原子結構與氫原子光譜專題復習教學課件人教課標版

1、第2課時 原子結構 氫原子光譜考點自清一、電子的發(fā)現(xiàn)1.陰極射線的發(fā)現(xiàn) 19世紀,科學家研究稀薄氣體放電,發(fā)現(xiàn)陰極發(fā) 出一種射線 .2.電子的發(fā)現(xiàn) 湯姆孫確定陰極射線是由帶負電的粒子組成,并 測定出它的比荷 ,之后用油滴實驗測定了它 的電荷量,確定它是組成各種物質的基本成分, 稱之為 .3.電子的發(fā)現(xiàn)說明原子也是可再分的.陰極射線電子第1頁，共39頁。二、原子結構1.實驗基礎:粒子散射實驗用粒子轟擊金 箔,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)粒子直進,少數(shù)發(fā)生偏轉,極少 數(shù)發(fā)生大角度偏轉,個別的發(fā)生反彈.2.原子結構:在原子中心有一個很小的核(原子核), 原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原 子核里,帶負電的電子在

2、核外繞核旋轉.3.原子核的大小:直徑數(shù)量級在10-14 m10-15 m以 下,原子大小數(shù)量級為10-10 m.4.核外電子的運動:由原子核對核外電子的 作為核外電子繞核旋轉的向心力.庫侖力第2頁，共39頁。三、玻爾理論1.玻爾理論 (1)軌道量子化:電子繞核運動的軌道 的. (2)能量狀態(tài)量子化:原子只能處于一系列不連 續(xù)的能量狀態(tài)中.能量最低的狀態(tài)叫 , 其他狀態(tài)叫 . (3)躍遷假說:原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定 態(tài)要輻射(或吸收)一定頻率的光子,即h= (mn).不連續(xù)基態(tài)激發(fā)態(tài)Em-En第3頁，共39頁。2.氫原子的能級和軌道半徑 (1)氫原子的能級公式:En= E1(n=1,2,3

3、,), 其中E1為基態(tài)能量E1=-13.6 eV. (2)氫原子的半徑公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其 中r1為基態(tài)半徑,又稱玻爾半徑r1=0.5310-10 m.3.氫原子的能級圖,如圖1所示.圖1第4頁，共39頁。4.弗蘭克赫茲實驗 (1)如果原子的能級是分立的,那么用碰撞的方 式使原子吸收的能量,即其他粒子轉移給原子的 能量,也應該是 的. (2)1914年,弗蘭克和赫茲采用電子轟擊汞原子, 發(fā)現(xiàn)電子損失的能量,也就是汞原子吸收的能量, 是分立的,從而證明汞原子的能量是量子化的.5.玻爾理論的成功、局限和電子云 玻爾的成功之處在于引入了 觀念,局限之 處在于保留了過多的經(jīng)典理

4、論. 電子云:電子云是描述電子在原子核外各區(qū)域出 現(xiàn)的幾率的狀況,為直觀起見,把電子的這種幾 率分布狀況用圖象表示時,這種圖象所顯示的結 果有如電子在原子核周圍形成的云霧,故稱電子云.量子化量子第5頁，共39頁。熱點聚焦熱點一 三個原子模型的對比實驗基礎結構差異成功和局限“棗糕”模型電子的發(fā)現(xiàn)帶正電物質均勻分布在原子內(nèi),電子鑲嵌其中解釋了一些實驗事實,無法說明粒子散射實驗核式結構模型粒子散射實驗全部正電荷和幾乎全部質量集中在核里,電子繞核旋轉成功解釋了粒子散射實驗,無法解釋原子的穩(wěn)定性與原子光譜的分立特征玻爾的原子模型氫原子光譜的研究在核式結構模型基礎上,引入量子化觀點成功解釋了氫原子光譜,無

5、法解釋較復雜的原子光譜第6頁，共39頁。 特別提示 認識原子結構的線索:氣體放電的研究 陰極 射線 發(fā)現(xiàn)電子 湯姆孫的“棗糕”模型 盧瑟福核式結構模型 玻爾模型.氫原子光譜的研究粒子散射實驗第7頁，共39頁。熱點二 對原子躍遷條件的理解1.原子從低能級向高能級躍遷:吸收一定能量的光 子,當一個光子的能量滿足h=E末-E初時,才能 被某一個原子吸收,使原子從低能級E初向高能級 E末躍遷,而當光子能量h大于或小于E末-E初時 都不能被原子吸收.2.原子從高能級向低能級躍遷,以光子的形式向外 輻射能量,所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時 的兩能級間的能量差.第8頁，共39頁。3.原子吸收能量的原則是吸

