1、第三章 原子结构 原子核 第1讲 原子结构 氢原子光谱 知识点1 氢原子光谱 【思维激活1】(多选)如图甲所示是a、b、c、d四种元素的线状谱,图乙是某矿物的线状谱,通过光谱分析可以了解该矿物中缺乏的是()A.a元素 B.b元素 C.c元素 D.d元素【解析】选B、D。将a、b、c、d四种元素的线状谱与乙图中对照,可知矿物中缺少b、d元素,故选B、D。【知识梳理】1.光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开,获得光的_(频率)和强度分布的记录,即光谱。2.光谱分类：有些光谱是一条条的_,这样的光谱叫作线状谱。有的光谱是连在一起的_,这样的光谱叫作连续谱。3.光谱分析：利用每种原子都有自己的_可以用
2、来鉴别物质和确定 物质的组成成分,且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有 着重大的意义。波长 亮线 光带 特征谱线 知识点2 氢原子的能级结构、能级公式 【思维激活2】氢原子的基态能量为E1,如图所示,四个能级图能正确代表氢原子能级的是()【解析】选C。根据氢原子能级图特点：上密下疏,再联系各激 发态与基态能级间关系En=故C正确。121 E,n【知识梳理】1.玻尔理论：(1)定态：原子只能处于一系列_的能量状态中,在这些 能量状态中原子是_的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐 射能量。(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射或吸 收一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的能量差决定
3、,即h=_。(h是普朗克常量,h=6.6310-34Js)(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核 运动相对应。原子的定态是_,因此电子的可能轨道 也是_。不连续 稳定 Em-En 不连续的 不连续的 2.能级：原子量子化的_。3.基态和激发态：原子能量最低的状态叫_,其他能量较高的状态叫 _。能量值 基态 激发态 4.氢原子的能级和轨道半径：(1)氢原子的能级公式：En=_(n=1,2,3,),其中E1为基 态能量,其数值为E1=_。(2)氢原子的半径公式：rn=_(n=1,2,3,),其中r1为基态 半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.5310-10m。121 En-13
4、.6eV n2r1 5.氢原子的能级图：能级图如图所示。【微点拨】1.对玻尔理论的四点提醒：(1)电子绕核运动的半径是不连续的;(2)电子跃迁辐射光子的频率不等于电子绕核圆周运动的频率;(3)实物粒子也能使原子发生能级跃迁;(4)一个处于激发态的氢原子,辐射光谱线条数可能为1。一群处于激发态(n3)的氢原子,可能辐射出多条光谱线。2.关于光谱的三个易混点：(1)太阳光谱是吸收光谱,不是连续光谱;(2)原子光谱是线状光谱,不是连续光谱;(3)研究太阳光谱可了解太阳大气层的成分,不能了解地球大气层的成分。考点1 氢原子能级图及原子跃迁 1.能级图中相关量意义的说明：深化理解相关量 意 义 能级图中
5、的横线 表示氢原子可能的能量状态定态 横线左端的数字“1,2,3”表示量子数 横线右端的数字“-13.6,-3.4”表示氢原子的能量 相邻横线间的距离 表示相邻的能量差,量子数越大相邻的能量差越小,距离越小 带箭头的竖线 表示原子由较高能级向较低能级跃迁,原子跃迁的条件为h=Em-En 2.对原子跃迁条件h=Em-En的说明：(1)原子跃迁条件h=Em-En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。(2)当光子能量大于或等于13.6eV时,也可以被处于基态的氢原子吸收,使氢原子电离;当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6eV时,氢原子电离后,电子具有一定的初动能。(3)原子还
6、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=Em-En),均可使原子发生能级跃迁。3.跃迁中两个易混问题：(1)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了。(2)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。两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的。直
7、接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和。【题组通关方案】【典题1】(2012四川高考)如图为氢原子能级示意图的一部分,则氢原子()A.从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出电磁波的波长长 B.从n=5能级跃迁到n=1能级比从n=5能级跃迁到n=4能级辐射出电磁波的速度大 C.处于不同能级时,核外电子在各处出现的概率是一样的 D.从高能级向低能级跃迁时,氢原子核一定向外放出能量【典题解析】选A。由题图可知E43E32,根据公式E=h可得 4332,A对;若是在真空中,任何 电磁波的速度都是3.0108m/s,B错;处于不同能级时,
8、核外电 子出现的概率对应不同的电子云,可知C错;应该是“氢原子”向外放出能量,而非“氢原子核”,D错。c【典题2】如图所示为氢原子最低的四个能级，当氢原子在这些能级间跃迁时：(1)有可能放出多少种能量的光子?(2)在哪两个能级间跃迁时,所放出光子波长最长?最长波长是多少?【典题解析】(1)N=种=6种。(2)氢原子由第4能级向第3能级跃迁时,能量差最小,辐射的光子波长最长。由h=E4-E3得：=E4-E3 所以最长波长 1.8810-6m。答案：(1)6种(2)第4能级向第3能级跃迁 1.8810-6m n n144 122ch 3481943hc6.63 103 10 mEE0.851.51
