跃迁
( http: / / www.21cnjy.com )时____光子；原子____特定频率的光子或通过其他途径获得能量时，可以从低能级向高能级跃迁．原子辐射或吸收光子的能量为____________，其中Em、En分别为原子的高能级和低能级．21世纪教育网版权所有
最后教师总结：
从高能级Em跃迁到低能级En：发射光子hν＝Em－En
从低能级Em跃迁到高能级En：发射光子hν＝Em－En
活动3【讲授】教师介绍玻尔原子理论：
(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．
（3）轨道量子化假设：
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。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。
活动4【讲授】玻尔氢原子能级：
1、丹麦物理学家玻尔吸取前人思想，通过大胆假设，推导出氢原子的能级表达式为
En=
-Rhc/n2，n=1，2，3···
式中R为里德伯常量，h为普朗克常量，c为光速，n是______，上式说明氢原子的能量是________，n被称为__________．21教育网
正常情况下氢原子处于最低能级E1(n＝1)，这个状态称为____，其他状态称为
.
2、氢原子的能级图
氢原子的能级图如图所示，从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道及相应的能量．
En=
-E1/n2，n=1，2，3···
∞
0
7
-1.28
6
-0.38
5
-0.54
4
-0.85
3
-1.51
2
-3.4
1
-13.6
活动5【活动】氢原子的能级为什么是负值
选取电子处于无穷远处时氢原子的能量为零，让学生自己思考、讲论分析：氢原子的能级为什么是负值？（教师提示学生用功能关系去思考）
师：选取电子处于无穷远处时
( http: / / www.21cnjy.com )氢原子的能量为零，氢原子的其他状态的能量为负值。因为要使原子电离（电子处于无穷远处），外界必须对原子功，使电子摆脱与原子核之间的束缚力。所以以电子处于无穷远处时氢原子的能量比原子的其他状态的能量都高。21cnjy.com
活动6【活动】原子发光现象的本质是什么？
教师设问：原子发光现象的本质是什么？请同学思考分析？哪上一节课所讲的原子光谱线系是怎样形成的？
师：原子发光本质：
原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射，原子辐射出的光子的能量等于两能级间的能量之差．
原子从不同能级跃迁到某一特定的能级就形
( http: / / www.21cnjy.com )成一个线系：一个原子可以有许多不同的能量状态，但某一时刻，一个原子不可能既处于这一状态也处于那一状态。如果有大量的原子，它们之中就有的处于这一状态，有的处于那一个状态。氢光谱的观测就说明这一事实：它的光谱线不是一个氢原子出的，而是不同的氢原子从不同的能级跃迁到另一些不同能级的结果。
活动7【活动】讨论与交流2：原子能级与跃迁与上下楼梯时势能的变化比较
师：楼梯间的间隔趋于零时，楼梯趋于
( http: / / www.21cnjy.com )斜面。
氢原子的能级，当n→1时，第n和第（n+1）能级之间的间隔最大，此时量子效应最明显；当n→+∞时，第n和第（n+1）能级间的间隔趋于零，此时可看作能量过渡到经典连续分布的情形。所以n越小，量子效应越明显，n越大，越趋向经典中的连续能量，可见经典力学和量子力学并没有严格的界限。
活动8【讲授】引导学生分析：注意三个不同
(1)一群氢原子与一个氢原子的不同：
一个氢原子在一次跃迁时只能辐射一个
( http: / / www.21cnjy.com )光子，故一个氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的最多光谱条数为：n－1.
一群氢原子处于量子数为n的激发态时，由于向各个能级跃迁的可能性都存在，故可能辐的光谱条数为21·cn·jy·com
(2)跃迁与电离的不同
跃迁时只能吸收等于两个能级差的光子；电离时只
( http: / / www.21cnjy.com )要原子吸收的能量ΔE≥（E∞－En），就可以使处于定态n上的氢原子电离，当ΔE>（E∞－En）时，电离后电子还具有一定的动能．www.21-cn-jy.com
(3)吸收光子跃迁与电子碰撞跃迁的不同
电子碰撞原子核时，只要电子
( http: / / www.21cnjy.com )的动能大于或等于某两个能级能量差就可引起原子的激发跃迁．但由于电子的动能不是一份一份的，因此撞击时可把部分动能传给原子，剩余的部分自身保留。
吸收光子跃迁，只能吸收能量为hν＝Em－En或hν>E∞－En的光子。
活动9【练习】例题练习讲解
例1：有一群氢原子处于量子数n＝4的激发态中，能发出几种频率的光子？其中最高频率、最低频率各为多少？2·1·c·n·j·y
若有一个氢原子处于量子数n＝4的激发态时，最多能发出几种频率的光子？
解析： 一群氢原子向低能
( http: / / www.21cnjy.com )级跃迁时，各种跃迁方式都会发生，即可以从n＝4的激光态跃迁到n＝3、n＝2、n＝1的各能级；再从n＝3的激发态跃迁到n＝2、n＝1的各能级；再从n＝2的激发态跃迁到n＝1的基态．故有N＝＝6种频率的光子产生．如图所示为跃迁示意图．【来源：21·世纪·教育·网】
最高频率的光子满足
hν1＝－0.85
eV－(－13.6
eV)
＝12.75
eV＝2.04×10－18
J，
ν1＝3.1×1015
Hz.
最低频率的光子满足：
hν2＝－0.85
eV－(－1.51
eV)＝0.66
eV
＝1.056×10－19
J，ν2＝1.6×1014
Hz.
一个氢原子处于量子数为4的激发态时，最多能发出4－1＝3(种)频率的光子．
例2：当用具有1.87
eV能量的光子照射n＝3激发态的氢原子时，氢原子( )
A．不会吸收这个光子
B．吸收该光子后被电离，电离后的动能为0.36
eV
C．吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零
D．吸收该光子后不会被电离
例3．已知氢原子的基态能量为－13.6
eV，当一群处于量子数为n＝3的激发态的氢原子发生跃迁时，可能辐射的光子能量是( )
A．1.5
eV
B．12.09
eV
C．1.89
eV、12.09
eV
D．1.89
eV、10.2
eV、12.09
eV
例4.欲使处于基态的氢原子激发，下列措施不可行的是( )
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11
eV的电子碰撞
活动10【讲授】小结
本节课我们学习了：
1、原子的能级、跃迁、能量量子化、基态和激发态等概念。
2、原子发射与吸收光子的频率与能量的关系：hν＝Em－En。
3、原子的跃迁和电离的区别和联系。
4、原子发生跃迁和电离的能量的来源。
5、一个氢原子和一迁、能量量子化、基态和激发态等概念。群氢原子跃迁过程中所能发出的光谱线条数不同。
4、氢原子能级公式：En=-E1/n2，n=1，2，3···
活动11【作业】作业
《优化课堂》本节“知能综合训练”
21世纪教育网
--
中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。
版权所有@21世纪教育网
同课章节目录