2018版第3章第4节原子的能级结构

第四节原子的能级结构

学习目标知识脉络

1.了解能级、基态和激发态的

概念.

2.理解原子发射和吸收光子

的能量与能级差的关系．(重

点)

3.能用玻尔原子理论简单解

释氢原子光谱．(难点)

4.知道氢原子的能级图．(重

点)

能级结构猜想

[先填空]

1．猜想：氢气在放电过程中，氢原子的能量也在减少．如果能量是连续减

少的，那么形成的光谱必定是连续谱，但是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．

2．能级：原子内部不连续的能量称为原子的能级．

3．跃迁：原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫做跃迁．

4．光子频率与能级差

关系式：hν＝E m－E n.

[再判断]

1．处在高能级的原子自发地向低能级跃迁，这个过程中要吸收光子．(×) 2．原子吸收了特定频率的光子或通过其他途径获得能量时，可从低能级向

高能级跃迁．(√)

3．原子从低级跃迁到高能级，原子只吸收确定的能量，剩余的能量作为电

子碰撞后运动的动能．(√)

[后思考]

你能结合爱因斯坦的光子说解释能级不连续性吗？

【提示】光子说提出光的能量是一份份的，每一份能量为hν，每一份称为一个光子；光子能量在被电子吸收时，是一个光子对一个电子的行为，因此原子吸收(或放出)的能量也是不连续的，因此能级差也是不连续的，即能级是不连

续性的.

氢原子的能级玻尔理论[先填空]

1．玻尔氢原子能级公式E n＝－Rhc

n2

，(n＝1,2,3…)．n被称为能量量子数．

2．基态

(1)定义：在正常状态下，氢原子处于最低的能级E1(n＝1)，这个最低能级对应的状态称为基态．

(2)基态能量：E1＝－13.6 eV.

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E2，E3…上，这些能级对应的状态称为激发态．

4．玻尔理论的两条基本假设

(1)定态假设．原子系统中存在具有确定能量的定态，原子处于定态时，电

子绕核运动不辐射也不吸收能量．

(2)跃迁假设．原子系统从一个定态跃迁到另一个定态，伴随着光子的发射

和吸收．

[再判断]

1．氢原子的能量是不连续的，只能取一些定值也就是说氢原子的能量是量

子化的．(√)

2．氢原子能级表达式是瑞士的巴耳末最先得出的．(×)

3．能级间的跃迁产生不连续的谱线，从不同能级跃迁到某一特定能级就形

成一个线系．(√)

[后思考]

1．电子在核外的运动真的有固定轨道吗？玻尔理论中的轨道量子化又如何

解释？

【提示】在原子内部，电子绕核运动并没有固定的轨道，只不过当原子处于不同的定态时，电子出现在r n＝n2r1处的概率大．

2．如图3-4-1所示，为一氢原子的能级图，一个氢原子处于n＝4的能级．

图3-4-1

该氢原子向低能级跃迁时，最多能辐射出几种频率的光子？

【提示】3种．

1．玻尔的原子模型

(1)定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，在这些状态中

原子是稳定的，电子虽然绕核做圆周运动，但并不向外辐射能量．这些状态叫定态．

(2)跃迁假设：原子从一种定态(设能量为E m)跃迁到另一种定态(设能量为E n)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hν＝E m－E n.

2．卢瑟福原子模型与玻尔原子模型的相同点与不同点

(1)相同点

①原子有带正电的核，原子质量几乎全部集中在核上．

②带负电的电子在核外运转．

(2)不同点

卢瑟福模型：库仑力提供向心力，r的取值是连续的．

玻尔模型：轨道r是分立的、量子化的，原子能量也是量子化的．

3．能级

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，若使原子电离，外界必须对原子做功，使电子摆脱它与原子核之间库仑力的束缚，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时氢原子的能量为零，则其他状

态下的能量值均为负值．

原子各能级的关系为：E n＝E1

n2(n＝1,2,3…)．

对氢原子而言，基态能量：E1＝－13.6 eV，其他各激发态的能级为：

E2＝－3.4 eV

E3＝－1.51 eV

……

这里E1、E2…E n是指原子的总能量，即电子动能与电势能的和．

4．能级图

氢原子的能级图如图3-4-2所示．

图3-4-2

5．跃迁规律

(1)由高能级向低能级跃迁

原子在基态时是稳定的，在激发态时是不稳定的．处于激发态的原子会自

发地向低能级跃迁，并以光子的形式放出能量，原子在始、末两个能级E m和

E n(m>n)间跃迁时，放出光子的频率ν＝E m－E n

h.

氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态，因此处于n能级的电子向低能级跃迁

时就有很多可能性，其可能的值为C2n＝n n－1

2

种可能情况．

(2)由低能级向高能级跃迁

原子吸收光子后会从较低能级向高能级跃迁而被激发，光子的能量必须等于两能级的能量差，否则光子将不被吸收．但当处于n能级的电子电离时，只要光子的能量hν≥|E n|，就可被吸收．

(3)能级跃迁时的能量变化

当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小，电子动能增大，

原子能量减小．反之，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．

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

的引入与能量跃迁学说的提出，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

2．(多选)欲使处于基态的氢原子激发或电离，下列措施可行的是()

【导学号：55272094】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10 eV的光子照射