第一讲原子结构能级

1、 认识原子结构的线索：认识原子结构的线索：气体放电气体放电的研究的研究阴极射线阴极射线 发现电子发现电子 汤姆孙的汤姆孙的“枣糕枣糕”模型模型 卢瑟福核式结构模型卢瑟福核式结构模型玻尔模型玻尔模型. .粒子散射实验粒子散射实验氢原子光谱的研究氢原子光谱的研究实验基础实验基础结构差异结构差异成功和局限成功和局限“枣糕枣糕”模型模型电子的电子的发现发现带正电物质均带正电物质均匀分布在原子匀分布在原子内内, ,电子镶嵌其电子镶嵌其中中解释了一些实验事解释了一些实验事实实, ,无法说明无法说明粒子粒子散射实验散射实验核式结核式结构模型构模型粒子散粒子散射实验射实验全部正电荷和全部正电荷和几乎全部质量几

2、乎全部质量集中在核里集中在核里, ,电电子绕核旋转子绕核旋转成功解释了成功解释了粒子粒子散射实验散射实验, ,无法解释无法解释原子的稳定性与原原子的稳定性与原子光谱的分立特征子光谱的分立特征玻尔的原玻尔的原子模型子模型氢原子光氢原子光谱的研究谱的研究在核式结构模在核式结构模型基础上型基础上, ,引入引入量子化观点量子化观点成功解释了氢原子成功解释了氢原子光谱光谱, ,无法解释较复无法解释较复杂的原子光谱杂的原子光谱本章知识链接本章知识链接第一讲第一讲 原子结构原子结构 玻尔理论玻尔理论考点自清考点自清一、电子的发现一、电子的发现1.1.阴极射线的发现阴极射线的发现：1919世纪世纪, ,科学家

3、研究稀薄气体放电科学家研究稀薄气体放电, ,发现阴发现阴极发出一种射线极发出一种射线 . .2.2.电子的发现电子的发现：汤姆孙确定阴极射线是由带负电的粒子组成：汤姆孙确定阴极射线是由带负电的粒子组成, ,并测定出它的比荷并测定出它的比荷 , ,之后用油滴实验测定了它的电荷量之后用油滴实验测定了它的电荷量, ,确确定它是组成各种物质的基本成分定它是组成各种物质的基本成分, ,称之为称之为 . .3.3.电子的发现电子的发现说明说明原子也是可再分的原子也是可再分的. .阴极射线阴极射线电子电子me二、二、 粒子散射实验和卢瑟福的核式结构模型粒子散射实验和卢瑟福的核式结构模型1.1.粒子散射实验粒

4、子散射实验用用粒子轰击金箔粒子轰击金箔, ,绝大多数绝大多数仍沿原来仍沿原来的方向前进，但的方向前进，但少数少数粒子发生了大角度偏转，粒子发生了大角度偏转，极少数极少数粒子粒子甚至被撞了回来，如图所示甚至被撞了回来，如图所示. 2.2.核式结构模型核式结构模型: :在原子中心有一个很小的核在原子中心有一个很小的核( (原子核原子核),),原子原子的的全部正电荷全部正电荷和和几乎全部质量几乎全部质量都集中在原子核里都集中在原子核里, ,带负电的电带负电的电子在核外绕核旋转子在核外绕核旋转. .3.3.原子核的大小原子核的大小: :直径数量级在直径数量级在1010-14 -14 m m1010-1

5、5 -15 m m以下以下, ,原子大小原子大小数量级为数量级为1010-10 -10 m.m.4.4.核外电子的运动核外电子的运动: :由原子核对核外电子的由原子核对核外电子的 作为核外作为核外电子绕核旋转的向心力电子绕核旋转的向心力. .库仑力库仑力三、原子光谱三、原子光谱1 1. .光谱的分类光谱的分类早在早在1717世纪，牛顿世纪，牛顿就发现了日光通过就发现了日光通过三棱镜后的色散现三棱镜后的色散现象，并把实验中得象，并把实验中得到的到的彩色光带彩色光带叫做叫做光谱光谱（1）连续光谱）连续光谱 连续分布连续分布的包含有从红光到紫光各种的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。色光

