高中物理 第3章 第3、4节 氢原子光谱 原子的能级结构课件 粤教版选修3-5.ppt

第三节氢原子光谱第四节原子的能级结构 第三章原子结构之谜 栏目链接 学习目标 1 了解光谱的定义和分类 2 知道光谱分析的概念和特点 3 认识氢原子光谱 知道氢原子光谱的实验规律 4 知道玻尔原子理论基本假设的主要内容 5 了解能级 跃迁 能量量子化以及基态 激发态等概念 6 能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型 栏目链接 氢原子光谱 可用于光谱分析的有哪几种光谱 提示 可用于光谱分析的有明线光谱和吸收光谱 1 原子光谱 1 概念 原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱 这种光谱被称之为原子光谱 栏目链接 2 规律 每种原子都有自己特定的原子光谱 不同的原子 其原子光谱不同 因而 原子光谱被称为原子的 指纹 3 应用 可以通过对光谱的分析鉴别不同的原子 确定物体的化学组成并发现新元素 2 氢原子的光谱 1 巴耳末系 从氢气放电管可以获得氢原子的光谱 如图所示 在可见光区域内 氢原子光谱有四条谱线 它们分别用符号H H H 和H 表示 栏目链接 1885年 巴耳末发现这四条光谱的波长可以用一个很简单的数学公式表示 这个公式叫巴耳末公式 氢原子光谱在可见光区域和紫外区的14条谱线满足巴耳末公式R称为里德伯常量 实验测得R 1 097 巴耳末公式说明氢原子光谱的波长只能取分立值 不能取连续值 人们把一系列符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系 2 其他公式 氢原子光谱在红外区和紫外光区的其他谱线满足与巴耳末公式类似的其他公式 如莱曼系在紫外区 公式为n 2 3 4 栏目链接 3 广义巴耳末公式 氢原子光谱的所有谱线满足广义巴耳末公式式中的m和n均为正整数 且n m 3 注意 1 在氢原子光谱图中的可见光区内 随着波长的逐渐减小 相邻谱线间的距离越来越小 表现出明显的规律性 2 巴耳末线系中的n值越大 对应的波长 越短 3 巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的 但它适用于整个巴耳末线系 该线系包括可见光和紫外光 栏目链接 太阳的光谱中有许多暗线 它们对应着某些元素的特征谱线 产生这些暗线是由于 A 太阳表面大气层中缺少相应的元素B 太阳内部缺少相应的元素C 太阳表面大气层中存在着相应的元素D 太阳内部存在着相应的元素解析 太阳光谱中的暗线是由于太阳内部发出的强光经过温度较低的太阳大气层时产生的 表明太阳大气层中含有与这些特征谱线相应的元素 答案 C 栏目链接 方法总结 太阳光谱是吸收光谱 不是连续的 通过太阳光谱中的暗线与发射光谱的明线相对应 可确定太阳大气的组成 课堂训练1 利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分 关于光谱分析 下列说法中正确的是 B A 利用高温物体的连续谱就可以鉴别其组成成分B 利用物质的线状谱就可鉴别其组成成分C 高温物体发出的光通过某物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分D 我们观察月亮射来的光谱 可以确定月亮的化学组成 栏目链接 解析 由于高温物体的光谱包括了各种频率的光 与其组成成分无关 故A错误 某种物质发光的线状谱中的明线是与某种原子发出的某频率的光有关 通过这些亮线与原子的特征谱线对照 即可确定物质的组成成分 B正确 高温物体发出的光通过物质后某些频率的光被吸收而形成暗线 这些暗线与所经物质有关 与高温物体无关 C错误 月亮反射到地面的光是太阳光谱 D项错误 原子的能级结构 按照经典理论 核外电子在库仑引力作用下绕原子核做圆周运动 我们知道 库仑引力和万有引力形式上有相似之处 电子绕原子核的运动与卫星绕地球的运动也一定有某些相似之处 那么若将卫星 地球模型缩小是否就可以变为电子 原子核模型呢 提示 不可以 在玻尔理论中 电子的轨道半径只可能是某些分立的值 而卫星的轨道半径可按需要任意取值 栏目链接 1 原子的能级结构猜想 1 原子的能量 电子绕原子核运动时具有动能 它与原子核之间具有相互作用 因此电子 原子核这个系统也具有势能 两者之和为原子的能量 2 原子的能级 由于氢原子光谱是分立的 因此我们猜想原子内部的能量也是不连续的 我们把原子内部不连续的能量称为原子的能级 2 氢原子的能级 1 玻尔的能级假设 氢原子能级满足 En n 1 2 3 式中R为里德伯常量 h为普朗克常量 c为光速 n为正整数 也叫能量量子数 2 基态 在正常状态下 氢原子处于最低的能级E1 n 1 这个最低能级状态称为基态 氢原子在基态的能量为 13 6eV 3 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 较高能级对应的状态称为激发态 栏目链接 4 氢原子的能级图 氢原子的能级图如图所示 栏目链接 3 注意 1 若使原子电离 外界必须对原子做功输入能量 使电子摆脱它与原子核之间的库仑力的束缚 