6、收的能量恰好等于某 兩個能級之差,或者是吸收能量大于或等于其電 離能,使電子成為自由電子;所以當原子吸收光 子時,由于光子不可分,故其必須選擇能量滿足 上述原則的光子;當原子吸收實物粒子(如電子) 的能量時,原子可以根據(jù)“需要”吸收其中的一 部分能量,也即吸收實物粒子的能量沒有條件 限制.第9頁，共39頁。特別提示 1.原子躍遷條件h=Em-En只適用于光子和原 子作用而使原子在各定態(tài)之間躍遷的情況.對于 光子和原子作用而使原子電離時,只要入射光的 能量E13.6 eV,原子就能吸收.對于實物粒子 與原子作用使原子激發(fā)時,粒子能量大于或等于 能級差即可. 2.原子躍遷發(fā)出的光譜線條數(shù)N=C2n

7、= , 是一群氫原子,而不是一個,因為某一個氫原子 有固定的躍遷路徑.第10頁，共39頁。熱點三 氫原子中電子運動的有關計算 氫原子在各個不同的能量狀態(tài)對應不同的電子 軌道,電子繞核做圓周運動的動能和系統(tǒng)的電勢 能之和即為原子的能量,即En=Ek+Ep. (1)電子運動的速度、周期、動能與半徑的關系 由庫侖力提供向心力k 電子速度vn=第11頁，共39頁。 電子運動周期Tn= 電子的動能Ekn= (2)系統(tǒng)的電勢能變化可根據(jù)庫侖力做功來判斷: 靠近核,庫侖力對電子做正功,系統(tǒng)電勢能減小; 遠離核,庫侖力對電子做負功,系統(tǒng)電勢能增加.第12頁，共39頁。題型探究題型1 粒子散射實驗的理解【例1】

8、(1)關于原子結構理論與粒子散射實驗 的關系,下列說法正確的是 ( ) A.盧瑟福做粒子散射實驗是為了驗證湯姆孫 的棗糕模型是錯誤的 B.盧瑟福認識到湯姆孫“棗糕模型”的錯誤后 提出了“核式結構”理論 C.盧瑟福的粒子散射實驗是為了驗證核式結 構理論的正確性 D.盧瑟福依據(jù)粒子散射實驗的現(xiàn)象提出了原 子的“核式結構”理論第13頁，共39頁。 (2)在粒子散射實驗中,粒子的偏轉是由于 受到原子內(nèi)正電荷的庫侖力而發(fā)生的.實驗中即 使1 mm厚的金箔也大約有3 300層原子,但絕大 多數(shù)的粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進, 只有少數(shù)發(fā)生了大角度偏轉,這說明了什么? 思路點撥 求解此題應注意以下兩點:

9、 (1)應依據(jù)人們探測原子的結構的歷史進程進行 分析判斷. (2)根據(jù)粒子偏轉的原因進行分析.第14頁，共39頁。 解析 (1)由于盧瑟福設計的粒子散射實驗是 為了探究原子內(nèi)電荷的分布,并非為了驗證湯姆 孫模型是錯誤的,A錯誤;盧瑟福并不是認識到 “棗糕模型”的錯誤而提出“核式結構”理論 的,B錯誤;盧瑟福做了粒子散射實驗后,由實 驗現(xiàn)象提出了“核式結構”理論,C錯誤,D正確. (2)粒子穿過金箔后絕大多數(shù)仍沿原來的方向 前進,說明它們距正電荷部分較遠,庫侖力很小; 盡管經(jīng)過若干層原子,但靠近正電荷部分的機會 很小,這說明原子內(nèi)帶正電荷部分在整個原子中 占的空間非常小. 答案 (1)D (2)

10、說明原子內(nèi)帶正電荷部分在 整個原子中占的空間非常小.第15頁，共39頁。 方法歸納 微觀世界是看不見的,但我們可以根據(jù)它們產(chǎn)生 的各種效應來進行分析、推理和判斷,來達到認 識微觀世界的目的;對于實驗推理類問題,要求 記住:實驗的作者、時間和裝置;實驗事實 或現(xiàn)象;由實驗結果得出什么結論;實驗的 意義所在.第16頁，共39頁。變式練習1 在盧瑟福的粒子散射實驗中,有少數(shù) 粒子發(fā)生大角度偏轉,其原因是 ( ) A.原子的正電荷和絕大部分質量集中在一個很 小的核上 B.正電荷在原子內(nèi)是均勻分布的 C.原子中存在著帶負電的電子 D.原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中 解析 原子中有電子,但電子的質量