6、的光谱叫做连续光谱。 炽热的固体、液体和高压气体炽热的固体、液体和高压气体的发射的发射光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。形成连续光谱。（2）明线光谱）明线光谱 只含有一些只含有一些不连续的亮线不连续的亮线的光谱叫做明线光的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。不同波长的光。 稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，光谱。明线光谱是由游离状态的原子发

7、射的，所以也叫原子的光谱。实践证明，原子不同，所以也叫原子的光谱。实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。谱线也叫原子的特征谱线。（3）吸收光谱）吸收光谱 高温物体发出的白光（其中包含连续分布高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。 各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该各种原子的吸

8、收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。阳的光谱是吸收光谱。 光 谱发射光谱定义：由发光体直接产生的光谱连续光谱产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发 光形成的光谱的形式：连续分布，一切波长的光都有线状光谱（原子光谱）产生条件：稀薄气体发光形成的光谱光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素

9、的明线光谱不同（又叫特征光谱）吸收光谱定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应） 各种光谱的特点及成因：氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。（4）、氢原子光谱）、氢原子光谱221111()3,4,5,.2Rnnm7巴耳末公式 R=1.10 10里德伯常量四四. .玻尔理论玻尔理论(1)(1)能量量子化能量量子化：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳

10、定的，电子虽然绕核运动，但并不向外这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量辐射能量. .这种状态称为这种状态称为定态。定态。能量最低的状态叫能量最低的状态叫 , 其他状态叫其他状态叫 .(2)(2)原子的能级跃迁假设原子的能级跃迁假设：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即差决定，即h=Eh=Em m-E-En n.(h.(h是普朗克常量，是普朗克常量，h=6.63h=6.631010-34-34 Js) Js)(3)

11、(3)轨道量子化假设轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应轨道绕核运动相对应. .原子的定态是不连续的，因此电子的可能原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的轨道也是不连续的. .基态基态激发态激发态说明：说明：氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化变化(1)(1)原子能量原子能量: : 随随n n增大而增大增大而增大，其，其中中E E1 1=-13.6 eV.=-13.6 eV.(2)(2)电子动能电子动能: :电子绕氢原子核运动时静电力提供向心电子绕氢原子核运动时

12、静电力提供向心力力, ,即即 所以所以 随随r r增大而减小增大而减小. .(3)(3)电势能：电势能：通过库仑力做功判断电势能的增减通过库仑力做功判断电势能的增减. .当轨道半径减小时当轨道半径减小时, ,库仑力做正功库仑力做正功, ,电势能减小电势能减小; ;反之反之, ,轨道轨道半径增大时半径增大时, ,电势能增加电势能增加. .1nknpn2EEEE,n222evkm,rr2knn1eEk,2r (1)(1)巴耳末系是氢原子在可见光区的一巴耳末系是氢原子在可见光区的一组谱线组谱线, ,在红外光区和紫外光区也有类似的谱线系在红外光区和紫外光区也有类似的谱线系. .(2)(2)原子跃迁条件

13、原子跃迁条件h=Eh=Em m-E-En n：只适用于只适用于光子和原子作光子和原子作用而使原子用而使原子在各定态之间跃迁在各定态之间跃迁的情况的情况. .对于光子和原对于光子和原子作用而子作用而使原子电离使原子电离时，只要入射光的能量时，只要入射光的能量E13.6 E13.6 eVeV，原子就能吸收光子的能量，对于，原子就能吸收光子的能量，对于实物粒子与原实物粒子与原子作用使原子激发子作用使原子激发时，实物粒子的能量大于或等于时，实物粒子的能量大于或等于能级差即可能级差即可. .五、氢原子的能级、能级公式五、氢原子的能级、能级公式1.1.氢原子的能级和轨道半径氢原子的能级和轨道半径(1)(1

14、)氢原子的能级公式：氢原子的能级公式： (n=1,2,3(n=1,2,3，)，其中其中E E1 1为基态能量，其数值为为基态能量，其数值为E E1 1=-13.6 eV.=-13.6 eV.(2)(2)氢原子的半径公式：氢原子的半径公式：r rn n=n=n2 2r r1 1(n=1,2,3(n=1,2,3，)，其，其中中r r1 1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r r1 1=0.53=0.531010-10-10m.m.n121EEn2.2.氢原子的能级图氢原子的能级图(1)(1)能级图如图所示能级图如图所示. .原子跃迁条件原子跃迁条件h=Em-En：

