高中物理 第3章 第3、4節(jié) 氫原子光譜 原子的能級結(jié)構(gòu)課件 粵教版選修3-5.ppt

第三節(jié)氫原子光譜第四節(jié)原子的能級結(jié)構(gòu) 第三章原子結(jié)構(gòu)之謎 欄目鏈接 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 了解光譜的定義和分類 2 知道光譜分析的概念和特點(diǎn) 3 認(rèn)識氫原子光譜 知道氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 4 知道玻爾原子理論基本假設(shè)的主要內(nèi)容 5 了解能級 躍遷 能量量子化以及基態(tài) 激發(fā)態(tài)等概念 6 能用玻爾原子理論簡單解釋氫原子模型 欄目鏈接 氫原子光譜 可用于光譜分析的有哪幾種光譜 提示 可用于光譜分析的有明線光譜和吸收光譜 1 原子光譜 1 概念 原子的氣體通電后可以發(fā)光并產(chǎn)生固定不變的光譜 這種光譜被稱之為原子光譜 欄目鏈接 2 規(guī)律 每種原子都有自己特定的原子光譜 不同的原子 其原子光譜不同 因而 原子光譜被稱為原子的 指紋 3 應(yīng)用 可以通過對光譜的分析鑒別不同的原子 確定物體的化學(xué)組成并發(fā)現(xiàn)新元素 2 氫原子的光譜 1 巴耳末系 從氫氣放電管可以獲得氫原子的光譜 如圖所示 在可見光區(qū)域內(nèi) 氫原子光譜有四條譜線 它們分別用符號H H H 和H 表示 欄目鏈接 1885年 巴耳末發(fā)現(xiàn)這四條光譜的波長可以用一個(gè)很簡單的數(shù)學(xué)公式表示 這個(gè)公式叫巴耳末公式 氫原子光譜在可見光區(qū)域和紫外區(qū)的14條譜線滿足巴耳末公式R稱為里德伯常量 實(shí)驗(yàn)測得R 1 097 巴耳末公式說明氫原子光譜的波長只能取分立值 不能取連續(xù)值 人們把一系列符合巴耳末公式的光譜線統(tǒng)稱為巴耳末系 2 其他公式 氫原子光譜在紅外區(qū)和紫外光區(qū)的其他譜線滿足與巴耳末公式類似的其他公式 如萊曼系在紫外區(qū) 公式為n 2 3 4 欄目鏈接 3 廣義巴耳末公式 氫原子光譜的所有譜線滿足廣義巴耳末公式式中的m和n均為正整數(shù) 且n m 3 注意 1 在氫原子光譜圖中的可見光區(qū)內(nèi) 隨著波長的逐漸減小 相鄰譜線間的距離越來越小 表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性 2 巴耳末線系中的n值越大 對應(yīng)的波長 越短 3 巴耳末公式是由當(dāng)時(shí)已知的可見光中的部分譜線總結(jié)出來的 但它適用于整個(gè)巴耳末線系 該線系包括可見光和紫外光 欄目鏈接 太陽的光譜中有許多暗線 它們對應(yīng)著某些元素的特征譜線 產(chǎn)生這些暗線是由于 A 太陽表面大氣層中缺少相應(yīng)的元素B 太陽內(nèi)部缺少相應(yīng)的元素C 太陽表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素D 太陽內(nèi)部存在著相應(yīng)的元素解析 太陽光譜中的暗線是由于太陽內(nèi)部發(fā)出的強(qiáng)光經(jīng)過溫度較低的太陽大氣層時(shí)產(chǎn)生的 表明太陽大氣層中含有與這些特征譜線相應(yīng)的元素 答案 C 欄目鏈接 方法總結(jié) 太陽光譜是吸收光譜 不是連續(xù)的 通過太陽光譜中的暗線與發(fā)射光譜的明線相對應(yīng) 可確定太陽大氣的組成 課堂訓(xùn)練1 利用光譜分析的方法能夠鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分 關(guān)于光譜分析 下列說法中正確的是 B A 利用高溫物體的連續(xù)譜就可以鑒別其組成成分B 利用物質(zhì)的線狀譜就可鑒別其組成成分C 