玻尔理论的基本假设现象氢原子光谱是分立线状课件

第四节第四节原子的能级结构原子的能级结构第四节原子的能级结构1回顾回顾 19世纪末世纪末20世纪初，人类叩开了微观世界世纪初，人类叩开了微观世界的大门，物理学家根据研究提出了关于原子的大门，物理学家根据研究提出了关于原子结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型能结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释实验现象，得到了多数科学家够很好的解释实验现象，得到了多数科学家的肯定，但是与经典的电磁理论发生了矛盾的肯定，但是与经典的电磁理论发生了矛盾什么矛盾？回顾 19世纪末20世纪初，人类叩开了微观世2经典电磁理论经典电磁理论 经典电磁理论认为：电子绕核作匀速圆周运动经典电磁理论认为：电子绕核作匀速圆周运动,绕核运动的电子将不断向外辐射电磁波。由于原子绕核运动的电子将不断向外辐射电磁波。由于原子不断地向外辐射能量，能量不断地向外辐射能量，能量 逐渐减小，逐渐减小，电子绕核旋转的频电子绕核旋转的频 率也逐渐改变，原子的发射光率也逐渐改变，原子的发射光 谱应是连续谱谱应是连续谱。由于原子总能由于原子总能 量减小，电子将最终逐渐接近量减小，电子将最终逐渐接近 原子核，而使原子核，而使原子变得不稳定原子变得不稳定。+经典电磁理论 经典电磁理论认为：电子绕核作3经典电磁理论与现代物理学的矛盾经典电磁理论与现代物理学的矛盾 事实上：事实上：氢原子发射的光谱是不连续的光谱，而核氢原子发射的光谱是不连续的光谱，而核外的电子总是不停地绕核运动。外的电子总是不停地绕核运动。表明：表明：从宏观现象总结出来的经典电磁理论跟原从宏观现象总结出来的经典电磁理论跟原子微粒产生的微观现象出现了矛盾。子微粒产生的微观现象出现了矛盾。经典电磁理论与现代物理学的矛盾 事实上：4玻尔理论的基本假设玻尔理论的基本假设现象：现象：氢原子光谱是分立氢原子光谱是分立(线状线状)的，原子是稳定的的，原子是稳定的.设想：设想：原子内部的能量也是不连续的。原子内部的能量也是不连续的。F1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出假结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出假设：设：定态假设：定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运中，在这些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。这些状态叫动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态定态玻尔理论的基本假设现象：氢原子光谱是分立(线状)的，原子是稳5玻尔理论的基本假设玻尔理论的基本假设轨道能级化假设：轨道能级化假设：原子的不同能量状态跟电子沿原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。续的。跃迁假设跃迁假设:当原子从一个能量当原子从一个能量 为为En的定态跃迁到另一个能量的定态跃迁到另一个能量 为为Em的定态时，就要发射或吸的定态时，就要发射或吸 收一个频率为收一个频率为 m-n的光子的光子.E Emm E En n 发射光子，发射光子，发射光子，发射光子，E Emm E En n 吸收光子吸收光子吸收光子吸收光子玻尔理论的基本假设轨道能级化假设：原子的不同能量状态跟电子沿6能级结构猜想能级结构猜想能级：能级：原子内部不连续的能量称为原子的能级。原子内部不连续的能量称为原子的能级。数值上等于原子在定态时的能量值。数值上等于原子在定态时的能量值。跃迁：跃迁：原子从一个能级变化到另一个能级的过程。原子从一个能级变化到另一个能级的过程。在跃迁的过程中，原子辐射在跃迁的过程中，原子辐射(或吸收或吸收)光子的能光子的能量为量为:hv=Em-En Em和和En分别为跃迁前后的能级分别为跃迁前后的能级能级结构猜想能级：原子内部不连续的能量称为原子的能级。7(1)处于高能级的原子会自发处于高能级的原子会自发 地向低能级跃迁，并且在地向低能级跃迁，并且在 这个过程中辐射光子这个过程中辐射光子。(2)反之，原子吸收了特定频反之，原子吸收了特定频 率的光子或者通过其他途率的光子或者通过其他途 径获得能量时便可以从低径获得能量时便可以从低 能级向高能级跃迁。能级向高能级跃迁。hvEmEmhvEmEn(1)处于高能级的原子会自发hvEmEmhvEmEn8氢原子的能级氢原子的能级基态：基态：在正常状态下，氢原子处于最低的能级在正常状态下，氢原子处于最低的能级E1 (n=1),这个最低能级对应的定态称为基态。这个最低能级对应的定态称为基态。激发态：激发态：当电子受到外界激发时，可从基态跃迁到较当电子受到外界激发时，可从基态跃迁到较 高的能级高的能级E2，E3上，这些能级对应的定态上，这些能级对应的定态 称为激发态。称为激发态。处于激发态的原子是不稳定的，它会向较处于激发态的原子是不稳定的，它会向较低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子的形低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射，这就是氢原子发光的现象。