2019-2020学年高中物理第18章原子结构第4节玻尔的原子模型课件 人教版选修3-5

2019-2020学年高中物理第18章原子结构第4节玻尔的原子模型课件 人教版选修3-5

第 4 节　玻尔的原子模型 [ 学习目标 ] 1. 知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容．　 2. 了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念，会计算原子跃迁时吸收或辐射光子的能量．　 3. 能用玻尔原子理论简单解释氢原子光谱．　 1 ． 轨道量子化 (1) 原子中的电子在 ________ 引力的作用下，绕 __________ 做圆周运动． (2) 电子绕核运动的轨道是 __________ 的． (3) 电子在这些轨道上绕核的转动是 ________ 的，不产生 ____________ ． 要点一　玻尔原子理论的基本假设 库仑　 课前教材预案 原子核　 量子化　 稳定　 电磁辐射　 2 ． 定态 (1) 能量量子化：电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有 __________ 能量． (2) 能级：原子的量子化的 __________ ． (3) 定态：原子中具有 ____________ 的稳定状态． (4) 基态：能量 ________ 的状态． (5) 激发态 ：除 ________ 之外的其他状态． 不同的　 能量值　 确定能量　 最低　 基态　 3 ． 跃迁 当电子从能量较 ______ 的定态轨道 ( 其能量记为 E m ) 跃迁到能量较 ______ 的定态轨道 ( 能量记为 E n ， m > n ) 时，会放出能量为 __ __ __ 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 __ __ __ ＝ E m － E n ，此式称为 ________ 条件，又称为 ________ 条件． 高　 低　 hν 　 hν 　 频率　 辐射　 1 ． 解释巴耳末公式 按照玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量为 hν ＝ E m － E n ；巴耳末公式中的正整数 n 和 2 ，正好代表电子跃迁之前和之后的 ___________ 的量子数 n 和 2. 并且理论上的计算和实验测量的 _____________ R 的值符合得很好，同样，玻尔理论也很好地解释甚至预言了氢原子的其他谱线系． 定态轨道　 要点二　玻尔理论对氢原子光谱的解释 里德伯常量　 2 ． 解释气体导电发光 通常情况下，原子处于基态，基态是最稳定的，原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到 __________ ，处于激发态的原子是 __________ 的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出 ________ ，最终回到基态． 激发态　 不稳定　 光子　 3 ． 解释氢原子光谱的不连续性 原子从高能态向低能态跃迁时放出光子的能量等于前后 ________________ ，由于原子的能级是 ________ 的，所以放出的光子的能量也是 ________ 的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线． 两个能级之差　 分立　 分立　 1 ． 玻尔理论的成功之处 (1) 玻尔理论第一次将 ____________ 引入原子领域． (2) 提出了 ________ 和 ________ 的概念，成功解释了 __________ 光谱的实验规律． 2 ． 玻尔理论的局限性 过多地保留了经典理论，即保留经典粒子的观念，把电子的运动看做经典力学描述下的轨道运动． 量子观念　 要点三　玻尔理论的局限性 定态　 跃迁　 氢原子　 3 ． 电子云 原子中的电子没有确定的 ________ 值，我们只能描述电子在某个位置出现 ________ 的大小，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图象就像云雾一样分布在原子核周围，故称 __________ ． 坐标　 概率　 电子云　 问题与思考 1 ．判断下列说法的正误 (1) 玻尔的原子模型彻底否定了卢瑟福的核式结构模型 ( 　　 ) (2) 玻尔的原子模型完全抛弃了经典的电磁理论 ( 　　 ) (3) 玻尔的原子模型引入了普朗克的量子理论 ( 　　 ) 答案　 (1) 玻尔的原子模型在核式结构模型的前提下提出了轨道量子化、能量量子化及能级跃迁的理论， (1) 错误． (2) 玻尔的原子模型在经典的电磁理论基础上，提出了量子化的理论， (2) 错误． (3) 玻尔的原子模型成功之处在于引入了普朗克的量子理论， (3) 正确． 2 ．氢原子从高能级向低能级跃迁时，是不是氢原子所处的能级越高，释放的光子能量越大？ 答案　 氢原子从高能级向低能级跃迁时，并不是氢原子所处的能级越高，释放的光子能量越大，而是由两定态的能级差决定． 3 ．不同元素的原子为什么具有不同的特征谱线？ 答案　 不同的原子具有不同的结构和能级，辐射光子的频率不同，特征谱线不同． 课堂深度拓展 考点一　玻尔原子模型的基本内容 1 ． 轨道量子化 轨道半径只能够是一些不连续的、某些分立的数值． 模型中保留了卢瑟福的核式结构，但他认为核外电子的轨道是不连续的，它们只能在某些可能的、分立的轨道上运动，而不是像行星或卫星那样，半径大小可以是任意的量值．例如，氢原子的电子最小轨道半径为 r 1 ＝ 0.053 nm ，其余可能的轨道半径还有 0.212 nm 、 0.477 nm ， … ，不可能出现介于这些轨道之间的其他值． 