11、很小,不到 粒子的七千分之一,粒子碰到它,就像飛行 的子彈碰到一粒塵埃一樣,運動方向不會發(fā)生明 顯的改變;若原子中的正電荷是均勻分布的, 粒子穿過原子時,它受到原子內(nèi)部兩側正電荷的第17頁，共39頁。 斥力大部分互相抵消,使粒子偏轉的力不會很 大,不會產(chǎn)生大角度的偏轉現(xiàn)象,選項B、C錯誤. 原子核集中了原子全部正電荷和絕大部分質量, 當粒子十分接近原子核時,就會受到很大的庫 侖斥力,發(fā)生大角度偏轉,由于原子核很小,粒 子穿過金箔時接近原子核的機會很小,所以,只 有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉,選項A正確.原子 只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中,是原子光 譜不連續(xù)的原因,不是粒子大角度散射的原因, 選

12、項D錯誤.綜上可知,選項A正確. 答案 A第18頁，共39頁。題型2 氫原子能級躍遷問題【例2】如圖2所示為氫原子最低的四個能級,當氫 原子在這些能級間躍遷時: (1)有可能放出 種能量的光子. (2)在哪兩個能級間躍遷時,所放出光子波長最 長?波長是多少?圖2第19頁，共39頁。思維導圖第20頁，共39頁。 解析 (1)由N= =6種. (2)氫原子由第四能級向第三能級躍遷時,能級 差最小,輻射的光子波長最長. 由h=E4-E3,得h =E4-E3 所以= = =1.8810-6 m 答案 (1)6 (2)1.8810-6 m第21頁，共39頁。方法歸納 1.量子數(shù)為n的氫原子輻射光子的可能

13、頻率的判 定方法: 如果是一個氫原子,向低能級躍遷時最多發(fā)出的 光子數(shù)為(n-1). 如果是一群氫原子,向低能級躍遷時最多發(fā)出的 光子為C 種. 2.理解氫原子能級圖,量子數(shù)越大的能級間能級 差越小,發(fā)出光子波長越長.第22頁，共39頁。變式練習2 如圖3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？請在圖中 畫出獲得該能量后的氫原子可能的輻射躍遷圖.圖3第23頁，共39頁。 解析 氫原子從n2的某一能級躍遷到n=2的能 級,輻射光子的頻率滿足: h=En-E2=2.55 eV

14、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,應提供: E=E4-E1=12.75 eV 躍遷圖見下圖 答案 12.75 eV 見解析圖第24頁，共39頁。 氫原子在基態(tài)時軌道半徑r1=0.53 10-10 m,能量E1=-13.6 eV.求氫原子處于基態(tài)時: (1)電子的動能. (2)原子的電勢能. (3)用波長是多少的光照射可使其電離？ (4)電子在核外旋轉的等效電流.(已知電子質量 m=9.110-31 kg)第25頁，共39頁。 解析 (1)設處于基態(tài)的氫原子核外電子速度為 v1,則: k 所以電子動能Ek1= = (2)因為E1=Ek1+Ep1 所以E

15、p1=E1-Ek1=-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV (3)設用波長的光照射可使氫原子電離: =0-E1 第26頁，共39頁。 所以=- =0.914 110-7 m (4)等效的環(huán)形電流I= 由 =mr1( )2,可得T=2 所以I= 代入數(shù)據(jù)解得I=1.0510-3 A 答案 (1)13.6 eV (2)-27.2 eV (3)0.914 110-7 m (4)1.0510-3 A第27頁，共39頁。1.已知鈉原子在A、B、C、D、E幾個能級間躍遷 時輻射的波長分別為:589 nm(BA),330 nm (CA),285 nm(DA),514 nm(EB).試作出 鈉原子

16、在這幾個能量范圍的能級圖.作圖時注意, 表示能級的橫線間的距離和相應能級差成正比, 并在線旁以電子伏為單位標出這個能級的值(設 最高能級為零). 解析 根據(jù)E= 可以由輻射的波長得到幾個 能級差; EB-EA=2.1 eV;EC-EA=3.8 eV; ED-EA=4.4 eV;EE-EB=2.4 eV.素能提升第28頁，共39頁。 根據(jù)以上能級差所作能級圖如下圖所示. 答案 見解析圖第29頁，共39頁。2.原子結構的認識過程是非常曲折的,請回答下列 問題. (1)核式結構和玻爾模型提出的背景分別是 (2)在原子物理中,粒子間經(jīng)常發(fā)生碰撞,一速度 為v0的粒子,與靜止的氫核發(fā)生完全非彈性碰撞 后