15、只适用于只适用于光子和原子作用而光子和原子作用而使原子使原子在各定态之间跃迁在各定态之间跃迁的的情况情况.对于光子和原子作用而对于光子和原子作用而使原子电离使原子电离时，只要入射光时，只要入射光的能量的能量E13.6 eV，原子就，原子就能吸收光子的能量，对于能吸收光子的能量，对于实实物粒子与原子作用使原子激物粒子与原子作用使原子激发发时，实物粒子的能量大于时，实物粒子的能量大于或等于能级差即可或等于能级差即可. (1)(1)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线一群氢原子跃迁发出可能的光谱线数为数为 一个氢原子跃迁发出可能的光谱线数最多为一个氢原子跃迁发出可能的光谱线数最多为(n-1).(n-1).

16、(2)(2)由能级图可知，由于电子的轨道半径不同，氢原由能级图可知，由于电子的轨道半径不同，氢原子的能级不连续，这种现象叫能量量子化子的能级不连续，这种现象叫能量量子化. .(3)n=1(3)n=1对应于基态，对应于基态，nn对应于原子的电离对应于原子的电离. . 2nn n1NC,2题型探究题型探究题型题型1 1 粒子散射实验的理解粒子散射实验的理解【例例1 1】(1)(1)关于原子结构理论与关于原子结构理论与粒子散射实验的关系粒子散射实验的关系, ,下下列说法正确的是列说法正确的是 ( )( ) A. A.卢瑟福做卢瑟福做粒子散射实验是为了验证汤姆孙的枣糕模粒子散射实验是为了验证汤姆孙的枣

17、糕模型是错误的型是错误的 B.B.卢瑟福认识到汤姆孙卢瑟福认识到汤姆孙“枣糕模型枣糕模型”的错误后提出了的错误后提出了“核式结构核式结构”理论理论 C.C.卢瑟福的卢瑟福的粒子散射实验是为了验证核式结构理论的粒子散射实验是为了验证核式结构理论的正确性正确性 D.D.卢瑟福依据卢瑟福依据粒子散射实验的现象提出了原子的粒子散射实验的现象提出了原子的“核核式结构式结构”理论理论 (2) (2)在在粒子散射实验中粒子散射实验中, ,粒子的偏转是由于受到原粒子的偏转是由于受到原子内正电荷的库仑力而发生的子内正电荷的库仑力而发生的. .实验中即使实验中即使1 mm1 mm厚的金厚的金箔也大约有箔也大约有3

18、 3003 300层原子层原子, ,但绝大多数的但绝大多数的粒子穿过金箔粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进后仍沿原来的方向前进, ,只有少数发生了大角度偏转只有少数发生了大角度偏转, ,这这说明了什么说明了什么? ? 思路点拨思路点拨 求解此题应注意以下两点求解此题应注意以下两点: :(1)(1)应依据人们探测原子的结构的历史进程进行分析判应依据人们探测原子的结构的历史进程进行分析判断断. .(2)(2)根据根据粒子偏转的原因进行分析粒子偏转的原因进行分析. .答案答案 (1)D (2)说明原子内带正电荷部分在整个原子中说明原子内带正电荷部分在整个原子中占的空间非常小占的空间非常小.变式练习变式

19、练习1 1 在卢瑟福的在卢瑟福的粒子散射实验中粒子散射实验中, ,有少数有少数粒子发粒子发生大角度偏转生大角度偏转, ,其原因是其原因是 ( )( ) A. A.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 B.B.正电荷在原子内是均匀分布的正电荷在原子内是均匀分布的 C.C.原子中存在着带负电的电子原子中存在着带负电的电子 D.D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中原子只能处于一系列不连续的能量状态中 A题型题型2 2 氢原子能级跃迁问题氢原子能级跃迁问题【例例2 2】如图如图2 2所示为氢原子最低的四个能级所示为氢原子最低的四个能级, ,当

20、氢原子在当氢原子在这些能级间跃迁时这些能级间跃迁时: :(1)(1)有可能放出有可能放出 种能量的光子种能量的光子. .(2)(2)在哪两个能级间跃迁时在哪两个能级间跃迁时, ,所放出光子波长最长所放出光子波长最长? ?波长是波长是多少多少? ?图图2思维导图思维导图 解析解析 (1)(1)由由N N= =6= =6种种. . (2) (2)氢原子由第四能级向第三能级跃迁时氢原子由第四能级向第三能级跃迁时, ,能级能级 差最小差最小, ,辐射的光子波长最长辐射的光子波长最长. . 由由h h= =E E4 4- -E E3 3, ,得得h h = =E E4 4- -E E3 3 所以所以=

