原子结构氢原子光谱ppt课件.ppt

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1、第2课时 原子结构 氢原子光谱考点自清一、电子的发现1.阴极射线的发现 19世纪,科学家研究稀薄气体放电,发现阴极发 出一种射线 .2.电子的发现 汤姆孙确定阴极射线是由带负电的粒子组成,并 测定出它的比荷 ,之后用油滴实验测定了它 的电荷量,确定它是组成各种物质的基本成分, 称之为 .3.电子的发现说明原子也是可再分的.,阴极射线,电子,二、原子结构1.实验基础:粒子散射实验用粒子轰击金 箔,发现大多数粒子直进,少数发生偏转,极少 数发生大角度偏转,个别的发生反弹.2.原子结构:在原子中心有一个很小的核(原子核), 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原 子核里,带负电的电子在核外绕核旋转

2、.3.原子核的大小:直径数量级在10-14 m10-15 m以 下,原子大小数量级为10-10 m.4.核外电子的运动:由原子核对核外电子的 作为核外电子绕核旋转的向心力.,库仑力,三、光谱和光谱分析1.光谱:用光栅和棱镜可以把光按波长展开.获得 光的波长(频率)成分和 的记录,即光谱.2.线状谱:有些光谱是一条条的亮线,这样的光谱 叫线状谱.3.连续谱:有些光谱是连在一起的光带,叫连续谱.4.光谱分析:每种原子都有自己的特征谱线,可以 利用它来鉴别物质或确定物质的组成成分,这种 方法叫光谱分析.,强度分布,四、氢原子光谱 巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线,其波长公 式 (n=3,4,5,)可

3、见n取整数,不 能取连续值,故波长也只能是分立的值.五、玻尔理论1.玻尔理论 (1)轨道量子化:电子绕核运动的轨道 的. (2)能量状态量子化:原子只能处于一系列不连 续的能量状态中.能量最低的状态叫 , 其他状态叫 . (3)跃迁假说:原子从一种定态跃迁到另一种定 态要辐射(或吸收)一定频率的光子,即h= (mn).,不连续,基态,激发态,Em-En,2.氢原子的能级和轨道半径 (1)氢原子的能级公式:En= E1(n=1,2,3,), 其中E1为基态能量E1=-13.6 eV. (2)氢原子的半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其 中r1为基态半径,又称玻尔半径r1=0.5310

4、-10 m.3.氢原子的能级图,如图1所示.,图1,4.弗兰克赫兹实验 (1)如果原子的能级是分立的,那么用碰撞的方 式使原子吸收的能量,即其他粒子转移给原子的 能量,也应该是 的. (2)1914年,弗兰克和赫兹采用电子轰击汞原子, 发现电子损失的能量,也就是汞原子吸收的能量, 是分立的,从而证明汞原子的能量是量子化的.5.玻尔理论的成功、局限和电子云 玻尔的成功之处在于引入了 观念,局限之 处在于保留了过多的经典理论. 电子云:电子云是描述电子在原子核外各区域出 现的几率的状况,为直观起见,把电子的这种几 率分布状况用图象表示时,这种图象所显示的结 果有如电子在原子核周围形成的云雾,故称电

5、子云.,量子化,量子,热点聚焦热点一 三个原子模型的对比,特别提示 认识原子结构的线索:气体放电的研究 阴极 射线 发现电子 汤姆孙的“枣糕”模型 卢瑟福核式结构模型 玻尔模型.,热点二 对原子跃迁条件的理解1.原子从低能级向高能级跃迁:吸收一定能量的光 子,当一个光子的能量满足h=E末-E初时,才能 被某一个原子吸收,使原子从低能级E初向高能级 E末跃迁,而当光子能量h大于或小于E末-E初时 都不能被原子吸收.2.原子从高能级向低能级跃迁,以光子的形式向外 辐射能量,所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时 的两能级间的能量差.,3.原子吸收能量的原则是吸收的能量恰好等于某 两个能级之差,或者是吸收

6、能量大于或等于其电 离能,使电子成为自由电子;所以当原子吸收光 子时,由于光子不可分,故其必须选择能量满足 上述原则的光子;当原子吸收实物粒子(如电子) 的能量时,原子可以根据“需要”吸收其中的一 部分能量,也即吸收实物粒子的能量没有条件 限制.,特别提示 (1)原子跃迁条件h=Em-En只适用于光子和原 子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况.对于 光子和原子作用而使原子电离时,只要入射光的 能量E13.6 eV,原子就能吸收.对于实物粒子 与原子作用使原子激发时,粒子能量大于或等于 能级差即可. (2)原子跃迁发出的光谱线条数N=C2n= , 是一群氢原子,而不是一个,因为某一个氢原子 有固