原子辐射式向外辐射，这就是氢原子发光的现象。原子辐射出的光子的能量等于两能级间的能量差。出的光子的能量等于两能级间的能量差。氢原子的能级基态：在正常状态下，氢原子处于最低的能级E19w由由 知道，氢原子辐射光知道，氢原子辐射光谱的波长取决于两光谱项之差；而谱的波长取决于两光谱项之差；而hv=Em-En式则式则揭示出氢原子辐射光的频率取决于两能级之差。揭示出氢原子辐射光的频率取决于两能级之差。w w能级与光谱项之间的关系能级与光谱项之间的关系 最先得出氢原子能级表达式的，是丹麦物理学最先得出氢原子能级表达式的，是丹麦物理学家玻尔，他在吸取前人思想的基础上，通过大胆假家玻尔，他在吸取前人思想的基础上，通过大胆假设，推导出氢原子的能级满足：设，推导出氢原子的能级满足：式子表明，氢原子的能量是不连续的，只能取式子表明，氢原子的能量是不连续的，只能取一些定值，也就是说氢原子的能量是量子化的一些定值，也就是说氢原子的能量是量子化的,因因此此n也被称为也被称为能量量子数能量量子数。n取正整数取正整数由 知道，氢原10氢原子的能级氢原子的能级w从从 可算出：可算出：w所以，上式也可以写成：所以，上式也可以写成：w能级间的跃迁产生不连续的谱线，从不同能级跃迁能级间的跃迁产生不连续的谱线，从不同能级跃迁到某一特定能级就形成一个线系。到某一特定能级就形成一个线系。以无穷远处作为零电势参考位置以无穷远处作为零电势参考位置氢原子的能级从 可算出11电子轨道电子轨道能级能级基态基态激激发发态态电子轨道能级基态激发态12n 以无穷远处为参考位置以无穷远处为参考位置以无穷远处为参考位置以无穷远处为参考位置0eV10.2eV12.1eV12.8eV吸吸收收能能量量放放出出能能量量氢原子能级结构氢原子能级结构En-3.4eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0 eV-13.6eV赖曼系赖曼系普丰德系普丰德系布喇开系布喇开系帕邢系帕邢系巴耳末巴耳末高能级高能级低能级低能级n以无穷远处为参考位置0eV10.2eV12 13注意：注意：原子的能量一般指电势能与动能之和原子的能量一般指电势能与动能之和 即：即：En=(EP+EK)0电子吸收到的能量恰好等于当时能量的绝电子吸收到的能量恰好等于当时能量的绝对值时对值时,电子恰好被电离。恰好电离后电子恰好被电离。恰好电离后En=0、EP=0、EK=0电子吸收到的能量大于当时能量的绝对值时，电子吸收到的能量大于当时能量的绝对值时，电子被电离，电离后电子被电离，电离后E0、EP=0、EK0电子吸收能量的形式一般有两种电子吸收能量的形式一般有两种吸收合适频率光子的能量（可能全吸收吸收合适频率光子的能量（可能全吸收或全不吸收）或全不吸收）电子与其它粒子碰撞时吸收能量（全吸电子与其它粒子碰撞时吸收能量（全吸收或部分吸收）收或部分吸收）注意：电子吸收到的能量恰好等于当时能量的绝电子吸收到的能14 玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，但是也有它的局限性在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念同时又应用了“轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难半经典半量子理论，存在逻辑上的缺点，即把微观粒子看成是遵半经典半量子理论，存在逻辑上的缺点，即把微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又赋予它们量子化的特征。守经典力学的质点，同时，又赋予它们量子化的特征。玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波15 玻尔理论解决了原子的稳定性和辐射的频率条件问题，把原子结构的理论向前推进了一步 玻尔理论解决了原子的稳定性和辐射的频率条件问16课堂练习课堂练习1.下面关于玻尔理论的解释中下面关于玻尔理论的解释中,正确的说法是正确的说法是()A.原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量；对应一定的能量；B.原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变，就会向外辐射能量；量状态不改变，就会向外辐射能量；C.原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子；一定频率的光子；D.原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的。这些轨道是不连续的。AD课堂练习1.下面关于玻尔理论的解释中,正确的说法是(17课堂练习课堂练习2.处于基态的氢原子在某种单色光照射下，只能发处于基态的氢原子在某种单色光照射下，只能发出频率为出频率为v1、v2、v3的三种光，且的三种光，且v1v2v3,则照射则照射光的光子能量为光的光子能量为多少？多少？解：解：处于基态的原子要发光处于基态的原子要发光,必须先吸收一定的能量必须先吸收一定的能量E,使其处于激发态。