21、= = =1.88 =1.881010-6 -6 m m 答案答案 (1)6 (2)1.88(1)6 (2)1.881010-6 -6 m m2) 14(42) 1(nnc34EEhcm106 . 1)51. 1(85. 01031063. 619834变 式 练 习变 式 练 习 2 2 如 图如 图 3 3 所 示所 示 , , 氢 原 子 从氢 原 子 从 n n 2 2 的 某 一 能 级的 某 一 能 级 跃迁到跃迁到n n=2=2的能级的能级, ,辐射出能量为辐射出能量为2.55 eV2.55 eV的光子的光子. . 问 最 少 要 给 基 态 的 氢 原 子 提 供 多 少 电

22、子 伏 特 的问 最 少 要 给 基 态 的 氢 原 子 提 供 多 少 电 子 伏 特 的 能 量能 量 , , 才 能 使 它 辐 射 上 述 能 量 的 光 子 ？ 请 在 图 中才 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 图画 出 获 得 该 能 量 后 的 氢 原 子 可 能 的 辐 射 跃 迁 图 . . 解析解析 氢原子从氢原子从n n2 2的某一能级跃迁到的某一能级跃迁到n n=2=2的能的能 级级, ,辐射光子的频率满足辐射光子的频率满足: : h h= =E En n-

23、-E E2 2=2.55 eV=2.55 eV E En n= =h h+ +E E2 2=-0.85 eV,=-0.85 eV,所以所以n n=4=4 基态氢原子要跃迁到基态氢原子要跃迁到n n=4=4的能级的能级, ,应提供应提供: : E E= =E E4 4- -E E1 1=12.75 eV=12.75 eV 跃迁图见下图跃迁图见下图 答案答案 12.75 eV 12.75 eV 见解析图见解析图 氢 原 子 在 基 态 时 轨 道 半 径氢 原 子 在 基 态 时 轨 道 半 径 r r1 1= 0 . 5 3= 0 . 5 3 10 10-10 -10 m,m,能量能量E E1

24、1=-13.6 eV.=-13.6 eV.求氢原子处于基态时求氢原子处于基态时: : (1) (1)电子的动能电子的动能. . (2) (2)原子的电势能原子的电势能. . (3) (3)用波长是多少的光照射可使其电离？用波长是多少的光照射可使其电离？ (4)(4)电子在核外旋转的等效电流电子在核外旋转的等效电流.(.(已知电子质量已知电子质量 m m=9.1=9.11010-31 -31 kg)kg) 解析解析 (1)(1)设处于基态的氢原子核外电子速度为设处于基态的氢原子核外电子速度为 v v1 1, ,则则: : k k 所以电子动能所以电子动能E Ek1k1= = = = (2) (2

25、)因为因为E E1 1= =E Ek1k1+ +E Ep1p1 所以所以E Ep1p1= =E E1 1- -E Ek1k1=-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV =-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV (3) (3)设用波长设用波长的光照射可使氢原子电离的光照射可使氢原子电离: : =0- =0-E E1 1 121212rmrev122rkeeV106 . 11053. 02)106 . 1 (10919102199hc 所以所以=-=- =0.914 1 =0.914 11010-7 -7 m m (4) (4)等效的环形电流等效的环形电流I I= = 由由

26、= =mrmr1 1( )( )2 2, ,可得可得T T=2=2 所以所以I I= = 代入数据解得代入数据解得I I=1.05=1.051010-3 -3 A A 答案答案 (1)13.6 eV (2)-27.2 eV(1)13.6 eV (2)-27.2 eV (3)0.914 1 (3)0.914 11010-7 -7 m m (4)1.05 (4)1.051010-3 -3 A Am19106 . 16 .131031063. 68341EhcTe212rkeT2231kemr3122mrkeTe2.2.原子结构的认识过程是非常曲折的原子结构的认识过程是非常曲折的, ,请回答下列问题