7、定的跃迁路径.,热点三 氢原子中电子运动的有关计算 氢原子在各个不同的能量状态对应不同的电子 轨道,电子绕核做圆周运动的动能和系统的电势 能之和即为原子的能量,即En=Ek+Ep. (1)电子运动的速度、周期、动能与半径的关系 由库仑力提供向心力k 电子速度vn=,电子运动周期Tn= 电子的动能Ekn= (2)系统的电势能变化可根据库仑力做功来判断: 靠近核,库仑力对电子做正功,系统电势能减小; 远离核,库仑力对电子做负功,系统电势能增加.,题型探究题型1 粒子散射实验的理解【例1】(1)关于原子结构理论与粒子散射实验 的关系,下列说法正确的是 ( ) A.卢瑟福做粒子散射实验是为了验证汤姆孙

8、 的枣糕模型是错误的 B.卢瑟福认识到汤姆孙“枣糕模型”的错误后 提出了“核式结构”理论 C.卢瑟福的粒子散射实验是为了验证核式结 构理论的正确性 D.卢瑟福依据粒子散射实验的现象提出了原 子的“核式结构”理论,(2)在粒子散射实验中,粒子的偏转是由于 受到原子内正电荷的库仑力而发生的.实验中即 使1 mm厚的金箔也大约有3 300层原子,但绝大 多数的粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进, 只有少数发生了大角度偏转,这说明了什么? 思路点拨 求解此题应注意以下两点: (1)应依据人们探测原子的结构的历史进程进行 分析判断. (2)根据粒子偏转的原因进行分析.,解析 (1)由于卢瑟福设计的粒子散射

9、实验是 为了探究原子内电荷的分布,并非为了验证汤姆 孙模型是错误的,A错误;卢瑟福并不是认识到 “枣糕模型”的错误而提出“核式结构”理论 的,B错误;卢瑟福做了粒子散射实验后,由实 验现象提出了“核式结构”理论,C错误,D正确. (2)粒子穿过金箔后绝大多数仍沿原来的方向 前进,说明它们距正电荷部分较远,库仑力很小; 尽管经过若干层原子,但靠近正电荷部分的机会 很小,这说明原子内带正电荷部分在整个原子中 占的空间非常小. 答案 (1)D (2)说明原子内带正电荷部分在 整个原子中占的空间非常小.,方法归纳 微观世界是看不见的,但我们可以根据它们产生 的各种效应来进行分析、推理和判断,来达到认

10、识微观世界的目的;对于实验推理类问题,要求 记住:实验的作者、时间和装置;实验事实 或现象;由实验结果得出什么结论;实验的 意义所在.,变式练习1 在卢瑟福的粒子散射实验中,有少数 粒子发生大角度偏转,其原因是 ( ) A.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很 小的核上 B.正电荷在原子内是均匀分布的 C.原子中存在着带负电的电子 D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中 解析 原子中有电子,但电子的质量很小,不到 粒子的七千分之一,粒子碰到它,就像飞行 的子弹碰到一粒尘埃一样,运动方向不会发生明 显的改变;若原子中的正电荷是均匀分布的, 粒子穿过原子时,它受到原子内部两侧正电荷的,斥力大部

11、分互相抵消,使粒子偏转的力不会很 大,不会产生大角度的偏转现象,选项B、C错误. 原子核集中了原子全部正电荷和绝大部分质量, 当粒子十分接近原子核时,就会受到很大的库 仑斥力,发生大角度偏转,由于原子核很小,粒 子穿过金箔时接近原子核的机会很小,所以,只 有少数粒子发生大角度偏转,选项A正确.原子 只能处于一系列不连续的能量状态中,是原子光 谱不连续的原因,不是粒子大角度散射的原因, 选项D错误.综上可知,选项A正确. 答案 A,题型2 氢原子能级跃迁问题【例2】如图2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: (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

