四、原子的能級結(jié)構(gòu)

1、附錄:清新縣第一中學(xué)集體備課教案專用紙（物理學(xué)科選修3-5第3單元（章節(jié)）第四節(jié) ）上課時間：09年4月10日第9周星期 五第節(jié) 教案主備 人尹偉洪課題原子的能級結(jié)構(gòu)教學(xué)目標(biāo)知識與技能：（1）了解玻爾原子理論的主要內(nèi)容；（2）了解能級、能量量子化以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念。過程與方法：通過玻爾理論的學(xué)習(xí)，進一步了解氫光譜的產(chǎn)生。情感態(tài)度與價值觀：培養(yǎng)我們對科學(xué)的探究精神，養(yǎng)成獨立自主、 勇于創(chuàng)新的精神。教材分析重點：玻爾原子理論的基本假設(shè)。難點：玻爾理論對氫光譜的解釋。教學(xué)分析教法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。學(xué)法：實驗、歸納，培養(yǎng)熱愛物理的興趣。教學(xué)手段實驗、分析、歸納課時安排1課時教學(xué)過程

2、（-）引入新課提問：（1）a粒子散射實驗的現(xiàn)象是什么？（2）原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的內(nèi)容是什么？（3）盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說與經(jīng)典電磁理論的矛盾？電子繞核運動（有加速度）輻射電破波 頻率等于繞核運行的頻率能雖減少、軌道半徑減少 頻率變化, 電子沿螺旋線軌道落入原子核原子光常應(yīng)為連續(xù)光譜I（矛盾：實際上是不連續(xù)的亮線）原子是不穩(wěn)定的（矛盾：實際上原子是穩(wěn)定的）為了解決上述矛盾，丹麥物理學(xué)家玻爾，在1913年提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說。（二）進行新課1、玻爾的原子理論（1）能級（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，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫定

3、態(tài)。（本 假設(shè)是針對原子穩(wěn)定性提出的）（2）躍遷假設(shè)：原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為En）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為 Em）時，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hv = Em -En（h為普朗克恒量）（本假設(shè)針對線狀譜提出）（3）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動相對 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。（針對原 子核式模型提出，是能級假設(shè)的補充）2、玻爾根據(jù)經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)計算出氫原子的電子的各條可能軌道半徑和電 子在各條軌道上運動時的能量（包括動能和勢能）公式：軌道半徑：2n 12, 3*能量

4、：nl9 2, 3*式中rl、El、分別代表第一條（即離核最近的）可能軌道的半徑和電子在這條軌道 上運動時的能量，rn、En分別代表第n條可能軌道的半徑和電子在第n條軌道上運 動時的能量，n是正整數(shù)，叫量子數(shù)。3、氫原子的能級圖從玻爾的基本假設(shè)出發(fā)，運用經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的理論，可以計算氫原子中電 子的可能軌道半徑和相應(yīng)的能量。（1）氫原子的大?。簹湓拥碾娮拥母鳁l可能軌道的半徑rn ： rn二n2rl,門代表第一條（離核最近的一條）可能軌道的半徑rl二0.53X10-10 m例如：n二2,r2=2. 12X10-10 m（2）氫原子的能級：原子在各個定態(tài)時的能量值En稱為原子的能級。它對應(yīng)

5、電子在各條可能軌道上運動 時的能量En （包括動能和勢能）En二El/n2 n二1, 2, 3,El代表電子在第一條可能軌道上運動時的能量，E1二-13. 6eV注意：計算能量時取離核無限遠處的電勢能為零，電子帶負電，在正電荷的場中為 負值，電子的動能為電勢能絕對值的一半，總能量為負值。例如：n二2, E2=-3. 4eV, n=3, E3二-1. 51eV, n二4, E4二-0. 85eV,氫原子的能級圖如圖所示:n-0.54-0851.5100 . 一 .-3 4-13 61亠工亠4、玻爾理論對氫光譜的解釋（1）基態(tài)和激發(fā)態(tài)基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上

6、運動，這 種定態(tài)，叫基態(tài)。激發(fā)態(tài)：原子處于較高能級時，電子在離核較遠的軌道上運動，這種定態(tài)，叫激發(fā) 態(tài)。（2）原子發(fā)光：原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過程是吸收能量的過程。原子從較高的 激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個能量以光子的 形式輻射出去，吸收或輻射的能量恰等于發(fā)生躍遷的兩能級之差。說明：氫原子中只有一個核外電子，這個電子在某個時刻只能在某個可能軌道上， 或者說在某個時間內(nèi)，曲某軌道躍遷到另一軌道一一可能情況只有一種?？墒?，通 常容器盛有的氫氣，總是千千萬萬個原子在一起，這些原子核外電子躍遷時，就會 有各種情況出現(xiàn)了。但是這些躍遷不外乎是能級圖中表示出來的那些情況。

7、（1）夫蘭克一赫茲實驗的歷史背景及意義1911年，盧瑟福根據(jù)a粒子散射實驗，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾 將普朗克量子假說運用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個重要 概念：原子定態(tài)能級和能級躍遷概念。電子在能級之間躍遷時伴隨電磁波的吸收和 發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差。隨著英國物理學(xué) 家埃萬斯對光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至 少兩種獨立的實驗方法的驗證。隨后，在1914年，德國科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫 茲采用電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法（與光譜研究相獨立），簡單而巧妙地直 接證實了原子能級的存在，從而為玻爾

