2012高考物理一轮能力提升 19-1氢原子光谱 氢原子的能级结构和公式考点+重点+方法

用心 爱心 专心 1 第十九章第十九章 原子结构和原子核原子结构和原子核 本章概览 1 本章内容可分为两部分 即原子结构和原子核 重点内容是 氢原子的能级结构和公式 原子核的衰变和半衰期 核反应方程的书写 结合能和质量亏损 从考试大纲可以看到全 部是 I 级要求 2 高考对本专题考查特点是命题热点分散 偏重于知识的了解和记忆 多以每部分内容单 独命题 多为定性分析 考课本 不回避陈题 是本专题考查的最大特点 题型多以选 择题形式出现 几乎在每年高考中占一个小题 3 本单元内容与现代科技相联系的题目较多 复习时应引起高度重视 第一课时 氢原子光谱 氢原子的能级结构和公式 考点剖析 教学要求教学要求 1 了解人们对原子结构的认识过程 2 掌握 粒子散射实验和原子核式结构的 3 理解玻尔模型的三条假设 知识再现知识再现 一 人们认识原子结构的思维线索一 人们认识原子结构的思维线索 气体放电的研究 阴极射线 发现电子 1897 年 汤姆生 汤姆生的 枣糕模型 粒子散射实验 卢瑟福的核式结构模型 氢光谱的研究玻尔模型 轨道量子化模型 二 卢瑟福的核式结构模型二 卢瑟福的核式结构模型 1 粒子散射实验 做法 用质量是电子 7300 倍的 a 粒子轰击薄金箔 结果 绝大多数 少数 极少数 有的甚至 2 原子的核式结构 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全部质量都集中 在原子核里 带负电的电子在核外空间里绕着核旋转 原子核所带的正电荷数等于核外的电 子数 所以整个原子是中性的 3 实验数据估算 原子核大小的数量级为 10 15 10 14m 原子大小的数量级为 10 10 m 三 玻尔的原子理论三 玻尔的原子理论 三条假设三条假设 1 定态假设 原子只能处于一系列不连续的能量状态中 在这些状态中 电子虽做变速 运动 但并不向外辐射电磁波 这样的相对稳定的状态称为定态 2 跃迁假设 电子绕核转动处于定态时不辐射电磁波 但电子在两个不同定态间发生跃 迁时 却要辐射 吸收 电磁波 光子 其频率由两个定态的能量差值决定 hv E2 E1 3 轨道量子化假设 由于能量状态的不连续 因此电子绕核转动的轨道半径也不能任意 取值 必须满足 3 2 1 2 n nh mvr 四 氢原子能级及氢光谱四 氢原子能级及氢光谱 1 氢原子能级 原子各个定态对应的能量是不连续的 这些能量值叫做能级 2 氢原子的能级图 3 氢光谱 在氢光谱中 n 2 3 4 5 向 n 1 跃迁发光形成赖曼线系 n 3 4 5 6 向 n 2 跃迁发光形成巴耳末线系 n 4 5 6 7 向 n 3 跃迁发光形成帕邢线系 n 5 6 7 8 向 n 4 跃迁发光形成布喇开线系 其中只有巴耳末线系的前 4 条谱线落在可见光区域内 重点突破 知识点一原子的核式结构原子的核式结构 卢瑟福由 粒子散射实验提出 在原子的中心有一个很小的核 叫原子核 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空间运动 我们把这样的 原子模型称为 核式结构模型 应用应用 1 1 英国物理学家卢瑟福用 粒子轰击金箔 发现了 粒子的散射现象 下图中 o 表示金原子核的位置 则能正确表示该实验中经过金原子核附近的 粒子的运动轨迹的图 是 导示导示 根据库仑定律知 离核越近的粒子受到的库仑斥力越大 运动轨迹弯曲越厉害 又正 对原子核粒子将被弹回 故正确答案选 BD 知识点二氢原子的能级 轨道公式氢原子的能级 轨道公式 1 能级公式 氢原子存在一个能量最低也是最稳定的状态 称为基态 其能量用 E1表 示 其余定态称为激发态 能量用 En表示 由玻尔理论可推出氢原子能级公式 En E1 n2即 n 1 2 式中 n 称为能量量子数 E1 l3 6 eV 2 半径公式 rn n2r1式中 r1 为基态半径 又称为玻尔半径 r1 O 53 10 10m 应用应用 2 2 0707 海南卷 海南卷 氢原子第 n 能级的能量为 En E1 n2 其中 E1是基态能量 而 n 1 2 若一氢原子发射能量为 1 16 3 E 的光子后处于比基态能量高出 1 4 3 E 的激发态 则氢原子发射光子前后分别处于第几能级 导示导示 设氢原子发射光子前后分别处于第 l 与第 m 能级 则依题意有 1 2 1 2 1 16 3 E m E l E 11 2 1 4 3 EE m E 由 式解得 m 2 由 式得 l 4 氢原子发射光子前后分别处于第 4 与第 2 能级 1 原子定态能量 En是指核外电子动能及电子与核之间的静电势能之和 2 En是负值 这里是取电子自由态作为能量零点 