2012【优化方案】精品课件：物理选修3-5（配粤教）第3章第四节

(共44张PPT)
第四节　原子的能级结构
课前自主学案
核心要点突破
课标定位
课堂互动讲练
第四节
知能优化训练
课标定位
学习目标：1.了解能级的概念．
2．理解原子发射和吸收光子的频率与能级差的关系．
3．知道玻尔对氢光谱的解释．
重点难点：1.玻尔理论对氢原子光谱的解释．
2．氢原子能级的推导．
课前自主学案
一、能级结构猜想
由于氢原子光谱是____的，所以猜想原子内部的能量也是______的．
1．能级：把原子内部____________称为能级．
2．跃迁：把原子从一个能级变化到另一个能级的____叫做跃迁．
处于高能级的原子，自发地向低能级跃迁时____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分别为原子跃迁前后的能级．
分立
不连续
不连续的能量
过程
辐射
吸收
hν＝Em－En
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__________．
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______．
正整数
量子化的
能量量子数
基态
激发态
思考感悟
原子发光现象的本质是什么？
提示：处于激发态的原子是不稳定的，它会向较低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射．
核心要点突破
一、玻尔理论及对氢原子光谱的解释
1．玻尔理论的两条基本假设
(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．
2．跃迁时频率满足的条件
(1)电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En)时，会放出能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m>n)．这个式子被称为频率条件，又称辐射条件．
(2)当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定．
特别提醒：若入射光子能量Em－En图3－4－1
特别提醒：电子的轨道和原子的能量都是量子化的．
4．解释原子光谱
原子从高能级向低能级跃迁时，放出的光子的能量等于前后两个能级之差．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．由于不同的原子具有不同的结构，能级各不相同，因此辐射(或吸收)的光子频率也不相同，这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因．
(2)同理，氢原子从高能级向量子数n＝1的能级跃迁时发出的光谱线属于赖曼系，向n＝3的能级跃迁时发出的光谱线属于帕邢系，如图3－4－2所示．
图3－4－2
即时应用(即时突破，小试牛刀)
1.在氢原子光谱中，电子从较高能级跃迁到n＝2能级发出的谱线属于巴耳末线系．若一群氢原子自发跃迁时发出的谱线中只有2条属于巴耳末线系，则这群氢原子自发跃迁时最多可发出________条不同频率的谱线．
解析：由于这群氢原子自发跃迁发出的谱线中只有2条属于巴耳末线系，故可判断这群氢原子的最高能级为n＝4，画出氢原子谱线示意图(如图所示)可知，这群氢原子自发跃迁时最多可发出6条不同频率的谱线．
答案：6
二、原子跃迁与电离
1．根据玻尔的氢原子理论，当原子从低能态向高能态跃迁时，必须吸收光子(或吸收能量)才能实现．相反，当原子从高能态向低能态跃迁时，必须辐射光子才能实现．不管是吸收还是辐射光子，光子的能量都必须等于这两个能级的能量差．
2．原子电离，就是其中的电子脱离原子核束缚而成为自由电子，氢原子要能电离，从外界获得的能量至少要能使氢原子达到玻尔模型系统的最高能级就是n＝∞，E＝0的定态需要吸收的能量叫氢原子在n定态的电离能，此电离能E′＝E－En＝|En|，即基态氢原子的电离能为|E1|＝13.6 eV，n定态的氢原子吸收了等于电离能的能量|En|，刚好可以电离(n＝∞的定态，电子实际上已成为自由电子)，但电离后的电子动能为零，n定态的氢原子如果吸收了E>|En|的能量，则电离后多余的能量转化为电子的动能．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
2.一个氢原子处于基态，用光子能量为15 eV的电磁波去照射该原子，问能否使氢原子电离？若能使之电离，则电子被电离后所具有的动能是多大？
解析：氢原子从基态n＝1处被完全电离至少吸收13.6 eV的能量，所以15 eV的光子能使之电离．由能量守恒可知，完全电离后还剩余动能Ek＝15 eV－13.6 eV＝1.4 eV.