27、请回答下列问题. . (1) (1)核式结构和玻尔模型提出的背景分别是核式结构和玻尔模型提出的背景分别是 (2) (2)在原子物理中在原子物理中, ,粒子间经常发生碰撞粒子间经常发生碰撞, ,一速度为一速度为v v0 0的粒的粒子子, ,与静止的氢核发生完全非弹性碰撞后与静止的氢核发生完全非弹性碰撞后, ,它们的共同速度为它们的共同速度为v vH H, ,如果这个粒子仍以速度如果这个粒子仍以速度v v0 0与静止的碳核发生弹性碰撞与静止的碳核发生弹性碰撞, ,碰碰后碳核的速度为后碳核的速度为v vC C, ,现在测得现在测得 , ,已知碳核质量为已知碳核质量为m mC C与与氢核质量氢核质量m

28、 mH H之比为之比为12,12,求粒子质量与氢核质量之比求粒子质量与氢核质量之比. .134HCvv 解析解析 (2)(2)粒子与氢核发生完全非弹性碰撞后粒子与氢核发生完全非弹性碰撞后, , 由动量守恒有由动量守恒有 mxmxv v0 0=(=(m mx x+ +m mH H) )v vH H v vH H= = 粒子与碳核发生完全弹性碰撞后粒子与碳核发生完全弹性碰撞后, ,由动量和能量由动量和能量 守恒有守恒有 m mx xv v0 0= =m mx xv v+ +m mC Cv vC C, , 由以上两式得由以上两式得v vC C= =H0mmmxxv22222CC20vvvmmmxxC

29、02mmmxxv 由由两式和题设条件有两式和题设条件有 将将m mC C=12=12m mH H代入代入式后得式后得m mx xm mH H=11.=11. 答案答案 (1)(1)汤姆孙的汤姆孙的“枣糕模型枣糕模型”无法解释无法解释 粒子散射实验粒子散射实验. .卢瑟福的核式结构无法解释原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子的稳定性和原子光谱的分立特征. . (2)11 (2)11134)(2CHHCmmmmxxvv3.3.原子可以从原子间的碰撞中获得能量原子可以从原子间的碰撞中获得能量, ,从而发生从而发生 能级跃迁能级跃迁( (在碰撞中在碰撞中, ,动能损失最大的是

30、完全非动能损失最大的是完全非 弹性碰撞弹性碰撞).).一个具有一个具有13.6 eV13.6 eV动能、处于基态的动能、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 发生对心正碰发生对心正碰. . (1) (1)是否可以使基态氢原子是否可以使基态氢原子 发生能级跃迁发生能级跃迁( (氢原子能级氢原子能级 如图如图4 4所示所示)?)? (2) (2)若上述碰撞中可以使基态氢原子发生电离若上述碰撞中可以使基态氢原子发生电离, , 则氢原子的初动能至少为多少则氢原子的初动能至少为多少? ?图图4 解析解析 (1)(1)设运动氢原子的速度为设运动氢原子

31、的速度为v v0 0, ,完全非弹完全非弹 性碰撞后两者的速度为性碰撞后两者的速度为v v, ,损失的动能损失的动能E E被基态被基态 氢原子吸收氢原子吸收. . 若若E E=10.2 eV,=10.2 eV,则基态氢原子可由则基态氢原子可由n=1n=1跃迁到跃迁到 n n=2.=2. 由动量守恒和能量守恒由动量守恒和能量守恒: : m mv v0 0=2=2m mv v 解解得得,E E= = m mv v0 02 2=6.8 eV=6.8 eVEmmm2220212121vvveV6 .1321k20 Emv2121 因为因为E E=6.8 eV10.2 eV.=6.8 eV10.2 eV. 所以不能使基态氢原子发生跃迁所以不能使基态氢原子发生跃迁. . (2) (2)若使基态氢原子电离若使基态氢原子电离, ,则则E E=13.6 eV,=13.6 eV,代入代入 得得E Ek k=27.2 eV.=27.2 eV. 答案答案 (1)(1)不能不能 (2)27.2 eV(2)27.2 eV4.4.氢原子处于基态时氢原子处于基态时, ,原子能级原子能级E E1 1=-13.6 eV,=-13.6 eV,普朗普朗 克常量克常量h h=6.63=6.631010-34 -34 Js,Js,现用光子