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第三章 原子結(jié)構(gòu) 原子核 第1講 原子結(jié)構(gòu) 氫原子光譜,知識(shí)點(diǎn)1 氫原子光譜 Ⅰ 【思維激活1】(多選)如圖甲所示是a、b、c、d四種元素的線狀譜,圖乙是某礦物的線狀譜,通過光譜分析可以了解該礦物中缺乏的是( ) A.a元素 B.b元素 C.c元素 D.d元素,【解析】選B、D。將a、b、c、d四種元素的線狀譜與乙圖中對(duì)照,可知礦物中缺少b、d元素,故選B、D。,【知識(shí)梳理】 1.光譜： 用光柵或棱鏡可以把光按波長展開,獲得光的_____(頻率) 和強(qiáng)度分布的記錄,即光譜。 2.光譜分類： 有些光譜是一條條的_____,這樣的光譜叫作線狀譜。 有的光譜是連在一起的_____,這樣的光譜叫作連續(xù)譜。 3.光譜分析： 利用每種原子都有自己的_________可以用來鑒別物質(zhì)和確定 物質(zhì)的組成成分,且靈敏度很高。在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學(xué)元素上有 著重大的意義。,波長,亮線,光帶,特征譜線,知識(shí)點(diǎn)2 氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)公式 Ⅰ 【思維激活2】氫原子的基態(tài)能量為E1,如圖所示,四個(gè)能級(jí)圖能正確代表氫原子能級(jí)的是( ),【解析】選C。根據(jù)氫原子能級(jí)圖特點(diǎn)：上密下疏,再聯(lián)系各激 發(fā)態(tài)與基態(tài)能級(jí)間關(guān)系En= 故C正確。,【知識(shí)梳理】 1.玻爾理論： (1)定態(tài)：原子只能處于一系列_______的能量狀態(tài)中,在這些 能量狀態(tài)中原子是_____的,電子雖然繞核運(yùn)動(dòng),但并不向外輻 射能量。 (2)躍遷：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí),它輻射或吸 收一定頻率的光子,光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定, 即hν=_____。(h是普朗克常量,h=6.63×10-34J·s) (3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核 運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是_________,因此電子的可能軌道 也是_________。,不連續(xù),穩(wěn)定,Em-En,不連續(xù)的,不連續(xù)的,2.能級(jí)： 原子量子化的_______。 3.基態(tài)和激發(fā)態(tài)： 原子能量最低的狀態(tài)叫_____,其他能量較高的狀態(tài)叫 _______。,能量值,基態(tài),激發(fā)態(tài),4.氫原子的能級(jí)和軌道半徑： (1)氫原子的能級(jí)公式：En=______(n=1,2,3,…),其中E1為基 態(tài)能量,其數(shù)值為E1=________。 (2)氫原子的半徑公式：rn=____(n=1,2,3,…),其中r1為基態(tài) 半徑,又稱玻爾半徑,其數(shù)值為r1=0.53×10-10m。,-13.6eV,n2r1,5.氫原子的能級(jí)圖： 能級(jí)圖如圖所示。,【微點(diǎn)撥】 1.對(duì)玻爾理論的四點(diǎn)提醒： (1)電子繞核運(yùn)動(dòng)的半徑是不連續(xù)的; (2)電子躍遷輻射光子的頻率不等于電子繞核圓周運(yùn)動(dòng)的頻率; (3)實(shí)物粒子也能使原子發(fā)生能級(jí)躍遷; (4)一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的氫原子,輻射光譜線條數(shù)可能為1。一群處于激發(fā)態(tài)(n≥3)的氫原子,可能輻射出多條光譜線。,2.關(guān)于光譜的三個(gè)易混點(diǎn)： (1)太陽光譜是吸收光譜,不是連續(xù)光譜; (2)原子光譜是線狀光譜,不是連續(xù)光譜; (3)研究太陽光譜可了解太陽大氣層的成分,不能了解地球大氣層的成分。