8、原子理論提供了有力的證據(jù)。1925年，由于他二人的卓越貢獻，他們獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎（1926年于德 國洛丁根補發(fā)）。夫蘭克-赫茲實驗至今仍是探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段之一。所 以，在近代物理實驗中，仍把它作為傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗。（2）夫蘭克一赫茲實驗的理論基礎(chǔ)根據(jù)玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一種狀 態(tài)相應(yīng)于一定的能量值En （n二1, 2, 3），這些能量值稱為能級。最低能級所對 應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級所對應(yīng)的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)原子從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時就會吸收或輻射一定頻率的電磁 波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差。（h為普

9、朗克恒量）本實驗中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實現(xiàn)，并滿足能量選擇定則：eV = Em-En（V為激發(fā)電位）夫蘭克-赫茲實驗玻璃容器充以需測量的氣體，本實驗用的是汞。電子山陰級K發(fā) 出，K與柵極G之間有加速電場，G與接收極A之間有減速電場。當(dāng)電子在KG空間 經(jīng)過加速、碰撞后，進入KG空間時，能量足以沖過減速電場，就成為電流計的電 流。由于斥來實蛋褻事的鐵陪 W生高能菱的電子.交蘭克對養(yǎng)整迅行了改遺把加逢后琨4*分在瀚個區(qū)圾進行.如下FB所示:1.在陰極前加一極板，以達列旁熱式騒熱，使乜子均為發(fā)射，乜于的危童可以測的更冷;2.陰級【科蚯加一個櫥機6，并儻GG區(qū)域為等毋區(qū).在這個區(qū)域內(nèi)

10、管內(nèi)弋體更舸棵薄.熨電千dg區(qū)圾只加連，不型撓；電f-K*生堆攤.（3）實驗原理改進的夫蘭克-赫茲管的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。電子山陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵 極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電圧VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2Ao設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E0,第一激發(fā)態(tài)的能量為E1,初速為零的電子在電位差為V 的加速電場作用下，獲得能量為eV,具有這種能量的電子與汞原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電 子能量eV<El-EO時，電子能量兒乎不損失。如果eV鼻E1-E0二AE,則汞原子從電子 中取得能量AE,而山基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，AE=eVC。相應(yīng)的電位

11、差VC即為汞 原子的第一激發(fā)電位。在實驗中，逐漸增加VG2K,山電流計讀出板極電流IA,得到如下圖所示的變化曲 線：（4）實驗結(jié)論夫蘭克一赫茲實驗證明了原子被激發(fā)到不同的狀態(tài)時，吸收的能量是不連續(xù)的，進 而說明原子能量是量子化的。6、玻爾理論的局限性玻爾理論雖然把量子理論引入原子領(lǐng)域，提出定態(tài)和躍遷概念，成功解釋了氫原子 光譜，但對多電子原子光譜無法解釋，因為玻爾理論仍然以經(jīng)典理論為基礎(chǔ)。如粒 子的觀念和軌道。量子化條件的引進沒有適當(dāng)?shù)睦碚摻忉尅?、電子在某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率一一電子云課堂練習(xí)（1）對玻爾理論的下列說法中，正確的是（A C D ）A. 繼承了盧瑟福的原子模型，但對原子能量和

12、電子軌道引入了量子化假設(shè)B. 對經(jīng)典電磁理論中關(guān)于“做加速運動的電荷要輻射電磁波”的觀點表示贊同C. 用能量轉(zhuǎn)化與守恒建立了原子發(fā)光頻率與原子能量變化之間的定量關(guān)系D. 玻爾的兩個公式是在他的理論基礎(chǔ)上利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)計算出來的（2）下面關(guān)于玻爾理論的解釋中，不正確的說法是（C ）A. 原子只能處于一系列不連續(xù)的狀態(tài)中，每個狀態(tài)都對應(yīng)一定的能量B. 原子中，雖然核外電子不斷做加速運動，但只要能量狀態(tài)不改變，就不會向外輻 射能量C. 原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，一定要輻射一定頻率的光子D. 原子的每一個能量狀態(tài)都對應(yīng)一個電子軌道，并且這些軌道是不連續(xù)的（3）根據(jù)玻爾理論，氫原子中

13、，量子數(shù)N越大，則下列說法中正確的是（A CD ）A. 電子軌道半徑越大B.核外電子的速率越大C.氫原子能級的能量越大D.核外電子的電勢能越大（4）根據(jù)玻爾的原子理論，原子中電子繞核運動的半徑（D ）A. 可以取任意值B.可以在某一范圍內(nèi)取任意值C.可以取一系列不連續(xù)的任意值D.是一系列不連續(xù)的特定值（5）按照玻爾理論，一個氫原子中的電子從一半徑為"的圓軌道自發(fā)地直接躍遷 到一半徑為rb的圓軌道上，已知ra>rb,則在此過程中（C ）A.原子要發(fā)出一系列頻率的光子B.原子要吸收一系列頻率的光子C.原子要發(fā)出某一頻率的光子D.原子要吸收某一頻率的光子課后練習(xí)1、根據(jù)玻爾的理論，電