12、出光子波长最 长?波长是多少?,图2,思维导图,解析 (1)由N= =6种. (2)氢原子由第四能级向第三能级跃迁时,能级 差最小,辐射的光子波长最长. 由h=E4-E3,得h =E4-E3 所以= = =1.8810-6 m 答案 (1)6 (2)1.8810-6 m,方法归纳 1.量子数为n的氢原子辐射光子的可能频率的判 定方法: 如果是一个氢原子,向低能级跃迁时最多发出的 光子数为(n-1). 如果是一群氢原子,向低能级跃迁时最多发出的 光子为C 种. 2.理解氢原子能级图,量子数越大的能级间能级 差越小,发出光子波长越长.,变式练习2 如图3所示,氢原子从n2的某一能级 跃迁到n=2的

13、能级,辐射出能量为2.55 eV的光子. 问最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的 能量,才能使它辐射上述能量的光子？请在图中 画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图.,图3,解析 氢原子从n2的某一能级跃迁到n=2的能 级,辐射光子的频率满足: h=En-E2=2.55 eV En=h+E2=-0.85 eV,所以n=4 基态氢原子要跃迁到n=4的能级,应提供: E=E4-E1=12.75 eV 跃迁图见下图 答案 12.75 eV 见解析图,【例3】1951年,物理学家发现了“电子偶数”,所 谓“电子偶数”,就是由一个负电子和一个正电 子绕它们的质量中心旋转形成的相对稳定的系 统.已知正

14、、负电子的质量均为me,普朗克常量 为h,静电力常量为k. (1)假设“电子偶数”中正、负电子绕它们质量 中心做匀速圆周运动的轨道半径r、运动速度v 及电子的质量满足玻尔的轨道量子化理: 2mevr=n ,n=1,2,“电子偶数”的能量为 正负电子运动的动能和系统的电势能之和.已知,两正负电子相距为L时系统的电势能为E=-k . 试求n=1时“电子偶数”的能量. (2)“电子偶数”由第一激发态跃迁到基态发出 光子的波长为多大? 解析 (1)由于正、负电子质量相等,故两电子 的轨道半径相等,设为r,则正负电子间距为2r, 速度均为v,则有 依题意,有2mevr=n 而电子偶数能量:En=2 me

15、v2-,由式联立得En=- ,n=1,2 取n=1可得电子偶数基态能量为E1=- (2)由式可得电子偶数处于第一激发态时的能 量为E2= 设电子偶数从第一激发态跃迁到基态时发出光 子的波长为,则E2-E1=hc/ 由以上各式解得= 答案 (1) (2),【评分标准】 本题共18分.其中式各2分,式 各3分. 【名师导析】 解决新情境下的信息给予题的关键是从已给信 息中抽象出对应的物理模型.本题三条突出已给 信息:“电子偶数”绕其中心旋转,抽象出 = me .能量的计算方法.符合玻尔的轨道量 子化理论,抽象出En= .将以上三点融入原子 模型及跃迁的相关知识,难点迎刃而解.,自我批阅 (20分)

16、氢原子在基态时轨道半径r1=0.53 10-10 m,能量E1=-13.6 eV.求氢原子处于基态时: (1)电子的动能. (2)原子的电势能. (3)用波长是多少的光照射可使其电离？ (4)电子在核外旋转的等效电流.(已知电子质量 m=9.110-31 kg),解析 (1)设处于基态的氢原子核外电子速度为 v1,则: k(3分) 所以电子动能Ek1= = (2分) (2)因为E1=Ek1+Ep1(3分) 所以Ep1=E1-Ek1=-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV (2分) (3)设用波长的光照射可使氢原子电离: =0-E1 (3分),所以=- =0.914 110-7 m(

17、2分) (4)等效的环形电流I= 由 =mr1( )2,可得T=2(3分) 所以I= 代入数据解得I=1.0510-3 A(2分) 答案 (1)13.6 eV (2)-27.2 eV (3)0.914 110-7 m (4)1.0510-3 A,素能提升1.利用光谱分析鉴别物质的组成成分时,灵敏度是 很高的. (1)如何进行操作? (2)如图4甲所示的abcd为四种 元素的特征谱线，图乙是某矿 物的线状谱，通过光谱分析可 以确定该矿物中缺少的元素为 . A.a元素B.b元素 C.c元素D.d元素,图4,解析 (1)光谱分析中首先获取样本的线状谱, 然后利用各种原子的特征谱线加以对照,从而确 定

