2019届北京专用高考物理一轮复习第十六章原子结构与原子核第1讲原子结构讲义.ppt

,知识梳理,深化拓展,栏目索引,第,1,讲原子结构,知识梳理,一、卢瑟福核式结构学说,1.粒子散射现象,绝大多数粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进,少数粒子发生了较,大角度的偏转,并且有,极少数,粒子偏转角超过了90,有的甚至,被“撞了回来”,偏转角几乎达到180,。,2.原子的核式结构,卢瑟福对粒子散射实验结果进行了分析,于1911年提出了原子的,核式结构,学说:,在原子的中心有一个,很小的核,叫做原子核,原子的,全部,正电荷和,几乎所有,的质量都集中在原子核里,带负电的电子在核,外空间绕核旋转。,1.玻尔假说的内容,(1)轨道量子化:原子核外电子的可能轨道是某些,分立,的数值。,(2)能量状态量子化:原子只能处于与轨道量子化对应的,不连续,的能量状态中,在这些状态中,原子是,稳定,的,不辐射能量。,(3)跃迁假说:原子从一个能级向另一个能级跃迁时,吸收(或辐射)一定,频率的光子,光子能量,E,=,h,=,E,m,-E,n,。,2.氢原子能级,(1)能级:原子在各个定态时的,能量值,称为原子的能级。,(2)氢原子的能级公式和轨道半径公式:,E,n,=,E,1,E,1,=-13.6 eV,r,n,=,n,2,r,1,r,1,=0.53,(3)基态:在正常状态下,原子处于,最低能级,这时电子在离核最近,的轨道上运动的定态称为基态。,(4)激发态:原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级,这时电子在离核,较远,的轨道上运动的定态称为激发态。,3.光子的发射与接收,原子从一种定态(能量为,E,初,)跃迁到另一种定态(能量为,E,终,)时,它辐射或,吸收一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的,能级差,决定,即,h,=|,E,初,-,E,终,|。,若,E,初,E,终,则,辐射,光子;若,E,初,n,)。,(2)电离与电离能,电离态:,n,=,E,=0。,电离能:使电子电离所需吸收的最小能量,如:,基态电离态:,E,吸,=0-(-13.6 eV)=13.6 eV,n,=2电离态:,E,吸,=0-,E,2,=3.4 eV,如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还有动能。,(3)跃迁时电子动能、原子电势能与总能量变化:当轨道半径减小时,库,仑引力做正功,原子电势能减小,电子动能增大,原子总能量减小,反之,轨,道半径增大时,原子电势能增大,电子动能减小,原子总能量增大。,【,情景素材教师备用,】,2-1已知氢原子的基态能量为,E,1,激发态能量,E,n,=,E,1,/,n,2,其中,n,=2,3,。,用,h,表示普朗克常量,c,表示真空中的光速。能使氢原子从第一激发态电,离的光子的最大波长为,(),A.-,B.-,C.-,D.-,答案,C处于第一激发态时,n,=2,故其能量,E,2,=,电离时释放的能量,E,=0-,E,2,=-,而光子能量,E,=,则解得,=-,故C正确,A、B、D均,错。,C,2-2已知氦离子(He,+,)的能级图如图所示,根据能级跃迁理论可知,(),A.氦离子(He,+,)从,n,=4能级跃迁到,n,=3能级比从,n,=3能级跃迁到,n,=2能级,辐射出光子的频率低,B.大量处在,n,=3能级的氦离子(He,+,)向低能级跃迁,只能发出2种不同频,率的光子,C.氦离子(He,+,)处于,n,=1能级时,能吸收45 eV的能量跃迁到,n,=2能级,D.氦离子(He,+,)从,n,=4能级跃迁到,n,=3能级,需要吸收能量,A,答案,A氦离子由高能级向低能级跃迁,辐射光子的能量等于两能级,的能量差,对应光子频率,满足:,h,=,E,n,-,E,m,(,n,m,),A正确。大量处于,n,=3 能,级的氦离子向低能级跃迁,能发出3种不同频率的光子,B错误。离子只,能吸收能量等于能级差的光子才能跃迁到高能级,C错误。离子从高能,级跃迁到低能级,以光子的形式辐射能量,D错误。,考点三应用玻尔理论综合分析氢原子的能级、轨道和光谱问题,一、应用玻尔理论分析氢原子的能级、轨道的方法,玻尔理论的成功之处在于引入了量子化的概念,但因保留了经典的原子,轨道,故有关氢原子的计算仍应用经典物理的理论。对电子绕核运动的,轨道半径、速度、周期、动能、电势能等的计算,是牛顿运动定律、库,仑定律、匀速圆周运动等知识的综合应用。,氢原子各定态的能量值为电子绕核运动的动能,E,k,和电势能,E,p,的代数和;,当取无穷远处电势能为零时,各定态的电势能均为负值。,某定态时,核外电子的动能,E,k,总是等于该定态总能量的绝对值,原子系,统的电势能,E,p,总是等于该定态总能量值的两倍。运用这一数值关系可,以巧妙地进行几种能量变化分析。