【配套K12】人教版高中物理选修3-5学案：第十八章 学案4 波尔的原子模型

4玻尔的原子模型[学习目标] 1.知道玻尔原子理论的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，会计算原子跃迁时吸收或辐射光子的能量.3.能用玻尔原子理论简单解释氢原子光谱．一、玻尔原子理论的基本假设[导学探究](1)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？答案不可以．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．(2)氢原子吸收或辐射光子的频率条件是什么？它和氢原子核外的电子的跃迁有什么关系？答案电子从能量较高的定态轨道(其能量记为E m)跃迁到能量较低的定态轨道(其能量记为E n)时，会放出能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝E m－E n(m＞n)．这个式子称为频率条件，又称辐射条件．当电子从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定．[知识梳理]玻尔原子模型的三点假设(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r n＝n2r1，n为量子数，n＝1,2,3，….(2)能量量子化①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．②基态原子最低的能量状态称为基态，对应的电子在离核最近的轨道上运动，氢原子基态能量E 1＝－13.6_eV. ③激发态较高的能量状态称为激发态，对应的电子在离核较远的轨道上运动． 氢原子各能级的关系为：E n ＝1n 2E 1.(E 1＝－13.6 eV ，n ＝1,2,3，…)(3)能级跃迁与光子的发射和吸收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，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即：高能级E m发射光子hν＝E m －E n 吸收光子hν＝E m －E n低能级E n .[即学即用] (多选)按照玻尔原子理论，下列表述正确的是( ) A ．核外电子运动轨道半径可取任意值B ．氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大C ．电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν＝|E m －E n |D ．氢原子从激发态向基态跃迁的过程，可能辐射能量，也可能吸收能量 答案 BC解析 根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是确定的值，而不是任意值，A 错误；氢原子中的电子离原子核越远，能级越高，能量越大，B 正确；由跃迁规律可知C 正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，只辐射能量，D 错误． 二、玻尔理论对氢光谱的解释[导学探究] 根据氢原子的能级图，说明：(1)氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出的光子的能量如何计算？(2)如图1所示是氢原子的能级图，一群处于n ＝4的激发态的氢原子向低能级跃迁时能辐射出多少种频率不同的光子？图1答案(1)氢原子辐射光子的能量取决于两个能级的能量差hν＝E m－E n(n<m)．(2)氢原子能级跃迁图如图所示．从图中可以看出能辐射出6种频率不同的光子，它们分别是n＝4→n＝3，n＝4→n＝2，n＝4→n＝1，n＝3→n＝2，n＝3→n＝1，n＝2→n＝1.[知识梳理](1)原子从一种能量态跃迁到另一种能量态时，吸收(或放出)能量为hν的光子(h 是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝E m－E n(m>n)．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＝C2n＝n(n－1)2计算.一、对玻尔理论的理解例1(多选)玻尔在他提出的原子模型中所作的假设有()A．原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做加速运动，但不向外辐射能量B．原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的C．电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子D．电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率解析A、B、C三项都是玻尔提出来的假设，其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出，也就是“量子化”的概念．原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应，是经典理论与量子化概念的结合．原子辐射的能量与电子在某一可能轨道上绕核的运动无关．答案ABC归纳总结解答本类问题应掌握玻尔理论的三点假设：(1)轨道量子化假设．(2)能量量子化假设．(3)跃迁理论．针对训练按照玻尔理论，当氢原子中电子由半径为r a的圆轨道跃迁到半径为r b的圆轨道上时，若r b＜r a，则在跃迁过程中()A．氢原子要吸收一系列频率的光子B．氢原子要辐射一系列频率的光子C．氢原子要吸收一定频率的光子D．氢原子要辐射一定频率的光子答案 D解析因为是从高能级向低能级跃迁，所以应放出光子，因此可排除A、C.“直接”从一能级跃迁至另一能级，只对应某一能级差，故只能辐射某一频率的光子，故选D.二、氢原子的跃迁规律分析例2(多选)氢原子能级图如图2所示，当氢原子从n＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm.以下判断正确的是()图2A ．氢原子从n ＝2跃迁到n ＝1的能级时，辐射光的波长大于656 nmB ．用波长为325 nm 的光照射，可使氢原子从n ＝1跃迁到n ＝2的能级C ．