9、1.6 10 【加固训练】1.如图所示为氢原子的四个能级,其中E1为 基态,若氢原子A处于激发态E2,氢原子B处于 激发态E3,则下列说法正确的是()A.原子A可能辐射出3种频率的光子 B.原子B可能辐射出3种频率的光子 C.原子A能够吸收原子B发出的光子并跃迁到能级E4 D.原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁到能级E4【解析】选B。原子A从激发态E2跃迁到E1,只能辐射出1种频率的光子,A错。原子B从激发态E3跃迁到基态E1能辐射出3种频率的光子,B对。由原子能级跃迁理论可知,原子A可能吸收原子B由E3跃迁到E2时放出的光子并跃迁到E3,但不能跃迁到E4,C错。A原子发出的光子能量E=E2
10、-E1大于E4-E3,故原子B吸收原子A发出的光子不可能跃迁到能级E4,D错。2.(2012山东高考)氢原子第n能级的能量为En=其中E1为 基态能量。当氢原子由第4能级跃迁到第2能级时,发出光子的 频率为 1;若氢原子由第2能级跃迁到基态,发出光子的频率为 2,则 =。【解析】当氢原子由第4能级跃迁到第2能级时：h1=E4-E2,当氢原子由第2能级跃迁到基态时：h2=E2-E1,而E4=E2=联立以上各式解得：答案：12En，1212E4，12E2，1214。14【学科素养升华】解答氢原子能级图与原子跃迁问题的注意事项(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。(2)能级之间发生跃迁时放出
11、(吸收)光子的频率由h=Em-En求 得。若求波长可由公式c=求得。(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)。(4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。用数学中的组合知识求解：利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种 可能情况一一画出,然后相加。2nn n1NC2。考点2 与能级有关的能量问题 1.原子从低能级向高能级跃迁的能量情况：吸收一定能量的光子,当一个光子的能量满足h=E末-E初时,才能被某一个原子吸收,使原子从低能级E初向高能级E末跃迁,而当光子能量h 大于或小于E末-E初时都不能被原子吸收。2.原子从高能级向低能级跃迁的能量情况：以光子的形式
12、向外辐射能量,所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差。3.电离时的能量：当光子能量大于或等于原子所处的能级绝对值时,可以被氢原子吸收,使氢原子电离,多余的能量作为电子的初动能。拓展延伸4.氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化规律：(1)原子能量变化规律：En=Ekn+Epn=随n增大而增大,随n的 减小而减小,其中E1=-13.6eV。(2)电子动能变化规律。从公式上判断电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力,即 所以Ekn=随r增大而减小。从库仑力做功上判断,当轨道半径增大时,库仑引力做负功,故电子动能减小。反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,故电子的动能增大。12E,
13、n222evkm,rr2nke,2r(3)原子的电势能的变化规律。通过库仑力做功判断,当轨道半径增大时,库仑引力做负功,原子的电势能增大。反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子的电势能减小。利用原子能量公式En=Ekn+Epn判断,当轨道半径增大时,原子能量增大,电子动能减小,故原子的电势能增大。反之,当轨道半径减小时,原子能量减小,电子动能增大,故原子的电势能减小。【题组通关方案】【典题3】(2014苏州模拟)若要使处于基态的氢原子电离,可以采用两种方法,一是用能量为13.6eV的电子撞击氢原子,二是用能量为13.6eV的光子照射氢原子,则()A.两种方法都可能使氢原子电离 B.两种方
14、法都不可能使氢原子电离 C.前者可使氢原子电离 D.后者可使氢原子电离【典题解析】选D。电子是有质量的,撞击氢原子时发生弹性碰撞。由于电子和氢原子质量不同,故电子不能把13.6eV的能量完全传递给氢原子,因此不能使氢原子完全电离,而光子的能量可以完全被氢原子吸收,故D对。【典题4】(1)(2011江苏高考)按照玻尔原子理论,氢原子中的电子离原子核越远,氢原子的能量 (选填“越大”或“越小”)。已知氢原子的基态能量为E1(E10),电子质量为m,基态氢原子中的电子吸收一频率为 的光子被电离后,电子速度大小为 (普朗克常量为h)。(2)氢原子在基态时轨道半径r1=0.5310-10m,能量E1=-
15、13.6eV,求氢原子处于基态时：电子的动能;原子的电势能;用波长是多少的光照射可使其电离?【典题解析】(1)氢原子中的电子离原子核越远，则量子数n越 大，由氢原子的能级公式En=(E12的某一能级跃迁到n=2的 能级,辐射出能量为2.55eV的光子。问：(1)最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能 量,才能使它辐射出上述能量的光子?(2)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】(1)氢原子从n2的某一能级跃迁到n=2的能级,辐射光子的频率应满足 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,应提供的能量：E=E4-E1=12.75eV。(2)辐射跃迁图如图所示。答案：(1)12.75eV(2)见解析图【学科素养升华】与能级有关的能量问题的解题步骤(1)分析已知量,根据库仑力提供核外电子做圆周运动的向心力列圆周运动动力学方程。(2)根据处于某定态原子的能量等于电子动能与电子电势能之和列方程,求电势能。(3)原子发生能级跃迁时能量与吸收或放出光子(或实物粒子)的能量相等,可列方程求光子的频率或相关物理量。