第四节-原子的能级结构

第四节,原子的能级结构,经典理论的困难,卢瑟福的原子核式结构模型,与,经典电磁理论,的矛盾,核外电子绕核运动,辐射电磁波，能量变少,电子轨道半径连续变小，最后会栽在原子核上,原子不稳定,辐射电磁波频率连续变化,事实上,：,原子是稳定的，,电子总是绕着原子核运动,原子光谱是线状谱,玻尔理论的基本假设,现象：,氢原子光谱是分立,(,线状,),的，原子是稳定的,.,设想：,原子内部的能量也是不连续的,。,1913,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，提出假设：,定态假设,：,原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些具有确定能量状态的原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫,定态,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续的。,(1),处于高能级的原子会自发,地向低能级跃迁，并且在,这个过程中辐射光子 。,(2),反之，原子吸收了特定频,率的光子或者通过其他途,径获得能量时便可以从低,能级向高能级跃迁。,h,v,E,m,E,m,h,v,E,m,E,n,跃迁假设,:,从一个定态到另一个定态,总结：能级结构猜想,能级：,原子内部不连续的能量状态所具有的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。,跃迁：,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,(,或吸收,),光子的能量为,:,hv= E,m,-,E,n,辐射条件,E,m,和,E,n,分别为跃迁前后的能级,能级的计算,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，只能取一些定值，也就是说氢原子的能量是量子化的,因此,n,也被称为,能量量子数,。,n=1,2,3,4,，,n,取正整数,注意：,原子的能量一般指电势能与动能之和,即：,E,n,=(E,P,+E,K,),0,电子吸收到的能量恰好等于当时能量的绝,对值时,电子恰好被电离。恰好电离后,E,n,=0,、,E,P,=0,、,E,K,=0,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,E,0,、,E,P,=0,、,E,K,0,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（可能全吸收或全不吸收）,电子与其它粒子碰撞时吸收能量（全吸收或部分吸收）,（,1,） 动能跟,n,的关系,由,得,（,2,）电势能跟,n,的关系,对氢原子的任何能级而言,电势能的绝对值等于,电子动能值的,2,倍,因此电子绕核运动的动能恰好,等于,n=1,的能级绝对值,.,（,3,）能级能量与,n,的关系,一、氢原子的能级,基态：,在正常状态下，氢原子处于最低的能级,E,1,(,n,=1),这个最低能级对应的定态称为基态,。,激发态：,当电子受到外界激发时，可从基态跃迁到较,高的能级,E,2,，,E,3,上，这些能级对应的定态,称为激发态,。,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。,电子轨道,能级,基态,n=1,E,1,激发态,E,2,n=2,E,3,n=3,E,4,n=4,n,以无穷远处为参考位置,10 .2eV,12 .1eV,12 .8eV,吸,收,能,量,放,出,能,量,氢原子能级结构,E,n,-3.4eV,-1.51eV,-0.85eV,-0.54eV,0 eV,-13.6eV,赖曼系,普丰德系,布喇开系,帕邢系,巴耳末,高能级,低能级,可见光,光谱分析：主要是用线状谱,氢原子的光谱的巴尔末系,可见光大约范围：,380nm780nm,光谱分析,氢原子的能级计算,:,氢原子的轨道关系,:,在各轨道上对应的能级,(,包括电子的动能和,电势能的总和,),氢原子的能级,从 可算出：,以无穷远处作为零电势参考位置,n=1,2,3,4,，,n,取正整数,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。,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,守经典力学的质点，同时，又赋予它们量子化的特征。,二、能级与光谱项之间的关系,知识回顾：,1885,年,巴耳末对当时已知的,在,可见光区,的,4,条谱线作了分析,发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：,在跃迁的过程中，原子辐射,(,或吸收,),光子的能量为,:,hv= E,m,-,E,n,辐射条件,E,m,和,E,n,分别为跃迁前后的能级,公式可写成：,其中,T,（,m,）和,T,（,n,）,称为光谱项,能级与光谱项之间的关系,能级的计算,n=1,2,3,4,，,n,取正整数,根据,辐射条件,：,hv= E,m,-,E,n,课堂练习,1.,下面关于玻尔理论的解释中,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，并且这些轨道是不连续的。,AD,三原子跃迁的几个问题,1,能量变化问题,例,.,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,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,，一个氢原子处于量子数,n,为的激发态时，最多可能辐射出的光谱线条数为,。,2,原子跃迁时释放光子的频率种数问题,三、 几个需要注意的问题,课堂练习,导与练,P78 7,、,3,、,4,、,11,4.,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，所以只要入射粒子的动能,原子某两定态能之差，也可使原子受激发而向高能态跃迁。导练,P78,10,5,跃迁与概率的综合问题,例,.,（,2004,全国理综）现有,1200,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（,n-1,）。（ ）,A,、,2200 B,、,2000,C,、,1200 D,、,2400,A,大于或等于,