一群处于n ＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线D ．用波长为633 nm 的光照射，不能使氢原子从n ＝2跃迁到n ＝3的能级解析 能级间跃迁辐射的光子能量等于两能级间的能级差，能级差越大，辐射的光子频率越大，波长越小，A 错误；由E m －E n ＝hν可知，B 错误，D 正确；根据C 23＝3可知，辐射的光子频率最多3种，C 正确． 答案 CD例3 如图3所示为氢原子的能级图．用光子能量为13.06 eV 的光照射一群处于基态的氢原子，则可能观测到氢原子发射的不同波长的光有( )图3A ．15种B ．10种C ．4种D ．1种解析 基态的氢原子的能级值为－13.6 eV ，吸收13.06 eV 的能量后变成－0.54 eV ，原子跃迁到n ＝5能级，由于氢原子是大量的，故辐射的光子种类是n (n －1)2＝5×(5－1)2＝10种．答案 B总结提升1．对能级图的理解：由E n ＝E 1n 2知，量子数越大，能级越密．量子数越大，能级差越小，能级横线间的距离越小．n＝1是原子的基态，n →∞是原子电离时对应的状态．2．跃迁过程中吸收或辐射光子的频率和波长满足hν＝|E m －E n |，h cλ＝|E m －E n |.3．大量处于n 激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射n (n －1)2种不同频率的光，一个处于激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射(n －1)种频率的光子． 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，其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；(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部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差(E ＝E m －E n )，就可使原子发生能级跃迁．三、氢原子跃迁过程中的能量问题例4 氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中( ) A ．原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大 B ．原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小 C ．原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小 D ．原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大 答案 D 总结提升原子的能量及变化规律 (1)原子的能量：E n ＝E k n ＋E p n .(2)电子绕核运动时：k e 2r 2＝m v 2r ，故E k n ＝12m v 2n ＝ke 22r n电子轨道半径越大，电子绕核运动的动能越小．(3)当电子的轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子的电势能增大，反之，电势能减小． (4)电子的轨道半径增大时，说明原子吸收了光子，从能量较低的轨道跃迁到了能量较高的轨道上．即电子轨道半径越大，原子的能量越大．1．根据玻尔理论，关于氢原子的能量，下列说法中正确的是( ) A ．是一系列不连续的任意值 B ．是一系列不连续的特定值 C ．可以取任意值D ．可以在某一范围内取任意值 答案 B解析 根据玻尔模型，氢原子的能量是量子化的，是一系列不连续的特定值，另外我们可以从氢原子的能级图上，得出氢原子的能级是一系列的特定值，而不是任意取值的结论，故A 、C 、D 错误，B 对．2．氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下列说法中正确的是( ) A ．电子绕核旋转的半径增大 B ．氢原子的能量增大 C ．氢原子的电势能增大 D ．氢原子核外电子的速率增大 答案 D解析氢原子辐射一个光子时能量减少，所以电子的轨道半径减小，速度增大，电势能减小，故选项D正确．3．如图4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()图4A．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E4D．原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁到能级E4答案 B解析原子A处于激发态E2，它只能辐射出1种频率的光子；原子B处于激发态E3，它可能由E3到E2，由E2到E1，或由E3到E1，辐射出3种频率的光子；原子由低能级跃迁到高能级时，只能吸收具有能级差的能量的光子，由以上分析可知，只有B正确．4．(多选)如图5所示为氢原子的能级图，A、B、C分别表示电子在三种不同能级跃迁时放出的光子，则下列判断中正确的是()图5A．能量和频率最大、波长最短的是B光子B．能量和频率最小、波长最长的是C光子C．频率关系为νB＞νA＞νC，所以B的粒子性最强D．波长关系为λB＞λA＞λC答案ABC解析从图中可以看出电子在三种不同能级跃迁时，能级差由大到小依次是B、A、C，所以B光子的能量和频率最大，波长最短，能量和频率最小、波长最长的是C光子，所以频率关系式νB＞νA＞νC，波长关系是λB<λA<λC，所以B光子的粒子性最强，故选项A、B、C 正确，D错误．一、选择题(1～6为单选题，7～10为多选题)1．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的是()答案 C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．2．一个氢原子从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解析氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项B正确．3．一群氢原子处于同一较高的激发态，它们向较低激发态或基态跃迁的过程中()A．可能吸收一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条暗线B．