高溫物體發(fā)出的光通過某物質(zhì)后的光譜上的暗線反映了高溫物體的組成成分D 我們觀察月亮射來的光譜 可以確定月亮的化學(xué)組成 欄目鏈接 解析 由于高溫物體的光譜包括了各種頻率的光 與其組成成分無關(guān) 故A錯(cuò)誤 某種物質(zhì)發(fā)光的線狀譜中的明線是與某種原子發(fā)出的某頻率的光有關(guān) 通過這些亮線與原子的特征譜線對照 即可確定物質(zhì)的組成成分 B正確 高溫物體發(fā)出的光通過物質(zhì)后某些頻率的光被吸收而形成暗線 這些暗線與所經(jīng)物質(zhì)有關(guān) 與高溫物體無關(guān) C錯(cuò)誤 月亮反射到地面的光是太陽光譜 D項(xiàng)錯(cuò)誤 原子的能級結(jié)構(gòu) 按照經(jīng)典理論 核外電子在庫侖引力作用下繞原子核做圓周運(yùn)動 我們知道 庫侖引力和萬有引力形式上有相似之處 電子繞原子核的運(yùn)動與衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動也一定有某些相似之處 那么若將衛(wèi)星 地球模型縮小是否就可以變?yōu)殡娮?原子核模型呢 提示 不可以 在玻爾理論中 電子的軌道半徑只可能是某些分立的值 而衛(wèi)星的軌道半徑可按需要任意取值 欄目鏈接 1 原子的能級結(jié)構(gòu)猜想 1 原子的能量 電子繞原子核運(yùn)動時(shí)具有動能 它與原子核之間具有相互作用 因此電子 原子核這個(gè)系統(tǒng)也具有勢能 兩者之和為原子的能量 2 原子的能級 由于氫原子光譜是分立的 因此我們猜想原子內(nèi)部的能量也是不連續(xù)的 我們把原子內(nèi)部不連續(xù)的能量稱為原子的能級 2 氫原子的能級 1 玻爾的能級假設(shè) 氫原子能級滿足 En n 1 2 3 式中R為里德伯常量 h為普朗克常量 c為光速 n為正整數(shù) 也叫能量量子數(shù) 2 基態(tài) 在正常狀態(tài)下 氫原子處于最低的能級E1 n 1 這個(gè)最低能級狀態(tài)稱為基態(tài) 氫原子在基態(tài)的能量為 13 6eV 3 激發(fā)態(tài) 當(dāng)電子受到外界激發(fā)時(shí) 可從基態(tài)躍遷到較高的能級 較高能級對應(yīng)的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài) 欄目鏈接 4 氫原子的能級圖 氫原子的能級圖如圖所示 欄目鏈接 3 注意 1 若使原子電離 外界必須對原子做功輸入能量 使電子擺脫它與原子核之間的庫侖力的束縛 所以原子電離后的能量比原子其他狀態(tài)的能量都高 我們把原子電離后的能量記為0 即選取電子離核無窮遠(yuǎn)處即電子和原子核間無作用力時(shí)氫原子的能量為零 則其他狀態(tài)下的能量值均為負(fù)值 2 軌道與能量 對氫原子而言 核外的一個(gè)電子繞核運(yùn)行時(shí) 若半徑不同 則對應(yīng)著的原子能量也不同 軌道半徑越大 即n值越大 氫原子能量越高 欄目鏈接 在氫原子能級圖中 橫線間的距離越大 代表氫原子能級差越大 下列能級圖中 能形象表示氫原子最低的四個(gè)能級是 解析 由氫原子能級圖可知 量子數(shù)n越大 能級越密 所以C對 答案 C 課堂訓(xùn)練2 氫原子的基態(tài)能量為E1 如圖所示 四個(gè)能級圖正確代表氫原子能級的是 C 解析 由玻爾能級假設(shè)En E1可知 選項(xiàng)C對 原子的能級躍遷 為什么氫原子的定態(tài)能量為負(fù)值 氫原子由低能級躍遷到高能級的過程中動能如何變化 電勢能Ep及軌道能量如何變化 提示 1 氫原子的定態(tài)能量包括兩種能量 電子繞核運(yùn)動的動能及電子 氫原子核系統(tǒng)的電勢能 在研究電勢能時(shí)我們通常取無窮遠(yuǎn)處作為零勢能 設(shè)電子距核的半徑為r 電子質(zhì)量為m 由 可知電子的動能Ek 