18、组成成分. (2)由矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行 对照,b元素的谱线在该线状谱中不存在,故B正 确.与几个元素的特征谱线不对应的线说明该矿 物中还有其他元素. 答案 (1)见解析 (2)B,2.原子结构的认识过程是非常曲折的,请回答下列 问题. (1)核式结构和玻尔模型提出的背景分别是 (2)在原子物理中,粒子间经常发生碰撞,一速度 为v0的粒子,与静止的氢核发生完全非弹性碰撞 后,它们的共同速度为vH,如果这个粒子仍以速度 v0与静止的碳核发生弹性碰撞,碰后碳核的速度 为vC,现在测得 ,已知碳核质量为mC与氢 核质量mH之比为12,求粒子质量与氢核质量之比.,解析 (2)粒子与氢核

19、发生完全非弹性碰撞后, 由动量守恒有 mxv0=(mx+mH)vH vH= 粒子与碳核发生完全弹性碰撞后,由动量和能量 守恒有 mxv0=mxv+mCvC, 由以上两式得vC=,由两式和题设条件有 将mC=12mH代入式后得mxmH=11. 答案 (1)汤姆孙的“枣糕模型”无法解释 粒子散射实验.卢瑟福的核式结构无法解释原 子的稳定性和原子光谱的分立特征. (2)11,3.已知钠原子在A、B、C、D、E几个能级间跃迁 时辐射的波长分别为:589 nm(BA),330 nm (CA),285 nm(DA),514 nm(EB).试作出 钠原子在这几个能量范围的能级图.作图时注意, 表示能级的横线

20、间的距离和相应能级差成正比, 并在线旁以电子伏为单位标出这个能级的值(设 最高能级为零). 解析 根据E= 可以由辐射的波长得到几个 能级差; EB-EA=2.1 eV;EC-EA=3.8 eV; ED-EA=4.4 eV;EE-EB=2.4 eV.,根据以上能级差所作能级图如下图所示. 答案 见解析图,4.原子可以从原子间的碰撞中获得能量,从而发生 能级跃迁(在碰撞中,动能损失最大的是完全非 弹性碰撞).一个具有13.6 eV动能、处于基态的 氢原子与另一个静止的、也处于基态的氢原子 发生对心正碰. (1)是否可以使基态氢原子 发生能级跃迁(氢原子能级 如图5所示)? (2)若上述碰撞中可以

21、使基态氢原子发生电离, 则氢原子的初动能至少为多少?,图5,解析 (1)设运动氢原子的速度为v0,完全非弹 性碰撞后两者的速度为v,损失的动能E被基态 氢原子吸收. 若E=10.2 eV,则基态氢原子可由n=1跃迁到 n=2. 由动量守恒和能量守恒: mv0=2mv 解得,E= mv02=6.8 eV,因为E=6.8 eV10.2 eV. 所以不能使基态氢原子发生跃迁. (2)若使基态氢原子电离,则E=13.6 eV,代入 得Ek=27.2 eV. 答案 (1)不能 (2)27.2 eV,5.氢原子处于基态时,原子能级E1=-13.6 eV,普朗 克常量h=6.6310-34 Js,现用光子能

22、量介于 11 eV12.5 eV范围内的光去照射一大群处于 基态的氢原子. (1)照射光中可能被基态氢原子吸收的光子有几 种?激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多 有几种?能放出的光子的最大能量是多少? (2)要使处于n=3的激发态的氢原子电离,入射光 子的最小频率是多少? 解析 (1)由En= 可算出E2=-3.4 eV,E3= -1.51 eV,E4=-0.85 eV,分别计算出处于基态的,氢原子跃迁到第二、第三、第四激发态过程中吸 收的能量,分别是10.2 eV,12.09 eV,12.75 eV. 因此,用光子能量介于11 eV12.5 eV范围内的光 去照射一大群处于基态的氢原子时,照射光中可能 被基态氢原子吸收的光子只有1种,当处于第三激 发态氢原子向低能级跃迁时,对应有3种频率的光 子;从n=3跃迁到n=1能级时,辐射的光子能量最大, E=E3-E1=12.09 eV. (2)要使氢原子电离,即将电子移到离核无穷远处, 此时E=0 则hE-E3=0-(-1.51)eV=1.51 Ev 最小频率= =3.641014 Hz 答案 (1)1 3 12.09 eV (2)3.641014 Hz,反思总结,返回,