原子结构与氢原子光谱专题复习教学课件人教课标版

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.阴极射线电子第1页，共39页。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

2、核外绕核旋转.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.库仑力第2页，共39页。三、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第3页，共39页。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

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=0.5310-10 m.3.氢原子的能级图,如图1所示.图1第4页，共39页。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

4、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,故称电子云.量子化量子第5页，共39页。热点聚焦热点一 三个原子模型的对比实验基础结构差异成功和局限“枣糕”模型电子的发现带正电物质均匀分布在原子内,电子镶嵌其中解释了一些实验事实,无法说明粒子散射实验核式结构模型粒子散射实验全部正电荷和几乎全部质量集中在核里,电子绕核旋转成功解释了粒子散射实验,无法解释原子的稳定性与原子光谱的分立特征玻尔的原子模型氢原子光谱的研究在核式结构模型基础上,引入量子化观点成功解释了氢原子光谱,无

5、法解释较复杂的原子光谱第6页，共39页。 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.氢原子光谱的研究粒子散射实验第7页，共39页。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.第8页，共39页。3.原子吸收能量的原则是吸

6、收的能量恰好等于某 两个能级之差,或者是吸收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.第9页，共39页。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

7、= , 是一群氢原子,而不是一个,因为某一个氢原子 有固定的跃迁路径.第10页，共39页。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=第11页，共39页。 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.第12页，共39页。题型探究题型1 粒子散射实验的理解【例1】

8、(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 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”理论第13页，共39页。 (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:

9、 (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.第14页，共39页。 解析 (1)由于卢瑟福设计的粒子散射实验是 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)

10、说明原子内带正电荷部分在 整个原子中占的空间非常小.第15页，共39页。 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 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.第16页，共39页。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

11、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第17页，共39页。 斥力大部分互相抵消,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

12、项D错误.综上可知,选项A正确. 答案 A第18页，共39页。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,所放出光子波长最 长?波长是多少?图2第19页，共39页。思维导图第20页，共39页。 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第21页，共39页。方法归纳 1.量子数为n的氢原子辐射光子的可能

13、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.第22页，共39页。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第23页，共39页。 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

14、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 见解析图第24页，共39页。 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)第25页，共39页。 解析 (1)设处于基态的氢原子核外电子速度为 v1,则: k 所以电子动能Ek1= = (2)因为E1=Ek1+Ep1 所以E

15、p1=E1-Ek1=-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV (3)设用波长的光照射可使氢原子电离: =0-E1 第26页，共39页。 所以=- =0.914 110-7 m (4)等效的环形电流I= 由 =mr1( )2,可得T=2 所以I= 代入数据解得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页，共39页。1.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

16、在这几个能量范围的能级图.作图时注意, 表示能级的横线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.素能提升第28页，共39页。 根据以上能级差所作能级图如下图所示. 答案 见解析图第29页，共39页。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

17、,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.第30页，共39页。 解析 (2)粒子与氢核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=第31页，共39页。 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

18、特征. (2)11第32页，共39页。3.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4所示)? (2)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?图4第33页，共39页。 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:

19、 mv0=2mv 解得,E= mv02=6.8 eV第34页，共39页。 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第35页，共39页。4.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)

20、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第36页，共39页。 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 e

21、V. (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第37页，共39页。反思总结返回 第38页，共39页。1、聪明的人有长的耳朵和短的舌头。 弗莱格 2、重复是学习之母。 狄慈根 3、当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 利希顿堡 4、人天天都学到一点东西，而往往所学到的是发现昨日学到的是错的。 B.V 5、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。 洛 克 6、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。 阿卜日法拉兹 7、学习是劳动，是充满思想的劳动。 乌申斯基 8、聪明出于勤奋，天才在于积累 华罗庚