而電勢能的表達(dá)式為Ep 兩者之和即為軌道能量E Ek Ep 所以氫原子的定態(tài)能量為負(fù) 基態(tài)的半徑為r1 0 053nm E1 13 6eV是其定態(tài)能量的最低值 1 原子的能級躍遷的概念 躍遷是指電子從一個(gè)能級變化到另一個(gè)能級的過程 而電子從某一軌道躍遷到另一軌道對應(yīng)著原子就從一個(gè)能量狀態(tài) 定態(tài) 躍遷到另一個(gè)能量狀態(tài) 定態(tài) 2 能級躍遷的頻率條件 1 處于高能級的原子會自發(fā)地向低能級躍遷 并且在這過程中輻射光子 h Em En Em En分別為原子躍遷前后的能級 2 反之 原子吸收了特定頻率的光子或者通過其他途徑獲得能量時(shí)便可以從低能級向高能級躍遷 同樣也遵循上面的規(guī)律 3 躍遷時(shí)電子動能 原子勢能與原子能量的變化 1 當(dāng)軌道半徑減小時(shí) 庫侖引力做正功 原子的電勢能Ep減小 電子動能增大 由于輻射光子原子能量減小 2 軌道半徑增大時(shí) 原子電勢能增大 電子動能減小 原子能量增大 4 使原子能級躍遷的兩種粒子 光子與實(shí)物粒子 1 原子若是吸收光子的能量而被激發(fā) 則光子的能量必須等于兩能級的能量差 否則不被吸收 不存在激發(fā)到n能級時(shí)能量有余 而激發(fā)到n 1時(shí)能量不足 則可激發(fā)到n能級的問題 但當(dāng)光子能量E 13 6eV 氫原子能夠吸收光子使電子電離 且電子具有動能 2 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兩能級的能量差值 E En Ek 均可使原子發(fā)生能級躍遷 5 原子躍遷時(shí)需注意的幾個(gè)問題 1 注意一群原子和一個(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)就會有各種情況出現(xiàn) 2 注意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 兩種情況的輻射 或吸收 光子的頻率數(shù)不同 3 注意躍遷與電離的區(qū)別 躍遷是指核外電子從一個(gè)能量軌道變化到另一個(gè)能量軌道 而電離則是核外電子脫離原子核的束縛成為自由電子 如圖所示 氫原子從n 2的某一能級躍遷到n 2的能級 輻射出能量為2 55eV的光子 至少要給基態(tài)的氫原子提供多少電子伏特的能量 才能使它輻射上述能量的光子 請?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 氫原子從n 2的某一能級躍遷到n 2的能級 滿足 h En E2 2 55eV En h E2 0 85eV 所以n 4 基態(tài)氫原子要躍遷到n 4的能級 應(yīng)提供 E E4 E1 12 75eV的能量 躍遷圖見下圖 答案 12 75eV躍遷圖見上圖 方法總結(jié) 1 如果是一個(gè)氫原子 該氫原子的核外電子在某時(shí)刻只能處在某一個(gè)可能的軌道上 由這一軌道向另一軌道躍遷時(shí)只能有一種光 但可能發(fā)出的光條數(shù)為 n 1 種 2 如果是一群氫原子 該群氫原子的核外電子在某時(shí)刻有多種可能軌道 每一個(gè)躍遷時(shí)只能發(fā)出一種光 多種軌道同時(shí)存在 發(fā)光條數(shù) 3 若知道每條發(fā)光的能量或頻率 可根據(jù)已知情況判定光線所在區(qū)域 課堂訓(xùn)練3 如圖所示為氫原子的能級圖 用光子能量為13 06eV的光照射一群處于基態(tài)的氫原子 可能觀測到氫原子發(fā)射的不同波長的光有 B A 15種B 10種C 4種D 1種解析 處于基態(tài)的氫原子吸收入射光子的能量后由低能級向高能級躍遷 處于不穩(wěn)定狀態(tài) 然后由高能級向低能級躍遷 根據(jù)題意 E E5 E1 13 06eV 故共發(fā)射C 10種不同波長的光