14、子在不同軌道上運動時能量是的，軌道的量子化勢必對應(yīng)著的量子化。這些具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)稱為,能量最低的狀態(tài)叫，也就是說，原子只能處于一系 列的能量狀態(tài)中。2、玻爾對氫原子光譜的解釋是：原子從較高的能級向較低的能級躍遷時光子的能量等于前后，由于原子的能級是的，所以放出的光子能量也是的，因此原子的發(fā)射光譜 只有一些的亮線。3、玻爾理論成功地解釋了氫原子發(fā)光，他的成功之處在于引入了觀念，而對復(fù)雜的原子發(fā)光，玻爾理論卻無法解釋，它的不足之處在于過多地保留7°4、氫原子第二能級的能量為（）A. -13. 6eV B. -10. 2eV C. -7. 8eV D. -3. 4eV5、欲使處于基

15、態(tài)的氫原子激發(fā)，下列措施可行的是（）A.用10. 2eV的光子照射B.用lleV的光子照射C.用14eV的光子照射D.用13eV的電子碰撞6、處于第四能級的氫原子躍遷基態(tài)的過程中，可能發(fā)出的不同光的種數(shù)有（）A. 種B.三種C.四種D.六種7、處于基態(tài)的氫原子在某單色光照射下，只能發(fā)出頻率分別為vl、v2、v3的三種光，且vl< v2< V3,則該照射光的光子能量為（）A. h v 1 B. h v 2 C. h v 3 D. h（ v 1+ v 2+ v 3）8、氫原子的能級是氫原子處于各個定態(tài)時的能量值，它包括氫原子系統(tǒng)的電勢能和電子在軌道上運動時的動能，氫原子的電子山外層軌道

16、躍遷到內(nèi)層軌道時（）A.電子的動能增加，氫原子系統(tǒng)的電勢能增加B.電子的動能增加，氫原子系統(tǒng)的 電勢能減少C.電子的動能減少，氫原子系統(tǒng)的電勢能增加D.電子的動能減少，氫原子系統(tǒng)的 電勢能減少9、原子的能量量子化是指（）A.原子的能量是不可以改變的B.原子的能量與電子的軌道無關(guān)C.原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的D.原子具有分立的能級10、光的發(fā)射和吸收過程是（）A. 原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)要放出光子，放出的光子的能量等于原子在初、末兩個 能級的能量差B. 原子不可能從低能級躍遷到高能級C. 原子吸收光子后從低能級向高能級躍遷，放出光子后從高能級向低能級躍遷D. 只要原子吸收了光子就一定能從低能級躍遷

17、到高能級11、氫原子從能量為E1的較高能級躍遷到能量為E2的較低能級，真空中光速為0,則（）A. 吸收的光子的波長為c（Q-陽hB. 吸收的光子的波長為c（E_EJhC. 輻射的光子的波長為hc（E -E2）D. 輻射的光子的波長為'2he12、如圖所示為氫原子的四個能級，其中E1為基態(tài)，若氫原子A處于激發(fā)態(tài)E2, 氫原子B處于激發(fā)態(tài)E3,則下列說法正確的是()A.原子A可能輻射出3種頻率的光子B.原子B可能輻射出3種頻率的光子C.原子A通夠吸收原子B輻射出的光子并躍遷到能級E4 D.原子B能夠吸收原子A 輻射出的光子并躍遷到能級E413、氫原子中核外電子從第二能級躍遷到基態(tài)時，輻射出

18、的光照射在某金屬表面上 能產(chǎn)生光電效應(yīng)。那么處于第三能級的氫原子向低能級躍遷時，輻射出的各種頻率 的光可能使此金屬發(fā)生光電效應(yīng)的至少有()A. 1種B. 2種C. 3種D. 4種14、已知氫原子的電子軌道半徑rl = 5.3X10-9m,基態(tài)能量El = 13.6eV,量子數(shù) n的能級值En =1VEl,靜電力常量為9X109N m2/C2,電子電量為1.6X10-19C,普朗克常量為6. 63X 10-34J s,真空中光速為 3X108m./s,(1) 求電子在基態(tài)軌道上運動時的動能；(2) 有一群氫原子處于量子數(shù)為的激發(fā)態(tài)，畫一張能級圖，在圖上用箭頭標(biāo)明這些 氫原子最多能發(fā)出哪兒種光譜線；(3) 計算(2)中各光譜線中的最短波長。I、不連續(xù)，能量，定態(tài)，基態(tài)，不連續(xù)2、輻射，兩個能級的能量差，不連續(xù)，不 連續(xù)，分立3、量子，經(jīng)典粒子的概念4、D 5、ACD 6、D 7、C 8、B 9、CD 10、CII、D 12、B 13、B 14、(1) 13. 6eV (2) 3 種(3-2, 31, 2-1)(3) 100nm個性 化設(shè) 汁內(nèi) 容板書設(shè)計1