所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高 我们把原子电离后的能量记为0 即选取电子离核无穷远处即电子和原子核间无作用力时氢原子的能量为零 则其他状态下的能量值均为负值 2 轨道与能量 对氢原子而言 核外的一个电子绕核运行时 若半径不同 则对应着的原子能量也不同 轨道半径越大 即n值越大 氢原子能量越高 栏目链接 在氢原子能级图中 横线间的距离越大 代表氢原子能级差越大 下列能级图中 能形象表示氢原子最低的四个能级是 解析 由氢原子能级图可知 量子数n越大 能级越密 所以C对 答案 C 课堂训练2 氢原子的基态能量为E1 如图所示 四个能级图正确代表氢原子能级的是 C 解析 由玻尔能级假设En E1可知 选项C对 原子的能级跃迁 为什么氢原子的定态能量为负值 氢原子由低能级跃迁到高能级的过程中动能如何变化 电势能Ep及轨道能量如何变化 提示 1 氢原子的定态能量包括两种能量 电子绕核运动的动能及电子 氢原子核系统的电势能 在研究电势能时我们通常取无穷远处作为零势能 设电子距核的半径为r 电子质量为m 由 可知电子的动能Ek 而电势能的表达式为Ep 两者之和即为轨道能量E Ek Ep 所以氢原子的定态能量为负 基态的半径为r1 0 053nm E1 13 6eV是其定态能量的最低值 1 原子的能级跃迁的概念 跃迁是指电子从一个能级变化到另一个能级的过程 而电子从某一轨道跃迁到另一轨道对应着原子就从一个能量状态 定态 跃迁到另一个能量状态 定态 2 能级跃迁的频率条件 1 处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁 并且在这过程中辐射光子 h Em En Em En分别为原子跃迁前后的能级 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 同样也遵循上面的规律 3 跃迁时电子动能 原子势能与原子能量的变化 1 当轨道半径减小时 库仑引力做正功 原子的电势能Ep减小 电子动能增大 由于辐射光子原子能量减小 2 轨道半径增大时 原子电势能增大 电子动能减小 原子能量增大 4 使原子能级跃迁的两种粒子 光子与实物粒子 1 原子若是吸收光子的能量而被激发 则光子的能量必须等于两能级的能量差 否则不被吸收 不存在激发到n能级时能量有余 而激发到n 1时能量不足 则可激发到n能级的问题 但当光子能量E 13 6eV 氢原子能够吸收光子使电子电离 且电子具有动能 2 原子还可吸收外来实物粒子 例如自由电子 的能量而被激发 由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收 所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值 E En Ek 均可使原子发生能级跃迁 5 原子跃迁时需注意的几个问题 1 注意一群原子和一个原子 氢原子核外只有一个电子 这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上 在某段时间内 由某一轨道跃迁到另一个轨道时 可能的情况只有一种 但是如果容器中盛有大量的氢原子 这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现 2 注意直接跃迁与间接跃迁 原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时 有时可能是直接跃迁 有时可能是间接跃迁 两种情况的辐射 或吸收 光子的频率数不同 3 注意跃迁与电离的区别 跃迁是指核外电子从一个能量轨道变化到另一个能量轨道 而电离则是核外电子脱离原子核的束缚成为自由电子 如图所示 氢原子从n 2的某一能级跃迁到n 2的能级 辐射出能量为2 55eV的光子 至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 解析 氢原子从n 2的某一能级跃迁到n 2的能级 满足 h En E2 2 55eV En h E2 0 85eV 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 75eV的能量 跃迁图见下图 答案 12 75eV跃迁图见上图 方法总结 1 如果是一个氢原子 该氢原子的核外电子在某时刻只能处在某一个可能的轨道上 由这一轨道向另一轨道跃迁时只能有一种光 但可能发出的光条数为 n 1 种 2 如果是一群氢原子 该群氢原子的核外电子在某时刻有多种可能轨道 每一个跃迁时只能发出一种光 多种轨道同时存在 发光条数 3 若知道每条发光的能量或频率 可根据已知情况判定光线所在区域 课堂训练3 如图所示为氢原子的能级图 用光子能量为13 06eV的光照射一群处于基态的氢原子 可能观测到氢原子发射的不同波长的光有 B A 15种B 10种C 4种D 1种解析 处于基态的氢原子吸收入射光子的能量后由低能级向高能级跃迁 处于不稳定状态 然后由高能级向低能级跃迁 根据题意 E E5 E1 13 06eV 故共发射C 10种不同波长的光