资源描述
第1讲 原子结构,知识梳理 一、卢瑟福核式结构学说,1.粒子散射现象 绝大多数粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进,少数粒子发生了较 大角度的偏转,并且有 极少数 粒子偏转角超过了90,有的甚至 被“撞了回来”,偏转角几乎达到180。,2.原子的核式结构 卢瑟福对粒子散射实验结果进行了分析,于1911年提出了原子的 核式结构 学说: 在原子的中心有一个 很小的核 ,叫做原子核,原子的 全部 正电荷和 几乎所有 的质量都集中在原子核里,带负电的电子在核 外空间绕核旋转。,1.玻尔假说的内容 (1)轨道量子化:原子核外电子的可能轨道是某些 分立 的数值。 (2)能量状态量子化:原子只能处于与轨道量子化对应的 不连续 的能量状态中,在这些状态中,原子是 稳定 的,不辐射能量。 (3)跃迁假说:原子从一个能级向另一个能级跃迁时,吸收(或辐射)一定 频率的光子,光子能量E= h = Em-En 。,2.氢原子能级 (1)能级:原子在各个定态时的 能量值 称为原子的能级。 (2)氢原子的能级公式和轨道半径公式: En= E1,E1=-13.6 eV rn= n2 r1,r1=0.53 (3)基态:在正常状态下,原子处于 最低能级 ,这时电子在离核最近 的轨道上运动的定态称为基态。 (4)激发态:原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级,这时电子在离核 较远 的轨道上运动的定态称为激发态。,3.光子的发射与接收 原子从一种定态(能量为E初)跃迁到另一种定态(能量为E终)时,它辐射或 吸收一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的 能级差 决定, 即h=|E初-E终|。 若E初E终,则 辐射 光子;若E初E终,则 吸收 光子。,1.卢瑟福提出了原子的核式结构模型,这一模型建立的基础是 ( ) A.对阴极射线的研究 B.天然放射现象的发现 C.粒子散射实验 D.氢原子光谱的发现,答案 C 卢瑟福提出原子的核式结构模型的基础是粒子散射实验。,C,2.如图所示为玻尔理论中氢原子能级图。当氢原子从n=4的激发态向 较低能级跃迁时,放出光子的能量可能是 ( ),B,A.13.6 eV B.10.2 eV C.3.4 eV D.1.51 eV,答案 B 原子能级跃迁的时候放出的光子能量只能等于相应两能级 差。,3.按照玻尔理论,大量氢原子从n=3的激发态向低能级跃迁时,最多能向 外辐射 ( ) A.2种不同频率的光子 B.3种不同频率的光子 C.4种不同频率的光子 D.5种不同频率的光子,答案 B 由n=3能级向n=2能级跃迁放出一种频率的光子,由n=3能级 向n=1能级跃迁放出一种频率的光子,由n=2能级向n=1能级跃迁放出一 种频率的光子,共三种,B正确。,B,4.根据玻尔理论,氢原子的电子由n=2轨道跃迁到n=1轨道 ( ) A.原子的能量减少,电子的动能增加 B.原子的能量增加,电子的动能减少 C.原子要放出一系列频率不同的光子 D.原子要吸收某一频率的光子,A,答案 A 根据玻尔理论,氢原子的电子从n=2轨道跃迁到n=1轨道时要 放出一种特定频率的光子,故原子的能量减少,但电子在跃迁过程中,静 电力对其做正功,故电子的动能增加,故A正确。,深化拓展,考点一 原子结构的探究粒子 散射实验结论分析,考点二 氢原子能级跃迁的确定,考点三 应用玻尔理论综合分析氢原子 的能级、轨道和光谱问题,深化拓展 考点一 原子结构的探究粒子散射实验结论分析 1.原子中有电子,但电子质量很小,不及粒子质量的七千分之一,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改 变。粒子散射现象表明,原子内部非常空旷,带正电的部分体积很小,但 集中了几乎全部质量,当粒子接近原子核时,就会受到很大的库仑斥力, 发生较大角度的偏转,由于原子核体积小,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。,2.