2 ． 能量量子化 与轨道量子化对应的能量不连续的现象． 电子在可能轨道上运动时，尽管是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称之为定态． 由于原子的可能状态 ( 定态 ) 是不连续的，具有的能量也是不连续的，这样的能量值，称为能级，能量最低的状态称为基态，其他的状态叫做激发态．对氢原子，以无穷远处为势能零点时，基态能量 E 1 ＝－ 13.6 eV ． 可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式改变半径大小的，而是从一个轨道上 “ 跳跃 ” 到另一个轨道上．玻尔将这种现象叫做电子的跃迁． 【例题 1 】 ( 多选 ) 玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有 ( 　　 ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　 A ．原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做变速运动，但不向外辐射能量 B ．原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的 C ．电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射 ( 或吸收 ) 一定频率的光子 D ．电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率 答案　 ABC 　 解析　 A 、 B 、 C 三项都是玻尔提出来的假设，其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出，也就是 “ 量子化 ” 概念，原子的不同能量状态与电子绕核运动不同的圆轨道相对应，是经典理论与量子化概念的结合．电子跃迁辐射的能量为 hν ＝ E m － E n 与电子绕核做的圆周运动无关，选项 D 错误． 【变式 1 】 ( 多选 ) 按照玻尔原子理论，下列表述正确的是 ( 　　 ) A ．核外电子运动轨道半径可取任意值 B ．氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大 C ．电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即 hν ＝ | E m － E n | D ．氢原子从激发态向基态跃迁的过程，可能辐射能量，也可能吸收能量 答案　 BC 　 解析　 根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是确定的值，而不是任意值，选项 A 错误；氢原子中的电子离原子核越远，能级越高，能量越大，选项 B 正确；由跃迁规律可知，选项 C 正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，应辐射能量，选项 D 错误． 1 ．对于氢原子而言，核外的一个电子绕核运行时，若半径不同，则对应着的原子能量也不同；若使原子电离，则外界必须对原子做功，使电子摆脱原子核对它的束缚，所以原子电离后的能量比原子的其他状态的能量都高．我们把原子电离后的能量记为 0 ，即选取电子离核处于无穷远时氢原子的能量为 0 ，则其他状态下的能量值是负的． 考点二　对氢原子能级及能级图的理解 氢原子各能级的关系为 E n ＝ ( n ＝ 1,2,3 ， … ) ． 对于氢原子而言，基态能量为 E 1 ＝－ 13.6 eV ，其他各激发态的能量为 E 2 ＝－ 3.4 eV ， E 3 ＝－ 1.51 eV ， … ． 2 ． 氢原子的能级图如图所示 (1) 由能级图可知，由于电子的轨道半径不同，氢原子的能级不连续，这种现象叫做能量量子化． (2) 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) n ＝ 1 对应于基态， n →∞ 对应于原子的电离． 【变式 2 】 如图所示是某原子的能级图， a 、 b 、 c 为原子跃迁所发出的三种波长的光．在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是 ( 　　 ) 答案　 C 　 考点三　氢原子能级跃迁的可能情况 原子跃迁时需注意的几个问题 (1) 注意一群原子和一个原子 氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现． (2) 注意直接跃迁与间接跃迁 原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁．两种情况辐射 ( 或吸收 ) 光子的频率不同． 【例题 3 】　 有一群氢原子处于 n ＝ 4 的能级上，已知氢原子的基态能量 E 1 ＝－ 13.6 eV ，普朗克常量 h ＝ 6.63×10 － 34 J · s ，问： (1) 这群氢原子的光谱共有几条谱线？ (2) 这群氢原子发出的光子的最大频率是多少？ (3) 这群氢原子发出的光子的最长波长是多少？ 解析　 (1) 这群氢原子的能级如图所示，由图可以判断，这群氢原子可能发生的跃迁共有 6 种，所以它们的谱线共有 6 条． 答案　 (1)6 条　 (2)3.1×10 15 Hz 　 (3)1.884×10 － 6 m 【变式 3 】 氢原子部分能级示意图如图所示．不同色光的光子能量如表所示． 