,规定无穷远处原子系统的电势能为零,则原子各能级的能量为负值,即,E,1,=-13.6 eV,r,1,=0.53,10,-10,m。,E,n,=,r,n,=,n,2,r,1,随电子轨道半径的增大,能量增大。,另外由经典理论,=,m,知,其动能,E,k,n,=,mv,2,=,=,即,E,k,n,=,随,n,的增大,电子的动能减小。,其电势能,E,p,n,=,E,n,-,E,k,n,=,随,n,的增大,原子的电势能增大。,3-1一个氢原子从,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,答案,B根据玻尔原子理论知,氢原子从高能级,n,=3向低能级,n,=2跃迁,时,将以光子形式放出能量,放出光子后原子能量减少,故B选项正确。,B,3-2(2017北京海淀一模,24,20分)微观世界与宏观世界往往存在奇妙,的相似性。对于氢原子模型,因为原子核的质量远大于电子的质量,可,以忽略原子核的运动,形成类似天文学中的恒星行星系统,记为模型,。另一种模型认为氢原子的核外电子并非绕核旋转,而是类似天文学,中的双星系统,核外电子和原子核依靠库仑力作用使它们同时绕彼此连,线上某一点做匀速圆周运动,记为模型。已知核外电子的质量为,m,氢,原子核的质量为,M,二者相距为,r,静电力常量为,k,电子和氢原子核的电,荷量大小均为,e,。,模型、中系统的总动能分别用,E,k,、,E,k,表示,请推理分析,比较,E,k,、,E,k,的大小关系;,模型、中核外电子做匀速圆周运动的周期分别用,T,、,T,表示,通常情况下氢原子的研究采用模型的方案,请从周期的角度分析这样,简化处理的合理性。,答案,见解析,解析,模型中,设电子的速度为,v,对于电子绕核的运动,根据库仑,定律和牛顿第二定律有,=,(1分),解得:,E,k,=,mv,2,=,(2分),模型中,设电子和原子核的速度分别为,v,1,、,v,2,电子的轨道半径为,r,1,原,子核的轨道半径为,r,2,。根据库仑定律和牛顿第二定律,对电子有:,=,解得,E,k1,=,m,=,r,1,对原子核有:,=,解得,E,k2,=,M,=,r,2,系统的总动能:,E,k,=,E,k1,+,E,k2,=,(,r,1,+,r,2,)=,即在这两种模型中,系统的总动能相等。,模型中,根据库仑定律和牛顿第二定律有,=,m,r,解得,=,模型中,电子和原子核的周期相同,均为,T,根据库仑定律和牛顿第二定律,对电子有:,=,m,r,1,解得:,r,1,=,对原子核有:,=,M,r,2,解得:,r,2,=,因,r,1,+,r,2,=,r,将以上两式代入,可解得:,=,所以有:,=,因为,M,m,可得,T,T,所以采用模型更简单方便。,1.一群氢原子处于量子数为,n,的激发态时,可能辐射的光谱线条数,N,=,(或几种光子的能量)。,二、氢原子光谱问题分析方法,2.一个原子在一次跃迁时只发出(或吸收)一个光子。,3-3氢原子部分能级的示意图如图所示。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),1.612.00,2.002.07,2.072.14,2.142.53,2.532.76,2.763.10,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原子发光时光子的能量等于原子能级差,先分别计算各相邻,的能级差,再由小到大排序。结合可见光的光子能量图可知,有两个能,量分别为1.89 eV和2.55 eV的光子属于可见光,并且属于红光和蓝-靛光,的范围,故答案为A。,A,3-41885年瑞士的中学教师巴耳末发现,氢原子光谱中可见光部分的,四条谱线的波长可归纳成一个简单的经验公式:,=,R,(,-,),n,为大于2,的整数,R,为里德伯常量。1913年,丹麦物理学家玻尔受到巴耳末公式的,启发,同时还吸取了普朗克的量子假说、爱因斯坦的光子假说和卢瑟福,的核式结构原子模型,提出了自己的原子理论。根据玻尔理论,推导出,了氢原子光谱谱线的波长公式:,=,R,(,-,),m,与,n,都是正整数,且,n,m,。,当,m,取定一个数值时,不同数值的,n,得出的谱线属于同一个线系。如:,m,=1,n,=2、3、4、,组成的线系叫赖曼系;,m,=2,n,=3、4、5、,组成的线系叫巴耳末系;,m,=3,n,=4、5、6、,组成的线系叫帕邢系;,m,=4,n,=5、6、7、,组成的线系叫布喇开系;,m,=5,n,=6、7、8、,组成的线系叫逢德系。,以上线系只有一个在紫外光区,这个线系是,(),A.赖曼系B.帕邢系,C.布喇开系 D.逢德系,答案,A与可见光相比,紫外线的频率高,能量高,即题目列出的线系,中能量最高的即为紫外光区。而根据,=,知波长最短的在紫外光区。,根据,=,R,(,-,),可知,-,最大的波长最短、频率最高、能量最大,即在紫外光区。根据已知条件可得赖曼系的能量最高,在紫外光区。选,项A对,B、C、D错。,A,