卢瑟福核式结构内容 原子,1-1 如图所示为卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验的装置示意图, 荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C三个位置时,关于观察到 的现象,下列说法中正确的是 ( ) A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多 B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数最少 C.相同时间内放在C位置时观察到屏上的闪光次数最少 D.放在C位置时观察不到屏上有闪光,答案 A 由粒子散射实验的结果可知A正确,B、C、D均错。,A,1-2 卢瑟福利用粒子轰击金箔的实验研究原子结构,正确反映实验结 果的示意图是 ( ),答案 D 粒子轰击金箔时,越靠近金原子核,偏转的角度越大,所 以A、B、C错误,D正确。,D,考点二 氢原子能级跃迁的确定 1.氢原子的能级图如图所示,2.氢原子的能级和轨道半径 氢原子的能级公式:En= E1 (n=1,2,3,),其中E1为基态能量,其数值为 E1=-13.6 eV。 氢原子的轨道半径公式:rn=n2r1 (n=1,2,3,),其中r1为基态半径,又称玻 尔半径,其数值为r1=0.5310-10 m。,3.能级跃迁的规律 (1)定态间的跃迁满足能级差:h=Em-En(mn)。 (2)电离与电离能 电离态:n=,E=0。 电离能:使电子电离所需吸收的最小能量,如: 基态电离态:E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV n=2电离态:E吸=0-E2=3.4 eV 如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还有动能。 (3)跃迁时电子动能、原子电势能与总能量变化:当轨道半径减小时,库 仑引力做正功,原子电势能减小,电子动能增大,原子总能量减小,反之,轨 道半径增大时,原子电势能增大,电子动能减小,原子总能量增大。,【情景素材教师备用】,2-1 已知氢原子的基态能量为E1,激发态能量En=E1/n2,其中n=2,3,。 用h表示普朗克常量,c表示真空中的光速。能使氢原子从第一激发态电 离的光子的最大波长为 ( ) A.- B.- C.- D.-,答案 C 处于第一激发态时n=2,故其能量E2= ,电离时释放的能量 E=0-E2=- ,而光子能量E= ,则解得=- ,故C正确,A、B、D均 错。,C,2-2 已知氦离子(He+)的能级图如图所示,根据能级跃迁理论可知 ( ) A.氦离子(He+)从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级 辐射出光子的频率低 B.大量处在n=3能级的氦离子(He+)向低能级跃迁,只能发出2种不同频 率的光子,C.氦离子(He+)处于n=1能级时,能吸收45 eV的能量跃迁到n=2能级 D.氦离子(He+)从n=4能级跃迁到n=3能级,需要吸收能量,A,答案 A 氦离子由高能级向低能级跃迁,辐射光子的能量等于两能级 的能量差,对应光子频率满足:h=En-Em(nm),A正确。大量处于 n=3 能 级的氦离子向低能级跃迁,能发出3种不同频率的光子,B错误。离子只 能吸收能量等于能级差的光子才能跃迁到高能级,C错误。离子从高能 级跃迁到低能级,以光子的形式辐射能量,D错误。,考点三 应用玻尔理论综合分析氢原子的能级、轨道和光谱问题 一、应用玻尔理论分析氢原子的能级、轨道的方法 玻尔理论的成功之处在于引入了量子化的概念,但因保留了经典的原子 轨道,故有关氢原子的计算仍应用经典物理的理论。对电子绕核运动的 轨道半径、速度、周期、动能、电势能等的计算,是牛顿运动定律、库 仑定律、匀速圆周运动等知识的综合应用。 氢原子各定态的能量值为电子绕核运动的动能Ek和电势能Ep的代数和; 当取无穷远处电势能为零时,各定态的电势能均为负值。 某定态时,核外电子的动能Ek总是等于该定态总能量的绝对值,原子系 统的电势能Ep总是等于该定态总能量值的两倍。运用这一数值关系可 以巧妙地进行几种能量变化分析。,规定无穷远处原子系统的电势能为零,则原子各能级的能量为负值,即 E1=-13.6 eV,r1=0.5310-10 m。 En= ,rn=n2r1,随电子轨道半径的增大,能量增大。 另外由经典理论 =m 知,其动能 Ekn= mv2= = 即Ekn= ,随n的增大,电子的动能减小。 