,考點(diǎn)1 氫原子能級(jí)圖及原子躍遷 1.能級(jí)圖中相關(guān)量意義的說明：,深化 理解,2.對(duì)原子躍遷條件hν=Em-En的說明： (1)原子躍遷條件hν=Em-En只適用于光子和原子作用而使原子在各定態(tài)之間躍遷的情況。 (2)當(dāng)光子能量大于或等于13.6eV時(shí),也可以被處于基態(tài)的氫原子吸收,使氫原子電離;當(dāng)處于基態(tài)的氫原子吸收的光子能量大于13.6eV時(shí),氫原子電離后,電子具有一定的初動(dòng)能。 (3)原子還可吸收外來實(shí)物粒子(例如自由電子)的能量而被激發(fā)。由于實(shí)物粒子的動(dòng)能可全部或部分被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于兩能級(jí)的能量差值(E=Em-En),均可使原子發(fā)生能級(jí)躍遷。,3.躍遷中兩個(gè)易混問題： (1)一群原子和一個(gè)原子：氫原子核外只有一個(gè)電子,這個(gè)電子在某個(gè)時(shí)刻只能處在某一個(gè)可能的軌道上,在某段時(shí)間內(nèi),由某一軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí),可能的情況只有一種,但是如果容器中盛有大量的氫原子,這些原子的核外電子躍遷時(shí)就會(huì)有各種情況出現(xiàn)了。 (2)直接躍遷與間接躍遷：原子從一種能量狀態(tài)躍遷到另一種能量狀態(tài)時(shí),有時(shí)可能是直接躍遷,有時(shí)可能是間接躍遷。兩種情況下輻射(或吸收)光子的能量是不同的。直接躍遷時(shí)輻射(或吸收)光子的能量等于間接躍遷時(shí)輻射(或吸收)的所有光子的能量和。,【題組通關(guān)方案】 【典題1】(2012·四川高考)如圖為氫原子能級(jí)示意圖的一部分,則氫原子( ),A.從n=4能級(jí)躍遷到n=3能級(jí)比從n=3能級(jí)躍遷到n=2能級(jí)輻射出電磁波的波長長 B.從n=5能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)比從n=5能級(jí)躍遷到n=4能級(jí)輻射出電磁波的速度大 C.處于不同能級(jí)時(shí),核外電子在各處出現(xiàn)的概率是一樣的 D.從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí),氫原子核一定向外放出能量,【典題解析】選A。由題圖可知E43λ32,A對(duì);若是在真空中,任何 電磁波的速度都是3.0×108m/s,B錯(cuò);處于不同能級(jí)時(shí),核外電 子出現(xiàn)的概率對(duì)應(yīng)不同的電子云,可知C錯(cuò);應(yīng)該是“氫原子” 向外放出能量,而非“氫原子核”,D錯(cuò)。,【典題2】如圖所示為氫原子最低的四個(gè)能級(jí)，當(dāng)氫原子在這些能級(jí)間躍遷時(shí)： (1)有可能放出多少種能量的光子? (2)在哪兩個(gè)能級(jí)間躍遷時(shí),所放出光子波長最長?最長波長是多少?,【典題解析】(1)N= 種=6種。 (2)氫原子由第4能級(jí)向第3能級(jí)躍遷時(shí),能量差最小,輻射的光子波長最長。 由hν=E4-E3得： =E4-E3 所以最長波長 ≈1.88×10-6m。 答案：(1)6種 (2)第4能級(jí)向第3能級(jí)躍遷 1.88×10-6m,,【加固訓(xùn)練】 1.如圖所示為氫原子的四個(gè)能級(jí),其中E1為 基態(tài),若氫原子A處于激發(fā)態(tài)E2,氫原子B處于 激發(fā)態(tài)E3,則下列說法正確的是( ) A.原子A可能輻射出3種頻率的光子 B.原子B可能輻射出3種頻率的光子 C.原子A能夠吸收原子B發(fā)出的光子并躍遷到能級(jí)E4 D.原子B能夠吸收原子A發(fā)出的光子并躍遷到能級(jí)E4,【解析】選B。原子A從激發(fā)態(tài)E2躍遷到E1,只能輻射出1種頻率的光子,A錯(cuò)。原子B從激發(fā)態(tài)E3躍遷到基態(tài)E1能輻射出3種頻率的光子,B對(duì)。由原子能級(jí)躍遷理論可知,原子A可能吸收原子B由E3躍遷到E2時(shí)放出的光子并躍遷到E3,但不能躍遷到E4,C錯(cuò)。