可能发出一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条亮线C．只吸收频率一定的光子，形成光谱中的一条暗线D．只发出频率一定的光子，形成光谱中的一条亮线答案 B解析当原子由高能级向低能级跃迁时，原子将发出光子，由于不只是两个特定能级之间的跃迁，所以它可以发出一系列频率的光子，形成光谱中的若干条亮线．4．汞原子的能级图如图1所示，现让一束光子能量为8.8 eV的单色光照射到大量处于基态(能级数n＝1)的汞原子上，能发出6种不同频率的色光．下列说法中正确的是()图1A．最长波长光子的能量为1.1 eVB．最长波长光子的能量为2.8 eVC．最大频率光子的能量为2.8 eVD．最大频率光子的能量为4.9 eV答案 A解析由题意知，吸收光子后汞原子处于n＝4的能级，向低能级跃迁时，最大频率的光子能量为(－1.6＋10.4)eV＝8.8 eV，最大波长(即最小频率)的光子能量为(－1.6＋2.7) eV＝1.1 eV，故A正确．5．氢原子的能级图如图2所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62～3.11 eV.下列说法错误的是()图2A．处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离B．大量氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应C．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出2种不同频率的可见光D．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光答案 D解析紫外线的频率比可见光的高，因此紫外线光子的能量应大于3.11 eV，而处于n＝3能级的氢原子其电离能仅为1.51 eV＜3.11 eV，所以处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离，A对．6．μ子与氢原子核(质子)构成的原子称为μ氢原子，它在原子核物理的研究中有重要作用．如图3为μ氢原子的能级示意图，假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n＝2能级的μ氢原子，μ氢原子吸收光子后，发出频率为ν1、ν2、ν3、ν4、ν5和ν6的光子，且频率依次增大，则E等于()图3A．h(ν3－ν1) B．h(ν3＋ν1)C．hν3D．hν4答案 C解析μ氢原子吸收光子后，能发出六种频率的光，说明μ氢原子是从n＝4能级向低能级跃迁，则吸收的光子的能量为ΔE＝E4－E2，E4－E2恰好对应着频率为ν3的光子，故光子的能量为hν3.7．关于玻尔的原子模型，下列说法中正确的是()A．它彻底否定了卢瑟福的核式结构学说B．它发展了卢瑟福的核式结构学说C．它完全抛弃了经典的电磁理论D．它引入了普朗克的量子理论答案BD解析玻尔的原子模型在核式结构模型的前提下提出轨道量子化、能量量子化及能级跃迁，故A错误，B正确，它的成功就在于引入了量子化理论，缺点是被过多引入的经典力学所困，故C错误，D正确．8．原子的能量量子化现象是指()A．原子的能量是不可以改变的B．原子的能量与电子的轨道无关C．原子的能量状态是不连续的D．原子具有分立的能级答案CD解析根据玻尔理论，原子处于一系列不连续的能量状态中，这些能量值称为能级，原子不同的能量状态对应不同的轨道，故C、D选项正确．9．根据玻尔理论，以下说法正确的是()A．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波B．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量C．原子内电子的可能轨道是不连续的D．原子能级跃迁时，辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差答案BCD解析根据玻尔理论，电子绕核运动有加速度，但并不向外辐射能量，也不会向外辐射电磁波，故选项A错误，选项B正确．玻尔理论中的第二条假设，就是电子绕核运动可能的轨道半径是量子化的，不连续的，选项C正确．原子在发生能级跃迁时，要辐射或吸收一定频率的光子，光子能量取决于两个轨道的能量差，故选项D正确．10．氢原子处于量子数n＝3的状态时，要使它的核外电子成为自由电子，吸收的光子能量可能是()A．13.6 eV B．3.5 eVC．15.1 eV D．0.54 eV答案ABC解析只要被吸收的光子能量大于或等于n＝3激发态所需的电离能1.51 eV即可，多余能量作为电离后自由电子的动能．二、非选择题11．如图4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，图4(1)有可能放出几种能量不同的光子？(2)在哪两个能级间跃迁时，所发出的光子波长最长？波长是多少？答案(1)6(2)第四能级向第三能级 1.88×10－6 m解析(1)由N＝C2n，可得N＝C24＝6种；(2)氢原子由第四能级向第三能级跃迁时，能级差最小，辐射的光子能量最小，波长最长，根据hν＝E4－E3＝－0.85－(－1.51) eV＝0.66 eV，λ＝hcE4－E3＝6.63×10－34×3×1080.66×1.6×10－19m≈1.88×10－6 m.12．氢原子在基态时轨道半径r 1＝0.53×10－10 m ，能量E 1＝－13.6 eV.求氢原子处于基态时，(1)电子的动能；(2)原子的电势能；(3)用波长是多少的光照射可使其电离？ 答案 (1)13.6 eV (2)－27.2 eV (3)9.14×10－8 m 解析 (1)设处于基态的氢原子核外电子速度大小为v 1，则k e 2r 21＝m v 21r 1，所以电子动能 E k1＝12m v 21＝ke 22r 1＝9×109×(1.6×10－19)22×0.53×10－10×1.6×10－19 eV ≈13.6 eV . (2)因为E 1＝E k1＋E p1，所以E p1＝E 1－E k1＝－13.6 eV －13.6 eV ＝－27.2 eV .(3)设用波长为λ的光照射可使氢原子电离，有 hc λ＝0－E 1 所以λ＝－hc E 1＝－6.63×10－34×3×108－13.6×1.6×10－19 m ≈9.14×10－8 m.。