2022年高中物理选修（3-5）3.3《量子论视野下的原子模型》word学案.doc

2022年高中物理选修（3-5）3.3《量子论视野下的原子模型》word学案[学习目标定位] 1.知道玻尔原子理论基本假设的主要内容.2.了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念.3.能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型．1．爱因斯坦的光子说：光的能量是不连续的，而是一份一份的，一份叫一个光子，一个光子的能量为hν.2．eV是能量的单位，1 eV＝1.6×10－19 J.3．玻尔理论(1)定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中的原子是稳定的，这些状态叫做定态，处于定态的原子并不对外辐射能量．只有当原子在两个定态之间跃迁时，才产生电磁辐射．(2)跃迁假设：原子从能量为Em的定态跃迁到能量为En的定态时，辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由两个定态的能量差决定，即hν＝Em－En.(3)轨道假设：电子围绕原子核运动的轨道半径也是不连续的，只能是一些分立的数值，即rn＝n2r1，En＝E1(n＝1,2,3，…)，其中r1＝0.53×10－10 m，E1＝－13.6 eV.4．能级、原子光谱(1)能级：在玻尔模型中，原子的能量状态是不连续的，因而各定态的能量只能取一些分立值，我们把原子在各定态的能量值叫做原子的能级．(2)基态和激发态①基态：在正常状态下，原子处于能量最低的状态，这时电子在离核最近的轨道上运动，这一定态叫做基态．②激发态：电子在其他轨道上运动时的定态叫做激发态．(3)原子光谱原子处于基态时最稳定，处于较高能级的激发态时会自发地向低能级的激发态或基态跃迁，这一过程是辐射能量的过程，能量以光子的形式辐射出去．各种物质的原子结构不同，能级分布也就各不相同，它们可能发射的光的频率也不同，每种元素的原子发出的光都有自己的特征，因而具有自己的原子光谱．5．玻尔理论的成就和局限(1)玻尔理论的成就玻尔理论第一次将量子观念引入原子领域；提出了能级和跃迁的概念，成功解释了氢原子光谱的实验规律．(2)玻尔理论的局限性没有彻底摆脱经典物理学的束缚，对更复杂的原子光谱无法解释．原子中电子的运动并没有确定的轨道，而是可以出现在原子内的整个核外空间，只是在不同的地方出现的概率不同．电子在各处出现的概率，就像云雾一样，人们把它叫做电子云.一、对玻尔理论的理解[问题设计]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—地球模型缩小是否变为电子—原子核模型呢？答案　不是．在玻尔的理论中，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．[要点提炼]对玻尔原子模型的理解1．轨道量子化(1)轨道半径只能够是某些分立的数值．(2)氢原子的电子最小轨道半径r1＝0.053 nm，其余轨道半径满足rn＝n2r1，n为量子数，n＝1,2,3，….2．能量量子化不同轨道对应不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的，原子在不同状态有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的．原子各能级：En＝E1(E1＝－13.6 eV，n＝1,2,3，…)3．能级跃迁与光子的发射和吸收：(1)光子的发射：原子从高能级(Em)向低能级(En)跃迁时会发射光子，放出光子的能量hν与始末两能级Em、En之间的关系为：hν＝Em－En.(2)光子的吸收：原子吸收光子后可以从低能级跃迁到高能级．[延伸思考]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？答案　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零势能，设电子距核的半径为r，电子质量为m，由k＝m可知电子的动能Ek＝k，而电势能的表达式为Ep＝－k，两者之和即为轨道能量E＝Ek＋Ep＝－k，所以氢原子的定态能量为负，基态的半径为r1＝0.053 nm，E1＝－13.6 eV是其定态能量的最低值．从氢原子核外电子的动能Ek、电势能Ep及轨道能量E的表达式可以看出当氢原子从低能级En向高能级Em(nn)．若m→n，则辐射光子，若n→m，则吸收光子．2．根据氢原子的能级图可以推知，一群量子数为n的氢原子最后跃迁到基态时，可能发出的不同频率的光子数可用N＝C＝计算．例3　欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是(　　)A．用10.2 eV的光子照射B．用11 eV的光子照射C．用14 eV的光子照射D．用11 eV的电子碰撞答案　ACD解析　由“玻尔理论”的跃迁假设可知，氢原子在各能级间，只能吸收能量值刚好等于两能级之差的光子．由氢原子能级关系不难算出，10.2 eV刚好为氢原子n＝1和n＝2的两能级之差，而11 eV则不是氢原子基态和任一激发态的能量之差，因而氢原子只能吸收前者被激发，而不能吸收后者．对14 eV的光子，其能量大于氢原子电离能，足可使“氢原子”电离，而不受氢原子能级间跃迁条件限制，由能的转化和守恒定律不难知道，氢原子吸收14 eV的光子电离后产生的自由电子仍具有0.4 eV的动能．用电子去碰撞氢原子时，入射电子的动能可全部或部分地被氢原子吸收，所以只要入射电子的动能大于或等于基态和某个激发态能量之差，也可使氢原子激发，故正确选项为A、C、D.玻尔的原子模型1．光子的发射和吸收过程是(　　)A．原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差B．原子不能从低能级向高能级跃迁C．原子吸收光子后从低能级跃迁到高能级，放出光子后从较高能级跃迁到较低能级D．原子无论是吸收光子还是放出光子，吸收的光子或放出的光子的能量恒等于始、末两个能级的能量差值 答案　CD2．如图2所示，1、2、3、4为玻尔理论中氢原子最低的四个能级．处在n＝4能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能发出若干种频率不同的光子，在这些光中，波长最长的是(　　)图2A．n＝4跃迁到n＝1时辐射的光子B．n＝4跃迁到n＝3时辐射的光子C．n＝2跃迁到n＝1时辐射的光子D．n＝3跃迁到n＝2时辐射的光子答案　B3．用能量为12.6 eV的光子去照射一群处于基态的氢原子，受光子照射后，下列关于这群氢原子的跃迁的说法正确的是(　　)A．原子能跃迁到n＝2的激发态上B．原子能跃迁到n＝3的激发态上C．原子能跃迁到n＝4的激发态上D．原子不能跃迁答案　D4．欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是(　　)A．用11.5 eV的光子照射B．用11.5 eV的电子碰撞C．用15 eV的光子照射D．用15 eV的电子碰撞答案　BCD解析　氢原子只能吸收等于两能级之差的光子，A项错；对于15 eV的光子其能量大于基态氢原子的电离能，可被基态氢原子吸收而电离，C项正确；对于电子碰撞，只要入射电子的动能大于或等于两个能级差或电离能，都可使氢原子激发，B、D正确.。