答案：能电离　1.4 eV
原子的最低能量状态称为基态，对应电子在离核最近的轨道上运动；较高的能量状态称为激发态，对应电子在离核较远的轨道上运动．r越大，En越大．
特别提醒：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．电子与原子核间的电势能Ep
当电子的轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子的电势能增大，反之电势能减小．
可见电子在可能的轨道上绕核运动时，r增大，则Ek减少，Ep增大，E增大；反之，r减小，则Ek增大，Ep减少，E减少．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
3.(单选)根据玻尔理论，处于某激发态的氢原子辐射一个光子后(　　)
A．原子能量增加，电子的动能减少，电势能减少
B．原子能量增加，电子的动能增加，电势能增加
C．原子能量减少，电子的动能减少，电势能增加
D．原子能量减少，电子的动能增加，电势能减少
解析：选D.氢原子辐射光子，跃迁到低轨道，r变小，故正确答案为D.
四、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，则光子的能量必须等于两个能级的能量差，否则不被吸收．
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两能级的能量差值(E＝Em－En)，均可使原子发生能级跃迁．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
4.(单选)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
解析：选B.由玻尔理论可知，氢原子在各能级间跃迁时，只吸收能量值刚好等于某两个能级之差的光子．由氢原子能级图不难知道10.2 eV刚好等于n＝2和n＝1两能级之差，而11 eV则不是氢原子基态和任一定态能量之差，故处于基态的氢原子只吸收前者被激发，而不吸收后者．对于14 eV的光子其能量大于氢原子的电离能(即13.6 eV)，足以使处于基态的氢原子电离，使电子成为自由电子，因而不受玻尔跃迁条件的束缚．用电子去碰撞氢原子时，入射电子的动能可全部或部分地被氢原子吸收．所以如果入射电子的动能大于基态和某个激发态的能量之差，也可使氢原子激发．
课堂互动讲练
氢原子能级跃迁规律
一群氢原子处在n＝3的激发态，这些氢原子能发出几条谱线？计算这几条谱线中波长最长的一条谱线的波长．
例1
【自主解答】　由于氢原子是自发跃迁辐射，所以会得到3条谱线，如图3－4－3所示．
图3－4－3
【答案】　3条　6.58×10－7m
变式训练　(双选)氢原子能级图的一部分如图3－4－4所示，a、b、c分别表示氢原子在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出的光子的能量和波长分别是Ea、Eb、Ec和λa、λb、λc，则(　　)
图3－4－4
氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子．已知基态的氦离子能量为E1＝－54.4 eV，氦离子能级的示意图如图3－4－5所示，用一群处于第4能级的氦离子发出的光照射处于基态的氢气．求：
能级图的应用
例2
图3－4－5
(1)氦离子发出的光子中，有几种能使氢原子发生光电效应？
(2)发生光电效应时，光电子的最大初动能是多少？
由n＝4到n＝1　hν3＝E4－E1＝51.0 eV
由n＝3到n＝2　hν4＝E3－E2＝7.6 eV
由n＝3到n＝1　hν5＝E3－E1＝48.4 eV
由n＝2到n＝1　hν6＝E2－E1＝40.8 eV
由发生光电效应的条件知，hν3、hν5、hν6三种光子可使处于基态的氢原子发生光电效应．
(2)由光电效应方程Ek＝hν－W0知，能量为51.0 eV的光子使氢原子逸出的光电子最大初动能最大，将W0＝13.6 eV代入，得Ek＝37.4 eV.
【答案】　(1)三种　(2)37.4 eV
【方法总结】　(1)材料的逸出功等于基态能量的绝对值．
(2)若入射光子能量hν<|En|，原子由一种定态跃迁到另一定态；若hν>|En|，则电子被打出，发生光电效应，原子被电离．
已知氢原子的基态能量为－13.6 eV，核外电子的第一轨道半径为0.53×10－10 m，电子质量me＝9.1×10－31 kg，电荷量为1.6×10－19 C，求电子跃迁到第三轨道时，氢原子的能量、电子的动能和电子的电势能各多大？
玻尔原子结构假说与力学综合
例3
【答案】　－1.51 eV　1.51 eV　－3.02 eV
【方法总结】　由于核外电子绕核做圆周运动，因而向心力公式、圆周运动知识、能量守恒定律等常常交织在一起出题，要注意力电知识的综合应用，而能级和圆周运动的轨道一一对应，所以也要画好运动过程图和能级图．
知能优化训练
本部分内容讲解结束
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