其电势能Epn=En-Ekn= ,随n的增大,原子的电势能增大。,3-1 一个氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级,该氢原子 ( ) A.放出光子,能量增加 B.放出光子,能量减少 C.吸收光子,能量增加 D.吸收光子,能量减少,答案 B 根据玻尔原子理论知,氢原子从高能级n=3向低能级n=2跃迁 时,将以光子形式放出能量,放出光子后原子能量减少,故B选项正确。,B,3-2 (2017北京海淀一模,24,20分)微观世界与宏观世界往往存在奇妙 的相似性。对于氢原子模型,因为原子核的质量远大于电子的质量,可 以忽略原子核的运动,形成类似天文学中的恒星行星系统,记为模型 。另一种模型认为氢原子的核外电子并非绕核旋转,而是类似天文学 中的双星系统,核外电子和原子核依靠库仑力作用使它们同时绕彼此连 线上某一点做匀速圆周运动,记为模型。已知核外电子的质量为m,氢 原子核的质量为M,二者相距为r,静电力常量为k,电子和氢原子核的电 荷量大小均为e。 模型、中系统的总动能分别用Ek、Ek表示,请推理分析,比较 Ek、Ek的大小关系; 模型、中核外电子做匀速圆周运动的周期分别用T、T表示,通常情况下氢原子的研究采用模型的方案,请从周期的角度分析这样 简化处理的合理性。,答案 见解析 解析 模型中,设电子的速度为v,对于电子绕核的运动,根据库仑 定律和牛顿第二定律有 = (1分) 解得:Ek= mv2= (2分) 模型中,设电子和原子核的速度分别为v1、v2,电子的轨道半径为r1,原 子核的轨道半径为r2。根据库仑定律和牛顿第二定律 对电子有: = ,解得Ek1= m = r1 对原子核有: = ,解得Ek2= M = r2,系统的总动能:Ek=Ek1+Ek2= (r1+r2)= 即在这两种模型中,系统的总动能相等。 模型中,根据库仑定律和牛顿第二定律有 =m r,解得 = 模型中,电子和原子核的周期相同,均为T 根据库仑定律和牛顿第二定律 对电子有: =m r1,解得:r1= 对原子核有: =M r2,解得:r2= 因r1+r2=r,将以上两式代入,可解得: =,所以有: = 因为Mm,可得TT,所以采用模型更简单方便。,1.一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射的光谱线条数 N= (或几种光子的能量)。,二、氢原子光谱问题分析方法,2.一个原子在一次跃迁时只发出(或吸收)一个光子。,3-3 氢原子部分能级的示意图如图所示。不同色光的光子能量如表 所示。,处于某激发态的氢原子,发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条, 其颜色分别为 ( ) A.红、蓝-靛 B.黄、绿 C.红、紫 D.蓝-靛、紫,答案 A 原子发光时光子的能量等于原子能级差,先分别计算各相邻 的能级差,再由小到大排序。结合可见光的光子能量图可知,有两个能 量分别为1.89 eV和2.55 eV的光子属于可见光,并且属于红光和蓝-靛光 的范围,故答案为A。,A,3-4 1885年瑞士的中学教师巴耳末发现,氢原子光谱中可见光部分的 四条谱线的波长可归纳成一个简单的经验公式: =R( - ),n为大于2 的整数,R为里德伯常量。1913年,丹麦物理学家玻尔受到巴耳末公式的 启发,同时还吸取了普朗克的量子假说、爱因斯坦的光子假说和卢瑟福 的核式结构原子模型,提出了自己的原子理论。根据玻尔理论,推导出 了氢原子光谱谱线的波长公式: =R( - ),m与n都是正整数,且nm。 当m取定一个数值时,不同数值的n得出的谱线属于同一个线系。如: m=1,n=2、3、4、组成的线系叫赖曼系; m=2,n=3、4、5、组成的线系叫巴耳末系; m=3,n=4、5、6、组成的线系叫帕邢系;,m=4,n=5、6、7、组成的线系叫布喇开系; m=5,n=6、7、8、组成的线系叫逢德系。 以上线系只有一个在紫外光区,这个线系是 ( ) A.赖曼系 B.帕邢系 C.布喇开系 D.逢德系,答案 A 与可见光相比,紫外线的频率高,能量高,即题目列出的线系 中能量最高的即为紫外光区。而根据= ,知波长最短的在紫外光区。 根据 =R( - ),可知 - 最大的波长最短、频率最高、能量最大, 即在紫外光区。根据已知条件可得赖曼系的能量最高,在紫外光区。选 项A对,B、C、D错。,A,
展开阅读全文