方法探究 类型一类型一氢原子的跃迁与电离问题氢原子的跃迁与电离问题 当原子从低能级向高能级跃迁时 要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 当原子从高能级向低能级跃迁时 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 当光子 能量大于或等于 l3 6 eV 时 也可以被氢原子吸收 使氢原子电离 当氢原子吸收的光子能 量大于 13 6 eV 时 氢原子电离后 电子具有一定的初动能 例例 1 1 20072007 年高考理年高考理综综 卷 卷 用大量具有一定能量的电子轰击大量 处于基态的氢原子 观测到了一定数目的光谱线 调高电子的能量再此进 行观测 发现光谱线的数目比原来增加了 5 条 用 n 表示两次观测中最高 激发态的量子数 n 之差 E 表示调高后电子的能 量 根据氢原子的能级图可以判断 n 和 E 的可能值为 A n 1 13 22eV E 13 32eV B n 2 13 22eV E 13 32eV C n 1 12 75eV E 13 06eV D n 2 12 75eV E 13 06eV 导示导示 原子的跃迁公式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 实物粒 子与原子相互作用而使原子激发时 粒子的能量不受上述条件的限制 本题由于是电子轰击 存在两种可能 第一种 n 2 到 n 4 所以电子的能量必须满足 13 6 0 85 E 13 6 0 54 故 D 选项正确 第二种可能是 n 5 到 n 6 电子能量必须满足 13 6 0 38 E 13 6 0 28 故 A 选项正确 所以答案应选 AD 原子跃迁时需注意的几个问题 1 一群原子和一个原子 一群氢原子处于 量子数为 n 的激发态时 可能辐射出的光谱线条数为 N Cn2 n n 1 2 一个氢原子处于量子 数为 n 的激发态上时 最多可辐射出 n 1 条光谱线 2 光子激发和实物粒子激发 若是在 光子的作用下引起原子的跃迁 则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差 若是在实 物粒子的碰撞下引起原子的跃迁 则要求实物粒子的能量必须大于或等于原子的某两个能级 差 3 直接跃迁和间接跃迁 原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态 有时可能是直 接跃迁 有时是间接跃迁 两种情况下辐射 或吸收 光子的可能性及频率可能不同 4 跃迁和电离 类型二类型二跃迁过程的能量变化问题跃迁过程的能量变化问题 例例 2 2 0707 届南京市综合检测题三 届南京市综合检测题三 处于激发态的原子 如果在入射光子的作用下 可以 引起其从高能态向低能态跃迁 同时在两个能态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去 这种辐射叫做受激辐射 原子发生受激辐射时 发出的光子的频率 发射方向等都跟入射光 子完全一样 这样使光得到加强 这就是激光产生的机理 那么 发生受激辐射时 产生激 光的原子的总能量 En 电子的电势能 Ep 电子动能 Ek 的变化关系是 D A En减小 Ep增大 Ek 增大 B En增大 Ep减小 Ek 减小 C En减小 Ep增大 Ek 减小 D En减小 Ep减小 Ek 增大 导示导示 由玻尔理论可知 氢原子辐射光子后 应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道 在此跃迁过程中 电场力对电子做了正功 因而电势能应减小 另由经典电磁理论知 电子 绕核做匀速圆周运动的向心力即为氢核对电子的库仑力 ke2 r2 mv2 r 所以 Ek 2 1 mv2 ke2 2r 可见 电子运动半径越小 其动能越大 再结合能量转化和守恒定律 氢 原子放出光子 辐射出一定的能量 所以原子的总能量减小 综上讨论 可知该题只有答案 D 正确 故选 D 成功体验 1 根据 粒子散射实验 卢瑟福提出了原子的核式结构模型 图中虚线 表示原子核所形成的电场的等势线 实线表示一个 粒子的运动轨 迹 在 粒子从 a 运动到b 再运动到 c 的过程中 下列说法中正确的 是 A 动能先增大 后减小 B 电势能先减小 后增大 C 电场力先做负功 后做正功 总功等于零 D 加速度先变小 后变大 2 20072007 年全国卷年全国卷 氢原子在某三个相邻能级间跃迁时 可发出三种不同波长的辐射光 已知其中的两个波长分别为 1和 2 且 1 2 则另一个波长可能是 A 1 2 B 1 2 C 21 21 D 21 21