由于激发态能量高使其处于激发态。由于激发态能量高,原子不原子不稳定稳定,就会向低能级跃迁就会向低能级跃迁,从而发出一系列频率的从而发出一系列频率的光子光子,但这些光子的频率决不会大于但这些光子的频率决不会大于v,且必有一种且必有一种频率等于频率等于v。由题意知由题意知,该氢原子受激后只能发出该氢原子受激后只能发出频率为频率为v1、v2、v3的三种光的三种光,且且v1v2v3,即最高频即最高频率是率是v3,那么照射光频率必是那么照射光频率必是v3,光子能量是光子能量是hv3。课堂练习2.处于基态的氢原子在某种单色光照射下，只能发出频18课堂练习课堂练习3.氢原子从氢原子从n=1的状态跃迁到的状态跃迁到n=4的状态，它所吸收的状态，它所吸收的光子的波长是多少？这是不是可见光？的光子的波长是多少？这是不是可见光？解：解：氢原子从氢原子从n=1的状态跃迁到的状态跃迁到n=4的状态时，它所的状态时，它所吸收的光子的能量为：吸收的光子的能量为：可见光的波长范围：可见光的波长范围：390nm780nm课堂练习3.氢原子从n=1的状态跃迁到n=4的状态，它所吸19 例例.一群氢原子处于量子数为一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为出的光谱线条数为 ，一个氢原子处于量子数，一个氢原子处于量子数n为的激发为的激发态时，最多可能辐射出的光谱线条数为态时，最多可能辐射出的光谱线条数为 。1 1原子跃迁时释放光子的频率种数问题原子跃迁时释放光子的频率种数问题2 2跃迁与电离的区别跃迁与电离的区别 光子和原子作用而使原子在定态之间跃迁时必须恰好满足光子和原子作用而使原子在定态之间跃迁时必须恰好满足 ，原子一旦电离，原子结构即被破坏，也就不再遵守有关原子，原子一旦电离，原子结构即被破坏，也就不再遵守有关原子结构理论，如基态氢原子的电离能为结构理论，如基态氢原子的电离能为 ，只要能量，只要能量 的光子都能使基态氢原子的电离，只不过入射光的能量越大，的光子都能使基态氢原子的电离，只不过入射光的能量越大，产生的光电子的动能越大。（例如产生的光电子的动能越大。（例如15ev的电磁波照射处于基态的电磁波照射处于基态的氢原子，则电子被电离且获得的氢原子，则电子被电离且获得 ev的动能。）的动能。）13.6ev大于或等于13.6ev1.4 例.一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可203.3.实物粒子和原子的碰撞问题实物粒子和原子的碰撞问题由于实物粒子的动能可部分或全部被原子吸收，所由于实物粒子的动能可部分或全部被原子吸收，所以只要入射粒子的动能以只要入射粒子的动能 原子某两定态能原子某两定态能之差，也可使原子受激发而向高能态跃迁。之差，也可使原子受激发而向高能态跃迁。4 4跃迁与概率的综合问题跃迁与概率的综合问题 例例.（2004全国理综）现有全国理综）现有1200个氢原子被激发到量子数为个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是多少？假设处在量子数为中发出的光子总数是多少？假设处在量子数为n的激发态的氢的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的（子总数的（n-1）。（）。（）A、2200 B、2000 C、1200 D、2400A大于或等于3.实物粒子和原子的碰撞问题由于实物粒子的动能可部分或全21四原子跃迁的几个问题四原子跃迁的几个问题 例例.原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子例如在某种条件下，铬原子的射光子例如在某种条件下，铬原子的n=2能级上的电子跃迁到能级上的电子跃迁到n=1能能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子，能级上的电子，使之能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子使之能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为的电子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为 式中式中n=1，2，3表示不同能级，表示不同能级，A是正的已知常数，上述俄歇电是正的已知常数，上述俄歇电子的动能是子的动能是 A3A/16 B7A/16 C11A/16 D13A/16 C5 5间接跃迁问题间接跃迁问题四原子跃迁的几个问题 例.原子从一个能级跃22四原子跃迁的几个问题四原子跃迁的几个问题6 6能量变化问题能量变化问题例例6.（2002北京）北京）氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能。氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时（）A、氢原子的能量减小，电子的动能增加B、氢原子的能量增加，电子的动能增加C、氢原子的能量减小，电子的动能减小D、氢原子的能量增加，电子的动能减小 A四原子跃迁的几个问题6能量变化问题例6.（2002北京23