色光 红 橙 黄 绿 蓝 — 靛 紫 光子能量范围 /eV 1.61 ～ 2.00 2.00 ～ 2.07 2.07 ～ 2.14 2.14 ～ 2.53 2.53 ～ 2.76 2.76 ～ 3.10 处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内仅有 2 条，其颜色分别为 ( 　　 ) A ．红、蓝 — 靛 B ．黄、绿 C ．红、紫 D ．蓝 — 靛、紫 答案　 A 　 解析　 如果激发态的氢原子处于第二能级，能够发出 10.2 eV 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 12.09 eV 、 10.2 eV 、 1.89 eV 的三种光子，只有 1.89 eV 属于可见光；如果激发态的氢原子处于第四能级，能够发出 12.75 eV 、 12.09 eV 、 10.2 eV 、 2.55 eV 、 1.89 eV 、 0.66 eV 的六种光子， 1.89 eV 和 2.55 eV 属于可见光， 1.89 eV 的光子为红光， 2.55 eV 的光子为蓝 — 靛光，选项 A 正确． 考点四　氢原子跃迁规律的应用 激发原子的两种粒子 —— 光子与实物粒子 (1) 原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到 n 能级时能量有余，而激发到 n ＋ 1 时能量不足，则可激发到 n 能级的问题． (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 ＝ E m － E n ) ，就可使原子发生能级跃迁． 若光子的能量高于电离能，则电子仍可一次性吸收全部光子的能量，产生电离作用，多余部分以电子电离后的动能形式体现． 【例题 4 】　 ( 多选 ) 欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是 ( 　　 ) A ．用 10.2 eV 的光子照射 B ．用 12 eV 的光子照射 C ．用 14 eV 的光子照射 D ．用动能为 12 eV 的电子碰撞 答案　 ACD 　 解析　 由原子的跃迁条件知，氢原子在各能级间跃迁时，只有吸收的能量值刚好等于某两能级间的能量差的光子 ( hν ＝ E 初 － E 末 ) 才会发生跃迁，由氢原子能级关系不难算出 10.2 eV 刚好为氢原子 n ＝ 1 和 n ＝ 2 两能级间的能量差，而 12 eV 则不是氢原子基态和任一激发态的能量差，对于 14 eV 的光子，其能量大于氢原子的电离能 (13.6 eV) ，足以使氢原子电离 —— 使电子脱离核的束缚而成为自由电子， 因而不受氢原子能级间跃迁条件的限制；由能量守恒定律不难知道，处于基态的氢原子吸收 14 eV 的光子电离后，产生的自由电子还应具有 0.4 eV 的动能；另外，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，所以只要入射电子的动能大于或等于基态和某个激发态的能量差，也可使氢原子激发；由以上分析知，选项 A 、 C 、 D 正确． 【变式 4 】　 若要使处于基态的氢原子电离，可以采用两种方法，一是用能量为 13.6 eV 的电子撞击氢原子，二是用能量为 13.6 eV 的光子照射氢原子，则 ( 　　 ) A ．两种方法都可能使氢原子电离 B ．两种方法都不可能使氢原子电离 C ．前者可使氢原子电离 D ．后者可使氢原子电离 答案　 D 　 解析　 电子是有质量的，撞击氢原子时发生弹性碰撞，由于电子和氢原子质量不同，故电子不能把 13.6 eV 的能量完全传递给氢原子，因此不能使氢原子电离，而光子的能量可以完全被氢原子吸收，选项 D 正确． 1 ．一个氢原子从 n ＝ 3 能级跃迁到 n ＝ 2 能级．该氢原子 ( 　　 ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　 A ．放出光子，能量增加 B ．放出光子，能量减少 C ．吸收光子，能量增加 D ．吸收光子，能量减少 课末随堂演练 答案　 B 　 解析　 根据玻尔理论，氢原子能级越高对应的能量越大，当氢原子从较高能级向较低能级跃迁时放出光子． 2 ． ( 多选 ) 原子的能量量子化现象是指 ( 　　 ) A ．原子的能量是不可以改变的 B ．原子的能量与电子的轨道无关 C ．原子的能量状态是不连续的 D ．原子具有分立的能级 答案　 CD 　 解析　 根据玻尔理论，原子处于一系列不连续的能量状态中，这些能量值称为能级，原子不同的能量状态对应不同的轨道，选项 C 、 D 正确． 3 ．原子从一个较高能级跃迁到一个较低的能级时，有时可能不发射光子，假如在某种条件下，铬原子在 n ＝ 2 能级上的电子跃迁到 n ＝ 1 能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给 n ＝ 4 能级上的电子，使之脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子． 答案　 C 　 4 ．如图所示为氢原子的能级图，用光子能量为 13.06 eV 的光照射一群处于基态的氢原子，则可能观测到氢原子发射的不同波长的光有 ( 　　 ) A ． 15 种 B ． 10 种 C ． 4 种 D ． 1 种 答案　 B 　 5 ．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 ( 普朗克常量 h ＝ 6.63×10 － 34 J · s ，真空中光速 c ＝ 3×10 8 m/s) ： (1) 有可能放出 __________ 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？ 答案　 (1)6 　 (2) 由第四能级向第三能级跃迁　 1.88×10 － 6 m