A原子發(fā)出的光子能量ΔE=E2-E1大于E4-E3,故原子B吸收原子A發(fā)出的光子不可能躍遷到能級(jí)E4,D錯(cuò)。,2.(2012·山東高考)氫原子第n能級(jí)的能量為En= 其中E1為 基態(tài)能量。當(dāng)氫原子由第4能級(jí)躍遷到第2能級(jí)時(shí),發(fā)出光子的 頻率為ν1;若氫原子由第2能級(jí)躍遷到基態(tài),發(fā)出光子的頻率為 ν2,則 = 。 【解析】當(dāng)氫原子由第4能級(jí)躍遷到第2能級(jí)時(shí)：hν1=E4-E2, 當(dāng)氫原子由第2能級(jí)躍遷到基態(tài)時(shí)：hν2=E2-E1,而E4= E2= 聯(lián)立以上各式解得： 答案：,【學(xué)科素養(yǎng)升華】 解答氫原子能級(jí)圖與原子躍遷問題的注意事項(xiàng) (1)能級(jí)之間躍遷時(shí)放出的光子頻率是不連續(xù)的。 (2)能級(jí)之間發(fā)生躍遷時(shí)放出(吸收)光子的頻率由hν=Em-En求 得。若求波長可由公式c=λν求得。 (3)一個(gè)氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(n-1)。 (4)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法。 ①用數(shù)學(xué)中的組合知識(shí)求解： ②利用能級(jí)圖求解：在氫原子能級(jí)圖中將氫原子躍遷的各種 可能情況一一畫出,然后相加。,考點(diǎn)2 與能級(jí)有關(guān)的能量問題 1.原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷的能量情況：吸收一定能量的光子,當(dāng)一個(gè)光子的能量滿足hν=E末-E初時(shí),才能被某一個(gè)原子吸收,使原子從低能級(jí)E初向高能級(jí)E末躍遷,而當(dāng)光子能量hν大于或小于E末-E初時(shí)都不能被原子吸收。 2.原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的能量情況：以光子的形式向外輻射能量,所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時(shí)的兩能級(jí)間的能量差。 3.電離時(shí)的能量：當(dāng)光子能量大于或等于原子所處的能級(jí)絕對(duì)值時(shí),可以被氫原子吸收,使氫原子電離,多余的能量作為電子的初動(dòng)能。,拓展 延伸,4.氫原子躍遷時(shí)電子動(dòng)能、電勢(shì)能與原子能量的變化規(guī)律： (1)原子能量變化規(guī)律：En=Ekn+Epn= 隨n增大而增大,隨n的 減小而減小,其中E1=-13.6eV。 (2)電子動(dòng)能變化規(guī)律。 ①從公式上判斷電子繞氫原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)靜電力提供向心力, 即 所以Ekn= 隨r增大而減小。 ②從庫侖力做功上判斷,當(dāng)軌道半徑增大時(shí),庫侖引力做負(fù)功, 故電子動(dòng)能減小。反之,當(dāng)軌道半徑減小時(shí),庫侖引力做正功, 故電子的動(dòng)能增大。,(3)原子的電勢(shì)能的變化規(guī)律。 ①通過庫侖力做功判斷,當(dāng)軌道半徑增大時(shí),庫侖引力做負(fù)功,原子的電勢(shì)能增大。反之,當(dāng)軌道半徑減小時(shí),庫侖引力做正功,原子的電勢(shì)能減小。 ②利用原子能量公式En=Ekn+Epn判斷,當(dāng)軌道半徑增大時(shí),原子能量增大,電子動(dòng)能減小,故原子的電勢(shì)能增大。反之,當(dāng)軌道半徑減小時(shí),原子能量減小,電子動(dòng)能增大,故原子的電勢(shì)能減小。,【題組通關(guān)方案】 【典題3】(2014·蘇州模擬)若要使處于基態(tài)的氫原子電離,可以采用兩種方法,一是用能量為13.6eV的電子撞擊氫原子,二是用能量為13.6eV的光子照射氫原子,則( ) A.兩種方法都可能使氫原子電離 B.兩種方法都不可能使氫原子電離 C.