17、,它們的共同速度為vH,如果這個粒子仍以速度 v0與靜止的碳核發(fā)生彈性碰撞,碰后碳核的速度 為vC,現(xiàn)在測得 ,已知碳核質量為mC與氫 核質量mH之比為12,求粒子質量與氫核質量之比.第30頁，共39頁。 解析 (2)粒子與氫核發(fā)生完全非彈性碰撞后, 由動量守恒有 mxv0=(mx+mH)vH vH= 粒子與碳核發(fā)生完全彈性碰撞后,由動量和能量 守恒有 mxv0=mxv+mCvC, 由以上兩式得vC=第31頁，共39頁。 由兩式和題設條件有 將mC=12mH代入式后得mxmH=11. 答案 (1)湯姆孫的“棗糕模型”無法解釋 粒子散射實驗.盧瑟福的核式結構無法解釋原 子的穩(wěn)定性和原子光譜的分立

18、特征. (2)11第32頁，共39頁。3.原子可以從原子間的碰撞中獲得能量,從而發(fā)生 能級躍遷(在碰撞中,動能損失最大的是完全非 彈性碰撞).一個具有13.6 eV動能、處于基態(tài)的 氫原子與另一個靜止的、也處于基態(tài)的氫原子 發(fā)生對心正碰. (1)是否可以使基態(tài)氫原子 發(fā)生能級躍遷(氫原子能級 如圖4所示)? (2)若上述碰撞中可以使基態(tài)氫原子發(fā)生電離, 則氫原子的初動能至少為多少?圖4第33頁，共39頁。 解析 (1)設運動氫原子的速度為v0,完全非彈 性碰撞后兩者的速度為v,損失的動能E被基態(tài) 氫原子吸收. 若E=10.2 eV,則基態(tài)氫原子可由n=1躍遷到 n=2. 由動量守恒和能量守恒:

19、 mv0=2mv 解得,E= mv02=6.8 eV第34頁，共39頁。 因為E=6.8 eV10.2 eV. 所以不能使基態(tài)氫原子發(fā)生躍遷. (2)若使基態(tài)氫原子電離,則E=13.6 eV,代入 得Ek=27.2 eV. 答案 (1)不能 (2)27.2 eV第35頁，共39頁。4.氫原子處于基態(tài)時,原子能級E1=-13.6 eV,普朗 克常量h=6.6310-34 Js,現(xiàn)用光子能量介于 11 eV12.5 eV范圍內(nèi)的光去照射一大群處于 基態(tài)的氫原子. (1)照射光中可能被基態(tài)氫原子吸收的光子有幾 種?激發(fā)后的氫原子發(fā)射的不同能量的光子最多 有幾種?能放出的光子的最大能量是多少? (2)

20、要使處于n=3的激發(fā)態(tài)的氫原子電離,入射光 子的最小頻率是多少? 解析 (1)由En= 可算出E2=-3.4 eV,E3= -1.51 eV,E4=-0.85 eV,分別計算出處于基態(tài)的第36頁，共39頁。 氫原子躍遷到第二、第三、第四激發(fā)態(tài)過程中吸 收的能量,分別是10.2 eV,12.09 eV,12.75 eV. 因此,用光子能量介于11 eV12.5 eV范圍內(nèi)的光 去照射一大群處于基態(tài)的氫原子時,照射光中可能 被基態(tài)氫原子吸收的光子只有1種,當處于第三激 發(fā)態(tài)氫原子向低能級躍遷時,對應有3種頻率的光 子;從n=3躍遷到n=1能級時,輻射的光子能量最大, E=E3-E1=12.09 e

21、V. (2)要使氫原子電離,即將電子移到離核無窮遠處, 此時E=0 則hE-E3=0-(-1.51)eV=1.51 Ev 最小頻率= =3.641014 Hz 答案 (1)1 3 12.09 eV (2)3.641014 Hz第37頁，共39頁。反思總結返回 第38頁，共39頁。1、聰明的人有長的耳朵和短的舌頭。 弗萊格 2、重復是學習之母。 狄慈根 3、當你還不能對自己說今天學到了什么東西時，你就不要去睡覺。 利希頓堡 4、人天天都學到一點東西，而往往所學到的是發(fā)現(xiàn)昨日學到的是錯的。 B.V 5、學到很多東西的訣竅，就是一下子不要學很多。 洛 克 6、學問是異常珍貴的東西，從任何源泉吸收都不可恥。 阿卜日法拉茲 7、學習是勞動，是充滿思想的勞動。 烏申斯基 8、聰明出于勤奮，天才在于積累 華羅庚