前者可使氫原子電離 D.后者可使氫原子電離,【典題解析】選D。電子是有質(zhì)量的,撞擊氫原子時(shí)發(fā)生彈性碰撞。由于電子和氫原子質(zhì)量不同,故電子不能把13.6eV的能量完全傳遞給氫原子,因此不能使氫原子完全電離,而光子的能量可以完全被氫原子吸收,故D對(duì)。,【典題4】(1)(2011·江蘇高考)按照玻爾原子理論,氫原子中的電子離原子核越遠(yuǎn),氫原子的能量 (選填“越大”或“越小”)。已知?dú)湓拥幕鶓B(tài)能量為E1(E10),電子質(zhì)量為m,基態(tài)氫原子中的電子吸收一頻率為ν的光子被電離后,電子速度大小為 (普朗克常量為h)。 (2)氫原子在基態(tài)時(shí)軌道半徑r1=0.53×10-10m,能量E1=-13.6eV,求氫原子處于基態(tài)時(shí)： ①電子的動(dòng)能; ②原子的電勢(shì)能; ③用波長是多少的光照射可使其電離?,【典題解析】(1)氫原子中的電子離原子核越遠(yuǎn)，則量子數(shù)n越 大，由氫原子的能級(jí)公式En= (E10)可知?dú)湓拥哪芰吭酱蟆?由能量守恒得 mv2=hν+E1 可得v= (2)①設(shè)處于基態(tài)的氫原子核外電子速度為v1，則： 所以電子動(dòng)能,②因?yàn)镋1=Ek1 +Ep1, 所以Ep1=E1-Ek1=-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV。 ③設(shè)用波長為λ的光照射可使氫原子電離： =0-E1。 所以 =9.14×10-8 m。 答案：(1)越大 (2)①13.6 eV ②-27.2 eV ③9.14×10-8 m,【加固訓(xùn)練】 1.(2014·西安模擬)氫原子核外電子由離核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離核較近的軌道上時(shí)( ) A.要吸收光子,電子的動(dòng)能、電勢(shì)能都增加 B.要吸收光子,電子的動(dòng)能增加,電勢(shì)能減少 C.要放出光子,電子的動(dòng)能增加,電勢(shì)能減少 D.要放出光子,電子的動(dòng)能、電勢(shì)能都減少,【解析】選C。氫原子核外電子由離核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離核 較近的軌道上時(shí),原子的能量要減少,故應(yīng)以光子的形式向外 輻射能量。又因?yàn)殡娮拥膭?dòng)能與其運(yùn)動(dòng)軌道半徑的關(guān)系是 所以軌道半徑減小,電子的動(dòng)能增大。 電子從離核較遠(yuǎn)的軌道向離核較近的軌道上躍遷時(shí),氫原子核 對(duì)核外電子的庫侖引力做正功,所以電勢(shì)能減少。故正確選項(xiàng) 是C。,2.如圖所示,氫原子從n2的某一能級(jí)躍遷到n=2的 能級(jí),輻射出能量為2.55eV的光子。問： (1)最少要給基態(tài)的氫原子提供多少電子伏特的能 量,才能使它輻射出上述能量的光子? (2)請(qǐng)?jiān)趫D中畫出獲得該能量后的氫原子可能的輻 射躍遷圖。,【解析】(1)氫原子從n2的某一能級(jí)躍遷到n=2的能級(jí),輻射光子的頻率應(yīng)滿足 hν=En-E2=2.55eV En=hν+E2=-0.85eV,所以n=4 基態(tài)氫原子要躍遷到n=4的能級(jí),應(yīng)提供的能量： ΔE=E4-E1=12.75eV。,(2)輻射躍遷圖如圖所示。 答案：(1)12.75eV (2)見解析圖,【學(xué)科素養(yǎng)升華】 與能級(jí)有關(guān)的能量問題的解題步驟 (1)分析已知量,根據(jù)庫侖力提供核外電子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力列圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程。 (2)根據(jù)處于某定態(tài)原子的能量等于電子動(dòng)能與電子電勢(shì)能之和列方程,求電勢(shì)能。 (3)原子發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)能量與吸收或放出光子(或?qū)嵨锪Ｗ?的能量相等,可列方程求光子的頻率或相關(guān)物理量。,